한-미 공동 연구진이 태양광으로 수소에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다.
한국연구재단은 조인선 아주대 교수(사진), 샤올린 쳉 스탠퍼드대 교수, 한현수 스탠퍼드대 연구원으로 이뤄진 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.
태양광-수소 생산 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 이 기술을 상용화하기 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하지만, 기존 광 전극 소자 기술로는 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 특히 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물, 산화철 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률과 낮은 전기 전도도 등으로 인해 효율을 높이는 데 가장 큰 걸림돌로 작용했다.
연구팀은 소재의 결정구조 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 '비등방성'에 주목해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켰다. 이를 통해 산화물 반도체인 '비스무스 바나데이트'를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착시킨 광 전극 소재를 제조한 결과, 기존 광 전극 소재보다 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 결과적으로 태양광-수소 전환 효율은 16배 이상 높아졌으며, 이는 이론상 효율의 82%에 달하는 세계 최고 수준이라고 연구진은 설명했다.
조인선 교수는 "기존 소재의 한계를 극복해 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킬 수 있는 계기를 마련했다"며 "앞으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광 전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 계속 진행할 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science)에 게재됐다.
