차세대 태양전지 이용한 수소생산 효율 향상 실마리 찾아

- 프롤린으로 페로브스카이트 빈자리 채워, 태양전지 성능 향상
- 물처럼 흐르는 액체금속 밀봉기술로 수분 저항성 확보

차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트1) 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 시도가 소개됐다.
  한국연구재단(이사장 노정혜)은 이상한·이광희 광주과학기술원 교수 연구팀이 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다고 지난달 4일 밝혔다
  기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해3) 및 광전기화학4) 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온결함2)과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되었다.
  연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린5)을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완하였다. 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 것이다.
  또한 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결하였다. 수분에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동도 역시 높여 수소생산 효율을 한층 높일 수 있었다. 실제 이렇게 만들어진 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 가지며 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6%로 이는 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능이다.
  연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정이다.
  이번 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업), 원천기술개발사업(기후변화대응기술개발사업), 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 1월 21일 온라인에 게재됐다.

<그림> 페로브스카이트 태양전지를 이용해 제작한 광전기화학소자의 모식도. 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전기를 이용하여 수소를 생산하는 그림.

[ 주요 연구 내용 ]

1. 연구의 필요성

전 세계적으로 지구온난화 같은 기후변화문제의 해결을 위해 탄소중립 사회를 목표로 하고 있다. 이로 인하여 신재생에너지의 사용이 선택이 아닌 필수적이게 되었다. 하지만 신재생에너지의 간헐적인 특성으로 인하여 그 사용이 제한되는 것이 가장 큰 문제점이다. 이런 문제를 해결하고자 신 재생에너지원에서 생산된 전기를 이용하여 수소연료를 만드는 일명 광전기화학 물분해 기술이 주목받고 있다. 더군다나 이 기술은 수소가 만들어지는 과정에서 이산화탄소가 나오지 않는 친환경적 방법이기 때문에 일명 ‘그린 수소’라고 한다.
  최근 이런 그린 수소를 보다 값싸고 효과적으로 생산하기 위하여 차세대 태양전지로 떠오르는 페로브스카이트 태양 전지를 광전기화학 물분해 기술에 접목 시키는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 하지만 페로브스카이트 물질 자체의 이온 결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되고 있어 이 문제에 대한 근본적인 해결방법이 필요하다.

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