▲ 탈양성자화된 자가조립 단분자막(SAM)이 적용된 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지와 광음극 소자 성능(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

태양광으로 전기를 생산하는 동시에 수소까지 만들어내는 차세대 에너지 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 태양전지의 성능과 수명을 동시에 끌어올리는 ‘계면 제어 기술’이 핵심으로, 향후 탄소중립 시대의 에너지 시스템을 근본적으로 바꿀 수 있는 기술로 주목된다.

UNIST 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수와 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀은 자가조립 분자층(SAM)의 화학 상태를 정밀하게 제어해 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 세계적 학술지 Energy & Environmental Science에 게재됐다.

페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 적층해 기존 태양전지보다 높은 효율을 구현할 수 있는 차세대 기술이다. 그러나 투명전극과 페로브스카이트 층 사이의 계면이 불안정할 경우 전하 이동이 방해되고 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 계면에 형성되는 자가조립 분자층 ‘2PACz’의 화학 상태를 조절하는 방법을 제시했다. 탄산칼륨을 활용해 분자의 탈양성자화를 유도함으로써, 분자가 음전하를 띠고 전극과 더욱 강하게 결합하도록 설계했다. 이를 통해 계면의 균일성과 안정성을 확보하고, 전하 이동 효율을 크게 향상시켰다.

이 기술을 적용한 결과, 탠덤 태양전지는 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 높은 개방전압을 기록했다. 또한 220시간 연속 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하는 안정성을 확보하며 실용화 가능성을 입증했다.

특히 이번 기술은 태양광을 이용한 수소 생산에도 적용됐다. 연구팀은 동일한 계면 제어 기술을 광전극 장치에 적용해 외부 전압 없이 물을 분해하는 반응을 유도했으며, 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 최대 7.7%까지 끌어올렸다. 이는 태양광 발전과 그린 수소 생산을 동시에 구현할 수 있는 통합 에너지 시스템의 가능성을 보여준다.

이번 연구는 단순한 효율 개선을 넘어, 태양에너지를 다양한 형태로 변환하고 활용할 수 있는 플랫폼 기술로 평가된다. 특히 전력 생산과 수소 생산을 하나의 시스템으로 결합할 수 있다는 점에서, 향후 에너지 저장·운송 문제 해결에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

김진영 교수는 “분자 수준에서 계면의 화학 상태를 제어하는 접근을 통해 태양전지의 근본적인 성능 한계를 극복했다”며 “이 기술은 태양광 발전과 수소 생산을 결합한 차세대 에너지 시스템 구축의 핵심 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

재생에너지 확대와 수소 경제 전환이 동시에 요구되는 상황에서, 이번 성과는 ‘전기와 수소를 동시에 생산하는 태양에너지 플랫폼’이라는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

논문명은 Deprotonated self-assembled molecules as robust hole-selective layers for perovskite/organic tandem solar cells and photocathodes이다.