국내 연구진이 차세대 광반도체 소재인 페로브스카이트를 광전극으로 만들어 이산화탄소 배출이 없는 ‘그린 수소’를 대량생산하는 기술을 개발했다. 새로 개발한 광전극은 외부 전압이 없이 작동시킬 수 있어 수소 생산 효율도 높을 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학부 교수와 김희주 에너지융합대학원 교수 공동연구팀이 광전극을 큰 면적으로 제작할 수 있는 페로브스카이트 광전기화학 모듈 시스템을 개발했다고 27일 밝혔다.
페로브스카이트는 ABX3의 결정 구조를 갖는 화합물로 A와 B는 크기가 다른 양이온, X는 음이온을 의미한다. 페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물이 섞여 있는 금속 산화물이다. 반도체와 부도체, 도체의 성질을 모두 가지는 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 땄다. 페로브스카이트는 간단하면서도 저렴한 화학반응으로 만들 수 있다. 페로브스카이트는 용액 상태로 존재해 간단히 바르면 전지나 전극을 만들 수 있다는 장점이 있다. 높은 전하이동 능력과 빛 흡수성으로 광 변환효율이 높아 차세대 광반도체로 주목받는다.
수소는 생산 과정에서 배출하는 이산화탄소량에 따라 그레이와 블루, 그린 수소로 구분된다. 이중 탄소 중립을 위해 필수적인 이산화탄소 배출이 없는 그린 수소는 태양광 같은 신재생에너지로 생산되는 수소를 말한다. 그린 수소는 주로 물을 포함하는 전해질을 반도체 광전극이 수소와 산소로 분해하는 ‘광전기화학 물분해 방법’이 이용된다.
수소 에너지 연구에도 페로브스카이트가 활용되고 있다. 최근 페로브스카이트로 광전극을 제조하려는 연구가 시도되면서 높은 효율과 안정성을 확보하려는 연구가 진행되고 있다. 하지만 페로브스카이트로 그린 수소를 대량생산하기 위해선 큰 면적의 광전극 개발이 필수적인데, 소자 면적이 넓어질수록 저항 손실이 커지고 물질 내부에 결함이 발생한다는 문제가 생겼다. 최고의 효율을 보이는 단위 소자의 면적이 존재하는 것이다.
연구팀은 페로브스카이트 단위 소자들을 연결해 큰 광전극을 만들 수 있는 광전기화학 모듈을 만들었다. 모듈은 페로브스카이트 광전극을 평행하게 연결해 효율 저하를 최소화하면서 확장성을 가진다. 연구팀은 모듈을 광양극과 광음극을 모두 포함하는 시스템으로 개발해 외부 전압 없이 구동할 수 있도록 만들었다. 무전압으로 작동하는 광전기화학 모듈은 세계 최초다.
연구팀은 16개 단위 소자를 연결해 4㎠ 크기의 페로브스카이트 광전기화학 모듈을 실제 태양광 환경에서 실증한 결과, 실험실 환경의 91% 빛 양만으로 외부 전압 없이 11.52㎃ 정도의 광전류를 기록했다고 설명했다.
이상한 교수는 “이번 연구는 기존 방식과 다른 광전극의 모듈화 기술을 통해 큰 면적의 페로브스카이트 광전기화학 시스템 개발의 가능성을 제시했다”며 “후속 연구와 모듈화된 광전극을 통해 그린 수소를 대량으로 생산할 수 있는 기술의 실용화를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 GIST의 지원을 받았다. 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 이달 24일 표지논문으로 게재됐다.
참고자료
Advanced Science, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202303106