그린 수소 생산 효율 높일 광전극 신(新) 구조 개발
이중 정렬 접합 구조 도입으로 효율적 전하 수집 특성 확인
□ 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 교수(아주대학교, 제1저자 정유재), 한현수 박사(스탠포드대학교) 연구팀이 이중 정렬*된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 밝혔다.
* 이중 정렬(dual-textured) 구조: 서로 다른 소재를 접합 시, 비슷한 결정 구조학적 배향을 가지도록 접합한 구조.
□ 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 이종 접합 기술 활용 연구 또한 활발히 이루어져 왔으나,
○ 대부분의 연구가 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태*로 적층하는 기술 위주로 연구되어, 접합 계면 및 표면에서 높은 전자‧정공 재결합이 발생, 전하 수집 특성이 낮아져 특성 향상이 제한적이었다.
* 코어쉘 형태 : 막대 구조(코어)위에 껍질형태(쉘)로 코팅한 전극 구조.
* 전자․정공 재결합 : 광전극에 태양빛을 쪼이면 전자/정공이 생성되고, 이들이 서로 분리 및 수송되어 수소 생산반응에 참여하게 되는데, 이때 전하 분리와 수송이 잘 일어나지 않으면 전자와 정공이 서로 재결합하여 반응에 참여할 수 있는 전하수가 크게 줄어들고 효율이 낮아짐.
□ 이에, 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목했다.
○ 이 원리에 기반 하여 표면 결정면* 제어 및 이종 접합기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종접합 (Dual-textured-heterostructure) 모델 즉, 위‧아래 층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종접합 구조 연구를 진행하였다.
* 표면 결정면 : 광전극 제조 시 단순히 둥근 형태가 아닌 각 진 표면구조, 즉 특정 결정면이 노출되도록 만들 경우 그 결정면에 따라 물리화학적 특성을 제어 할 수 있음.
○ 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 광범위 하게 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 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’ 에 2월 10일 온라인 공개 되었다.
