차세대 태양전지 이용 수소생산 효율 높이는 단서 찾았다

페로브스카이트 태양전지를 이용해 제작한 광전기화학소자의 모식도, 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전기를 이용하여 수소를 생산하는 그림.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 실마리를 찾아냈다. 광주과학기술원(GIST‧지스트‧총장 김기선) 신소재공학부 이상한·이광희 교수 연구팀은 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다고 5일 밝혔다.

페로브스카이트는 유기물과 무기물이 섞여 있는 금속 산화물로 부도체·반도체·도체의 성질을 모두 가지는 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 땄다. 실리콘 태양전지는 고온에서 가공하지만 페로브스카이트는 용액 상태에서 간단하면서도 저렴한 화학반응으로 만들 수 있다.

신재생에너지원에서 생산된 전기를 이용해 수소연료를 만드는 일명 광전기화학 물분해 기술이 최근 주목받고 있다. 광전기화학 물분해 기술은 수소가 만들어지는 과정에서 이산화탄소가 나오지 않는 친환경적 방법이기 때문에 이른바 '그린 수소'라고 부른다. 이러한 그린 수소를 보다 값싸고 효과적으로 생산하기 위하여 차세대 태양전지로 떠오르는 페로브스카이트 태양 전지를 광전기화학 물분해 기술에 접목 시키는 연구가 활발히 진행돼왔다.

그러나 페로브스카이트 물질 자체의 이온 결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되고 있어 이 문제에 대한 근본적인 해결방법의 필요성이 제기됐다. 이상한·이광희 교수 연구팀은 이를 개선하기 위해 연구에 돌입했다. 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 효율성과 안정성을 향상시킨 것이다. L-프롤린(L-proline)은 단백질을 구성하는 20개의 아미노산 중 하나로, 아민기(amine) 및 카복실기(carboxyl) 이 두 작용기를 모두 가지고 있으며, 이는 용액의 pH에 따라 작용기가 가지는 전하가 달라진다.

이광희 신소재공학부 교수는 지난 1월 김희주 융합기술제작부 교수 등 연구진들과 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시 존재하는 이온(양쪽성 이온)을 활용해 페로브스카이트 태양전지 성능을 향상시키는 연구 결과도 발표한 바 있다. (사진=지스트 제공).

이어서 소자의 안정성에 큰 영향을 미치는 수분에 대한 취약성을 해결 하기 위해서 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일을 이용해 페로브 스카이트 물질을 밀봉했다. 이로써 외부환경으로부터 소자를 완벽히 보호해 줄 뿐만 아니라 전극과 태양전지 소자 간의 전하이동 또한 원활하게 해줌으로써 보다 향상되고 안정한 광전기화학 소자를 구현하는 실마리를 제공했다.

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 "페로브스카이트 태양전지를 광전기화학 물분해 기술을 통해 그린 수소를 만듦으로써 재생에너지의 간헐적 문제를 해결할 수 있는 단초를 제공했다"며 "탄소 중립사회에 한 걸음 다가갈 수 있을 것으로 기대 된다"고 밝혔다. 연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정이다.

이광희 지스트 신소재공학부 교수가 지난해 2월 한국반도체학술대회에 초청돼 연구 자료를 발표하는 모습. (사진=지스트 제공).

이상한 지스트 신소재공학부 교수가 지난 2018년 미국 샌디에고에서 열린 세계 최대 규모의 광공학 학술단체인 'SPIE' 학회에 참석할 당시 모습. (사진=지스트 제공).

Q. 이번 성과에서 어떤 점에 주목해야 하는지.
"이번 연구 성과는 페로브스카이트 태양전지를 광전기화학 분야에 응용 시 나타나는 문제점을 내·외부적으로 해결하는데 그 의의가 있다. 페로브스카이트 물질 자체의 결함을 단순한 첨가제를 이용해 제어함으로써 더욱 효과적으로 전기를 만들 수 있다.

그렇게 만들어진 전기로 액체금속 물질을 통해 외부의 요인에 구애받지 않고 안정적으로 물을 분해해 수소로 만들 수 있었다. 이는 기존의 연구에 비교하여 가장 높은 성능과 안정성을 가지고 있다."

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나. 또 실용화를 위한 과제는 무엇인가.
"현재 우리나라는 전 세계적으로 페로브스카이트 태양전지 분야를 선도하고 있다. 이러한 세계적인 수준의 기술과 본 연구결과를 바탕으로 더욱 안정적이며 효율적으로 그린 수소를 생산할 수 있을 것이라 기대한다. 이렇게 생성된 수소연료는 에너지 문제뿐만 아니라 세계적인 문제인 기후변화 문제를 해결할 실마리가 될 수 있다고 보인다."

AI타임스 유형동 기자 yhd@aitimes.com

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