태양광 그린수소 효율 세계 최고 기술 개발

GIST '유기금속 할라이드 페로브스카이트 광전극’ 개발
12.8% 광전극 효율 달성, 12시간 사용 후 10.2%만 효율 감소

국내 연구진이 태양광을 이용한 그린 수소 생산성·효율을 세계 최고 수준으로 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

[그림1] 보호층인 니켈 포일 위에 합성된 Fe-Ni3S2와 결합된 페로브스카이트 광양극의 모식도. 그림출처=GIST 제공

광주과학기술원(GIST·지스트)은 이상한 신소재공학부 교수가 서장원 카이스트(KAIST) 교수 등과 함께 ‘광생성 캐리어’ 손실을 억제하는 새로운 기술을 적용해 세계적인 수준의 효율과 수명을 실현한 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트 광전극’을 개발했다고 10일 밝혔다.

전 세계적으로 탄소 중립이 주목받고 있는 오늘날, 수소에너지는 필수적으로 생산해야하는 친환경 에너지다. 그러나 대부분의 수소는 화석연료로 생산되고 부산물로 이산화탄소까지 배출하기 때문에 태양광으로 생산한 ‘그린 수소’ 생산 기술이 반드시 필요하다. 태양광을 이용해서 그린 수소를 생산할 때는 광전기화학적 물분해 방법이 주로 이용된다. 광전극이 태양광을 흡수해 광생성 캐리어를 생성하고 이 광생성 캐리어가 물을 분해해서 그린 수소를 생산하는 방식인데, 이때 광생성 캐리어가 손실되면 광전극의 효율이 떨어지게 된다.

연구팀은 광생성 캐리어의 손실을 억제하는 두 가지 핵심 기술을 적용해 세계적 수준의 페로브스카이트 광전극을 개발하는데 성공했다. 단분자 유기물인 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 광전극의 산화주석 위에 도포해 산화주석과 페로브스카이트 경계면 사이의 결함을 제어한 결과, 광생성 캐리어가 전기에너지로 전환되지 못하고 열에너지로 방출되는 현상을 감소시킬 수 있었다.

이어 광전극의 니켈 포일 보호층에 합성된 니켈-철 이중층수산화물 촉매를 철이 도핑된 황화니켈 촉매로 바꿔서 광전극과 전해질 사이의 물분해 반응을 촉진할 수 있었다. 연구팀은 광전극 내부에서 결함을 제어하고 외부에서 물분해 반응을 촉진함으로써 내·외부 광생성 캐리어의 손실을 효과적으로 억제했다. 그 결과 세계적 수준인 12.8%의 광전극 효율을 달성했을 뿐만 아니라 12시간 사용 후에도 10.2%만 효율이 감소하는 높은 안정성을 얻었다.

이 교수는 “기존 방식을 벗어나 ‘손실 제어’ 기술로 세계적 수준의 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 광전극 제작이 가능하다는 점을 밝혀냈다”며 “차세대 광전극에 적용해 그린 수소 생산성을 높이는데 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 17일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr