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| ▲ 페로브스카이트 광전기화학 모듈 시스템의 모식도 (왼쪽)과 사진 (오른쪽). 실제 태양광 아래에서의 구동이 가능하며 단일 페로브스카이트 광전극 단위 소자에 비해 대면적에서의 태양광 수소 생산이 가능함을 확인할 수 있다. |
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탄소중립 시대에 각광받는 친환경 '그린수소' 에너지를 대량 생산할 수 있는 길이 국내 연구진에 의해 열렸다.
광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)는 27일 "신소재공학부 이상한 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀이 '광전극에 모듈화 기술'을 적용해 대면적화 가능한 유기금속 할라이드 페로브스카이트(아래 페로브스카이트) 광전기화학 모듈 시스템을 개발했다"고 밝혔다.
페로브스카이트는 ABX3의 결정 구조를 갖는 유-무기 화합물로 높은 전하이동 능력과 빛 흡수성으로 광변환효율이 높아 차세대 광반도체로 각광받고 있는 기술이다.
GIST는 "수소 에너지는 생산 방식에 따라 그레이, 블루, 그린 수소로 구분되는데 '그린수소'는 태양광과 같은 신재생에너지를 통해 생산되고 있어 수소 에너지 중 가장 친환경적"이라며 "태양광을 이용한 그린수소 생산에는 물을 포함하는 전해질과 반도체 광전극을 활용한 '광전기화학 물분해 방법'이 주로 이용된다"고 설명했다.
여기서 '광전기화학 물분해'는 그린수소의 생산 방식 중 하나로, 전해질 담지된 반도체 광전극을 작동 전극으로 하여 광전극에 빛이 입사하면 생성되는 전자와 정공을 이용해 수소 및 산소를 생산하는 방식이다.
이와 관련해 최근에는 '페로브스카이트'와 같은 제조 공정이 간편하고 높은 효율의 새로운 물질로 광전극을 제조하려는 연구들이 시도되고 있다고 한다. 이에 따라 고효율과 고안정성을 확보할 수 있으나 광전기화학 시스템의 실용화와 이를 통한 그린수소의 대량 생산을 위해서 대면적의 광전극 개발은 필수적이며, 특히 실제 태양광 아래에서의 현실 검증이 필요한 상황이란 것.
GIST는 "그러나 소자의 면적이 넓어질수록 커지는 저항 손실, 균일하지 못한 박막의 형성, 그리고 물질 내부의 결함으로 인해 대면적의 페로브스카이트 광전극은 높은 효율을 보이기 어렵다"면서 "대면적화가 힘들기 때문에 페로브스카이트를 기반으로 제작된 광전극을 실용화하기에는 어려움이 있다"고 지적했다.
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| ▲ 페로브스카이트 광전기화학 모듈의 실제 태양광 아래에서의 측정 결과. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 광전기화학 모듈 시스템은 실제 태양광 환경에서 성공적인 무전압 구동을 확인할 수 있다. |
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이에 공동 연구팀은 이번 연구를 통해 '페로브스카이트 기반 광전기화학 시스템의 대면적화'를 위해 페로브스카이트 광전극을 평행하게 연결해 효율 저하가 최소화된 높은 확장성(Scalability)을 가진, 즉 쉽게 높은 효율의 대면적화가 가능한 '페로브스카이트 광전기화학 모듈'을 개발하는 데 성공했다.
우선 연구팀은 총 16개의 단위 소자를 연결하여 제작된 4㎠ 면적의 페로브스카이트 광전기화학 모듈은 연구실 환경이 아닌 실제 태양광 환경에서 현실 검증을 진행했다. 그리고 실험실 환경의 91% 정도의 광량으로도 외부 전압 없이 11.52mA의 높은 광전류를 기록했다.
GIST는 "연구팀이 개발한 모듈은 페로브스카이트 광양극과 광음극을 모두 포함하는 시스템이어서 외부 전압이 필요 없는 무전압 조건에서 구동 가능하며, 이는 광전기화학 모듈 중 최초"라고 평가했다.
이상한 교수는 이번 연구의 성과에 대해 "기존의 방식과는 다른 광전극의 모듈화 기술을 통해 대면적의 페로브스카이트 광전기화학 시스템 개발의 가능성을 제시했다"면서 "향후 후속 연구와 모듈화된 광전극을 통해 그린수소를 대량으로 생산할 수 있는 기술의 실용화를 기대한다"고 말했다.
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| ▲ 사진 왼쪽부터 이상한 교수, 김희주 교수, 최호중 박사, 서세훈 박사 |
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한편, 이번 연구는 한국연구재단의 미래수소원천기술개발, ERC 선도연구사업과 GIST 개발과제(차세대에너지연구소)의 지원을 받아 이뤄졌다. GIST 신소재공학부 이상한 교수가 주도하고 에너지융합대학원 김희주 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구는 GIST 최호중 박사와 GIST 박사 졸업 후 독일 과학연구소 헬름홀츠-젠트럼 헤레온 그룹 리더인 서세훈 박사(Helmholtz-Zentrum Hereon)가 공동 제1저자로 수행했다.
연구 결과는 국제학술지인 <어드밴스트 사이언스(Advanced Science)>(IF=15.1)의 표지 논문으로 선정돼 2023년 11월 24일 게재됐다.