4배이상의 효율성 지닌 "광전극 나노 구조" 개발, 그린수소 생산성 향상

[디지털비즈온 조성훈 기자] 국내 연구팀이 광전극을 이용하여 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻을 수 있는 새로운 나노 구조를 개발했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 5일 조인선 교수(아주대, 제1저자 정유재), 한현수 박사(스탠포드대) 연구팀이 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 광전극보다 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 발표했다.

태양광-수소 생산 기술은 무한하고 깨끗한 태양광과 물로부터 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 기존의 단일 광전극 소재를 이용하면 광 흡수율 한계, 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이다.

이를 해결하기 위해 서로 다른 광전극 소재를 적층시키는 이종 접합 기술 활용 연구 또한 활발히 이어져 왔다. 이중 정렬(dual-textured) 구조란 서로 다른 소재를 접합 시, 비슷한 결정 구조학적 배향을 가지도록 접합한 구조를 말한다.

대부분의 연구가 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태로 적층하는 기술 중심으로 연구됐다. 접합 계면과 표면에서 높은 전자‧정공 재결합이 발생, 전하 수집 특성이 낮아져 특성 향상이 제한적이었다.

연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목했다. 이 원리에 기반해 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 진행했다.

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 생산과 저장기술 소자 등에 광범위 하게 응용될 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의가 있다”며 “상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화, 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Dual textured BiVO4/Sb:SnO2 heterostructure for enhanced photoelectrochemical Water-splitting)는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’ 2월 10일자 온라인에 실렸다.