[위즈뉴스] 차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 시도가 소개됐다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 4일 광주과학기술원(GIST) 이상한 교수와 이광희 교수 연구팀이 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능하다는 사실을 확인했다고 밝혔다.
페로브스카이트는 1839년 러시아 광물학자 레브 페로브스키(Lev Perovski,17922-1856)가 발견한 광물의 결정구조(ABX3)의 명칭으로, 그중 유·무기 혼합 페로브스카이트는 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 흡수도 또한 높아 태양전지의 재료로 널리 사용되고 있다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 재료분야의 SCI급 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials, IF=16.836)’ 1월 21일자 온라인판에 게재됐다.
논문명은 'Efficient and stable perovskite-based photocathode for photoelectrochemical hydrogen production'이며, GIST 이상희 교수와 이광희 교수가 공동교신저자로, GIST 김주현 박사와 서세훈 박사, 이종훈 박사가 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 이상한 교수와 이광희 교수는 "현재 우리나라는 전 세계적으로 페로브스카이트 태양전지 분야를 선도하고 있다"며 "이러한 세계적인 수준의 기술과 이번 연구결과를 바탕으로 더욱 안정적이며 효율적으로 그린 수소를 생산할 수 있을 것이라 기대한다"고 말했다.
이어 "이렇게 생성된 수소연료는 에너지 문제뿐만 아니라 세계적인 문제인 기후변화 문제를 해결할 실마리가 될 수 있다"고 덧붙였다.
기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해 및 광전기화학 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되었다.
수전해는 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법이며, 광전기화학 물분해(photoelectrochemical water splitting)는 빛으로부터 생산된 전기로 물 분자를 분해해 수소와 산소를 생산하는 방법이다.
연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완했다. 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 것이다.
또, 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결하였다. 수분에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동도 역시 높여 수소생산 효율을 한층 높일 수 있었다.
[그림 설명] 페로브스카이트 태양전지를 이용해 제작한 광전기화학소자의 모식도, 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전기를 이용하여 수소를 생산하는 그림
실제 이렇게 만들어진 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 가지며, 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6%로 이는 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능이다.
연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정이다.
이번 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업), 원천기술개발사업(기후변화대응기술개발사업), 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.
