[인더스트리뉴스 권선형 기자] 국내 연구진이 태양광으로 생산한 전기로 물을 분해해 얻은 그린수소의 생산 효율을 대폭 높이는 광전극 구조를 개발했다. 기존 광전극 구조보다 태양광-수소 전환효율이 4배 이상 높아 그린수소 대량생산에 한 발 더 다가가게 됐다는 평가다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 아주대 조인선 교수, 스탠포드대 한현수 박사 연구팀이 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 4월 5일 밝혔다.

효율적인 태양광-수소 광전극 개발

태양광-수소 생산 기술은 무한하고 깨끗한 태양광과 물로부터 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이지만, 기존 단일 광전극 소재 이용 시 광 흡수율 한계, 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.

이를 해결하고자 서로 다른 광전극 소재를 적층시키는 이종 접합 기술 활용 연구 또한 활발히 이루어져 왔으나, 대부분의 연구가 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태로 적층하는 기술 위주로 연구돼, 접합 계면 및 표면에서 높은 전자‧정공 재결합이 발생해 전하 수집 특성이 낮아져 특성 향상이 어려웠다.

이에 조 교수, 한 박사 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목하고 연구를 진행했다. 연구팀은 표면 결정면 제어 및 이종 접합기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종접합(Dual-textured-heterostructure) 모델인 위‧아래 층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종접합 구조 연구를 진행했다.

그 결과 접합계면에서 전자‧정공 재결합을 크게 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 뿐만 아니라, 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러나 획기적으로 수소 발생 특성을 향상시켰다.

조 교수는 “에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위 하게 응용될 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의가 있다”며, “상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’ 에 2월 10일 온라인으로 공개됐다.

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