주요 연구성과
NEW 조인선 교수팀, 태양광에서 수소를 생산하는 광전극 효율향상 기술 개발
- 2020-12-07
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우리 학교 조인선 교수 연구팀이 태양광으로부터 수소 에너지를 생산하는 광전극의 효율을 향상시키는 기술 개발에 성공했다. 태양광을 활용한 수소 생산 기술의 경제성을 높이며 태양전지, 연료전지 등 다른 에너지 분야에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
조인선 교수(신소재공학과, 사진)는 기존 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘High-performance Bulky Crystalline Copper Bismuthate Photocathode for Enhanced Solar Water Splitting’이라는 논문으로 에너지 분야 국제학술지 <Nano Energy(IF=16.602)> 11월호에 게재됐다. 한국화학연구원 신성식 박사와 아주대학교 석사과정 서갑경, 김빛나(공동 제1저자), 박사과정 황성원(공동 저자)이 함께 참여했다.
화석연료 고갈 및 지구온난화 문제가 대두되며 탄소 발생 없이 태양광으로부터 물을 분해해 수소를 얻는 태양광-수소 생산 연구가 주목 받고 있다. 그러나 태양광을 수소에너지로 전환하는 광전환 효율을 상용화 수준으로 높이는 데 한계가 있었다. 이로 인해 저렴하면서도 효율적으로 태양광을 흡수해 전하 입자를 만드는 광전극 소재에 대한 관심이 높아지고 있다.
지금까지의 광전극 소재 연구는 산화물 소재를 이용한 산소 생산용 광산화극 개발에 집중되어 있었다. 반면 물분해 반응으로 직접 수소를 생산하는 광환원극에 대한 연구는 상대적으로 드물었다. 이에 조인선 교수 연구팀은 구리 기반 화합물인 구리 비스무스 산화물(CuBi₂O₄)에 주목했다.
구리 비스무스 산화물은 지표상 풍부한 원소로 경제성 측면에서 유리하고 유해성이 낮아 최적의 광환원극 소재로 꼽힌다. 또한 물 분해에 적절한 전도대 위치를 보이며 매우 낮은 밴드갭 에너지(1.6-1.8 eV)와 높은 내부전압(>1 V) 특성을 보여 이론 광전류값이 ~29 mA/cm²로 매우 높다. 그러나 불순물 등으로 인한 낮은 박막 품질로 전하이동도가 낮아 광전류 값 향상에 한계가 있었다.
연구팀은 새로운 고품질 박막 제조공정인 EDC(Evaporation-Decomposition-Controlled) 방법을 개발했다. 저렴한 용액공정 기반인 EDC는 용액 제조공정 중 전처리 공정에서 용매증발속도를 제어함으로써 결정입자의 밀도와 성장 속도를 제어하는 방법이다. 이를 통해 치밀하면서도 큰 입계로 구성된 박막을 제조하여 전하이동 특성 향상 및 기존 대비 2배 이상 높은 광전류 값을 얻는 데 성공했다. 이는 전기영동법, 스프레이코팅법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 광전환효율을 4배 가까이 향상시킨 결과이다.
조인선 교수 연구팀은 더 나아가 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 적층한 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5 mA/cm²의 높은 광전류 값을 얻었다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물수소 전극보다 높은 값이다.
조인선 교수는 “상용화를 위해서는 추가적인 효율 향상과 안정성 향상, 대면적화 기술이 필요하다”며 “추가적인 연구개발을 통해 태양광-수소 생산 특성 향상 및 기술의 경제성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
조 교수는 “이번에 개발된 방법은 다양한 산화물 반도체 박막 합성을 위한 공정으로 확장될 수 있어 태양전지나 연료전지 등 다른 에너지 분야에서도 유용하게 사용될 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행되었다.
용액공정(EDC 공정)으로 제조된 이종접합구조(CuBi2O4/CuO) 광전극 모식도
증발속도 제어 용액공정(EDC 기법) 기반 구리 비스무스 산화물 박막 형성 효과