[인더스트리뉴스 최용구 기자] 태양광을 통한 그린수소 생산의 대표 방법인 ‘광전기화학적 물분해’의 효율을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진이 개발한 ‘광생성 캐리어 손실 억제’ 기술로 만들어진 광전극은 높은 효율성과 지속성을 보였다.

GIST(광주과학기술원, 총장 임기철)는 신소재공학부 이상한 교수 및 카이스트 서장원 교수 등으로 구성된 연구팀이 최고 수준의 효율·수명을 실현한 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트) 광전극’ 제조에 성공했다고 지난 10일 밝혔다. 

태양광 수소 기술은 청정 그린수소 생산의 이상적 대안으로 여겨진다. 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해시켜 수소를 만드는 기술이다.

태양광을 이용한 그린수소 생산에선 광전기화학적 물분해가 주로 이용된다. 광전극이 태양광을 흡수해 ‘광생성 캐리어’를 생성하고, 광생성 캐리어가 다시 물을 분해시켜 그린수소를 생산하는 방식이다. 다만 광생성 캐리어가 손실될 경우 광전극의 효율은 급격히 떨어진다. 

광생성 캐리어 손실 억제 과정 [자료=GIST]

연구팀은 광생성 캐리어의 손실을 억제하는 2가지 핵심 기술을 적용해 페로브스카이트 광전극을 개발하는 데 성공했다. 페로브스카이트는 차세대 광반도체로 주목받는 유무기 화합물이다. ABX3의 결정구조를 가지고 있으며 빛의 흡수 영역이 넓기 때문에 많은 광생성 캐리어를 생성한다.

연구진은 단분자 유기물(분자량이 낮은 유기물 분자)인 ‘글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드’를 광전극의 산화주석 위에 도포하는 방법을 이용했다. 이를 통해 산화주석과 페로브스카이트 경계면 사이의 결함을 제어했다.

도포 뒤 이뤄진 테스트에선 광생성 캐리어의 손실이 눈에 띄게 줄었다. 광생성 캐리어가 전기에너지로 전환되지 못하고 열에너지로 방출되는 현상이 감소했다.

연구진은 광전극의 니켈 포일 보호층에 합성된 ‘니켈-철 이중층수산화물 촉매’를 철이 도핑된 ‘황화니켈 촉매’로 바꾸는 방법을 두 번째로 적용했다. 이는 광전극과 전해질 사이의 물분해 반응을 촉진하는 효과를 냈다.

연구진은 12.8% 수준의 광전극 효율을 확보했다. 12시간 사용 후 광전극의 효율 저하는 10.2%로 나타났다. [자료=GIST]

GIST 이상한 교수는 “광전극 내부에서 결함을 제어하고 외부에선 물분해 반응을 촉진함으로써 내외부 광생성 캐리어의 손실을 효과적으로 억제했다”고 설명했다.

연구에선 세계 수준인 12.8%의 광전극 효율과 높은 지속성 및 안정성을 확보했다. 12시간 사용 후 테스트에서도 광전극의 효율 저하는 10.2% 정도에 그쳤다. 

이번 연구성과는 에너지분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 6월 17일자로 게재됐다.

이상한 교수는 “‘손실 제어’ 기술로 세계적 수준의 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 광전극 제작이 가능함을 밝혀냈다”며, “차세대 광전극에 적용함으로써 그린수소 생산성을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다”고 전했다.

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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