태양광-수소 전환효율 16배 향상 새 전극소재 개발

한미 연구팀, 비스무트 바나데이트 활용…"상용화 연구 지속"

그림에서 c축 방향으로 우선 배향한 비스무트 바나데이트 광전극은 표면 산소 발생 반응을 향상하고, 전자수송도를 늘리며, 투명전극 기판으로의 전자 수집을 쉽게 한다. 생산효율은 기존보다 16배 늘었다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국연구재단은 조인선 아주대 교수 연구팀과 샤올린 쳉·한현수 미국 스탠퍼드대 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환효율을 갖는 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

태양광-수소 기술은 태양광과 물로 수소를 만드는 친환경 방식이다. 반도체와 촉매를 이용한다.

최근 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 '꿈의 기술'이라고 불릴 정도로 주목받고 있다.

태양광-수소 생산 기술 상용화를 위해선 최소 10％ 이상의 전환효율이 필요하다.

그러나 광 전극 소재인 티타늄 산화물이나 산화철 등은 낮은 전기 전도도 등 때문에 효율 저하 현상을 보인다.

한미 공동 연구팀은 비스무트 바나데이트를 소재로 다뤘다.

비스무트 바나데이트는 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체다.

레이저 증착(증기 상태로 만들어 부착)으로 투명전극 위에 비스무트 바나데이트를 붙여, 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 만들었다.

우선 배향은 표면 에너지가 최소인 결정 면이 기판 면과 평행하게 성장하는 것을 뜻한다.

다시 말해 연구팀은 다양한 변수 조절을 통해 전기 전도도가 높은 특정 방향으로 비스무트 바나데이트를 증착했다는 뜻이다.

실제 연구팀이 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재보다 12배 이상 높은 전하 수송 효율을 보였다.

3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율도 달성했다.

그 결과 태양광-수소 전환효율이 16배 이상 좋아졌는데, 이는 세계 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.

조인선 교수는 "기존 소재 한계를 극복해 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전할 수 있는 계기를 마련한 것"이라며 "이번 성과를 바탕으로 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 지속할 계획"이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구) 지원으로 수행했다.

관련 논문은 '에너지와 환경과학'(Energy ＆ Environmental Science) 18일 자에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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