태양광-수소 생산 기술은 무한하고 깨끗한 태양광과 물로부터 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술입니다. 광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해하여 수소를 얻을 수 있는데, 기존 방법으로는 수소 생산 특성이 매우 제한적입니다. 그런데, 이 광전극의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 나노 구조가 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

한국연구재단은 조인선 교수(아주대학교, 제1저자 정유재), 한현수 박사(스탠포드대학교) 연구팀이 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 제안, 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 밝혔는데요. 이중 정렬(dual-textured) 구조란 서로 다른 소재를 접합 시, 비슷한 결정 구조학적 배향을 가지도록 접합한 구조입니다.

태양광-수소 생산 기술은 무한하고 깨끗한 태양광과 물로부터 그린 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이죠. 하지만 기존의 단일 광전극 소재 이용 시 광 흡수율 한계, 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었습니다. 이를 해결하고자 서로 다른 광전극 소재를 적층시키는 이종 접합 기술 활용 연구 또한 활발히 이루어져 왔으나, 대부분의 연구가 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태^*로 적층하는 기술 위주로 연구되었습니다. 그래서 접합 계면 및 표면에서 높은 전자‧정공 재결합이 발생, 전하 수집 특성이 낮아져 특성 향상이 제한적이었습니다. 

    * 코어쉘 형태 : 막대 구조(코어)위에 껍질형태(쉘)로 코팅한 전극 구조.

    * 전자․정공 재결합 : 광전극에 태양빛을 쪼이면 전자/정공이 생성되고, 이들이 서로 분리 및 수송되어 수소 생산반응에 참여하게 되는데, 이때 전하 분리와 수송이 잘 일어나지 않으면 전자와 정공이 서로 재결합하여 반응에 참여할 수 있는 전하수가 크게 줄어들고 효율이 낮아짐. 

이에, 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목했는데요. 이 원리에 기반 하여 표면 결정면^* 제어 및 이종 접합기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종접합 (Dual-textured-heterostructure) 모델 즉, 위‧아래 층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종접합 구조 연구를 진행했습니다. 그 결과, 접합계면에서 전자․정공 재결합을 크게 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 뿐만 아니라, 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러나 획기적으로 수소 발생 특성을 향상 시킬 수 있었습니다.

   * 표면 결정면 : 광전극 제조 시 단순히 둥근 형태가 아닌 각 진 표면구조, 즉 특정 결정면이 노출되도록 만들 경우 그 결정면에 따라 물리화학적 특성을 제어 할 수 있음. 

조인선 교수는 “에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위 하게 응용될 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의”가 있다고 전했습니다. 다만, 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것이라고 밝혔습니다.

이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’ 에 2월 10일 온라인 공개 됐습니다.

논문명 : Dual textured BiVO₄/Sb:SnO₂ heterostructure for enhanced photoelectrochemical Water-splitting

이웃집과학자 다른기사 보기