그린 수소 생산 효율 높일 광전극 신(新) 구조 개발

이종접합 광전극 구조와 전하 수송/수집 특성 모식도. (왼쪽)이중정렬 접합구조. (오른쪽)단일 정렬 접합구조. (자료제공: 아주대)

차세대 신재생 에너지 중 가장 유망한 에너지원으로 불리는 수소에너지. 광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해하여 수소를 얻을 수 있는데, 이 광전극의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 나노 구조가 국내 연구진에 의해 개발되었다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 조인선 아주대학교 교수와 한현수 스탠포드대학교 박사 연구팀이 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 밝혔다.
태양광-수소 생산 기술은 무한하고 깨끗한 태양광과 물로부터 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 하지만 기존의 단일 광전극 소재 이용 시 광 흡수율 한계, 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다. 이를 해결하고자 서로 다른 광전극 소재를 적층시키는 이종접합 기술 활용 연구 또한 활발히 이루어져 왔다. 대부분의 연구가 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태로 적층하는 기술 위주로 연구되어, 접합 계면 및 표면에서 높은 전자.정공 재결합이 발생, 전하 수집 특성이 낮아져 특성 향상이 제한적이었다.
이에, 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목했다. 이 원리에 기반하여 표면 결정면 제어 및 이종 접합기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종접합(Dual-textured-heterostructure) 모델 즉, 위 아래층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종접합 구조 연구를 진행하였다. 그 결과, 접합계면에서 전자.정공 재결합을 크게 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 뿐만 아니라, 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러나 획기적으로 수소 발생 특성을 향상 시킬 수 있었다.
조인선 교수는 “에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위하게 응용될 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의”가 있다고 전했다.
다만, 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’온라인에 2월 10일 게재됐다.