차세대 태양전지 이용한 수소생산 효율향상 실마리 찾아
프롤린으로 페로브스카이트 빈자리 채워, 태양전지 성능향상
□ 차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 시도가 소개됐다.
※ 페로브스카이트 : 1839년 러시아 광물학자 레브 페로브스키(Lev Perovski,17922-1856)가 발견한 광물의 결정구조(ABX3)의 명칭, 그중 유·무기 혼합 페로브스카이트는 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 흡수도 또한 높아 태양전지의 재료로 널리 사용됨.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이상한·이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다고 밝혔다
□ 기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해 및 광전기화학 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되었다.
※ 이온결함 : 결정물질 내부의 이물질로서 전하를 띠고 있는 것
※ 수전해 : 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법
※ 광전기화학 물분해(photoelectrochemical water splitting): 빛으로부터 생산된 전기로 물 분자를 분해해 수소와 산소를 생산하는 방법
□ 연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완하였다.
ㅇ 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 것이다.
※ L-프롤린(L-proline) : 단백질을 구성하는 20개의 아미노산 중 하나로써, 아민기(amine) 및 카복실기(carboxyl) 이 두 작용기를 모두 가지고 있으며 이는 용액의 pH에 따라 작용기가 가지는 전하가 달라진다.
※ 양쪽성이온(zwitterion) : 한가지의 분자에 양이온과 음이온을 동시에 가지고 있는 이온
□ 또한 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결하였다.
ㅇ 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.
□ 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업), 원천기술개발사업(기후변화대응기술개발사업), 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행된 이번연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 1월 21일 온라인 게재되었다.
