1월 과학기술인상, 연세대 문주호 교수 선정

- 저비용·고효율 태양전지 이용한 친환경(그린) 수소 생산기술 개발

과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 연세대학교 신소재공학과 문주호 교수를 선정했다고 지난달 5일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다. 과기정통부와 연구재단은 2050 탄소중립을 실현할 친환경 미래에너지로 수소가 주목받는 가운데, 문주호 교수가 태양광소자 기술에 기반을 둔 그린 수소 생산 연구로 미래 에너지 개발의 국가 경쟁력을 강화한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.
  문주호 교수는 산화알루미늄 구조체에 기반한 반투명 태양전지를 활용하여 수소를 생산하는 소자(이후, ‘태양전지-광전극 물분해 소자’)를 세계 최초로 제안하였다. 기존의 ‘태양광-수소 생산시스템’은 고가의 반도체 물질과 복잡한 생산 공정으로 고비용 저효율의 어려움을 겪고 있으나, 연구팀은 태양광-수소 변환효율이 높은 적층형 텐덤(Tandem) 소자 개발에 성공하여 저가 반도체로 저비용 고효율의 그린 수소 생산에 성공하였다. 세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성하는 등 ‘태양전지-광전극 물분해 소자’ 기반 고효율 그린수소 생산기술은 국제학술지 Energy & Environmental Science(‘20년 11호)에 게재됐다.
  문주호 교수는 “이번 연구는 태양광으로 물을 분해하여 그린 수소를 생산한 것으로, 넓은 범위 파장의 태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발하여 세계 최고 수준의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다는 데에 의의가 있다”며 “본 연구가 태양광-수소 변환 소자의 새로운 패러다임이 되기를 바란다”고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<광전극 기반 고효율 그린 수소 생산기술>

ㅇ 산화 알루미늄 구조체 기반 상부 태양전지의 투과도 제어

문주호 교수는 투과도 조절이 가능한 반투명 태양전지를 활용하여, 외부 전압 없이 물을 분해하여 수소를 생산하는 소자(이하 태양전지-광전극 물분해 소자)를 세계 최초로 제안하였다. 상부 전극으로 사용되는 반투명 태양전지의 경우, 산화알루미늄 구조체에 페로브스카이트 빛 흡수 물질을 채워 넣는 방식으로 제작되었다. 산화알루미늄 구조체를 사용하면, 구조체의 기공 크기 제어를 통해 다양한 빛 흡수 물질을 이용하여 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 즉, 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대 및 광량의 정밀한 조절이 용이하여 흡수층 재료 선택 범위가 넓어진다.

ㅇ 우수한 빛 흡수 특성의 하부 물분해 광전극 개발 및 세계 최고 태양광-수소 변환 효율 달성

더불어 셀렌화안티몬(Sb2Se3) 기반 하부 물분해 광전극의 경우, 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있어 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 활용하여 높은 전류를 발생시킬 수 있다. 연구팀은 반투명 태양전지를 사용하여 흡수되는 빛 파장대를 정밀하게 조절하고 이에 고효율 물분해 광전극을 적용하여 넓은 파장의 태양광을 효과적으로 분배 및 활용하였다. 또한 상부 태양전지 및 하부 물분해 광전극의 광학적 특성을 기반으로 최적 투과도 및 달성 가능한 최대 효율에 대한 이론적인 계산을 바탕으로 태양전지-광전극 물분해 소자를 제작, 세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성할 수 있었다. 이는 기존까지의 접근 방식으로부터 탈피한 반투명 태양전지 제작법의 새로운 패러다임을 제시하여 태양광을 효과적으로 사용하였다는 점에서 최적의 수소 생산 소자를 위한 전략적 접근법이다.

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