전환 효율 82%…세계 최고 수준
[한국에너지신문] 한국과 미국의 공동 연구진이 태양광으로 수소 에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다.
조인선 아주대 교수, 샤올린 쳉 스탠퍼드대 교수, 한현수 스탠퍼드대 연구원 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 한국연구재단이 지난달 22일 밝혔다.
태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 ‘꿈의 기술’이라고 불릴 정도로 주목받고 있으나 기존의 광 전극 소자 기술로는 태양광-수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다.
태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물, 산화철 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율 저하의 가장 큰 걸림돌로 작용했다.
연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다. 이 원리를 기반으로, 증착 온도 등 다양한 변수를 조절해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정하는 연구를 시작했다.
연구팀은 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 바나듐산 비스무트를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착해 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 성공적으로 제조했다.
광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상됐다. 이는 이론상 효율의 82% 정도로 세계 최고 수준이라고 재단은 설명했다.
조인선 교수는 “이 연구는 기존 소재의 한계를 극복해 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킬 수 있는 계기를 마련했다”며 “앞으로 우선 배향된 바나듐산 비스무트 광 전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 후속 연구계획을 밝혔다.
이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행됐으며, 학술지 ‘에너지와 환경과학’ 4월 18일 자 논문에 게재됐다.
