'태양광→수소' 에너지 전환 효율 16배 끌어올렸다

한-미 공동 연구진이 태양광으로 수소 에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다.

한국연구재단은 조인선 아주대학교 교수, 샤올린 쳉 스탠포드대학교 교수, 한현수 스탠포드대학교 연구원 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 ‘꿈의 기술’이라고 불릴 정도로 주목받고 있지만, 기존의 광 전극 소자 기술로는 태양광-수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다.

태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물, 산화철 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율 저하의 가장 큰 걸림돌로 작용했다.

연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다.

이 원리를 기반으로, 증착 온도 등 다양한 변수를 조절해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정하는 연구를 시작했다.

연구팀은 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착해 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 성공적으로 제조했다.

우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극. c축 방향으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극은 표면의 산소 발생 반응을 향상시키고, 전자수송도를 증가시키며, 투명전극 기판으로의 전자 수집을 용이하게 해 기존 무작위 배향 광전극 대비 16배 이상 향상된 광전류 밀도, 즉 태양광-수소 생산 효율을 나타낸다.

이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상됐으며, 이는 이론 상 효율의 82% 정도로 세계 최고 수준이라고 재단은 설명했다.