광전극 신구조 개발…그린 수소 생산 효율 높인다 이중 정렬 접합구조 도입으로 효율적 전하 수집 특성 확인 광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻을 수 있다. 이러한 광전극의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 나노구조를 국내 연구진이 개발했다.한국연구재단은 조인선 교수(아주대학교, 제1저자 정유재), 한현수 박사(스탠포드대학교) 연구팀이 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 5일 밝혔다. 기존의 단일 광전극 소재를 이용했을 경우 광 흡수율 한계와 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.연구팀은 이를 개선하기 위해 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성 원리에 주목했다. 이를 기반으로 표면 결정면 제어 및 이종 접합기술을 결합한 새로운 이중 정렬 이종접합 (Dual-textured-heterostructure) 구조를 연구했다. 이 결과, 접합계면에서 전자·정공 재결합을 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 수 있었다. 또한 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러난 수소 발생 특성을 향상 시켰다.이번 성과에 대해 연구팀은 에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위하게 응용할 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의가 있다고 평했다.다만, 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것이라고 했다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행했다.

광전극 신구조 개발…그린 수소 생산 효율 높인다

이중 정렬 접합구조 도입으로 효율적 전하 수집 특성 확인

기사입력 2022-04-05 10:15:43

[산업일보]
광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻을 수 있다. 이러한 광전극의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 나노구조를 국내 연구진이 개발했다.

한국연구재단은 조인선 교수(아주대학교, 제1저자 정유재), 한현수 박사(스탠포드대학교) 연구팀이 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 광전극 구조를 개발했다고 5일 밝혔다.

이종접합 광전극 구조와 전하 수송/수집 특성 모식도. (왼쪽) 이중정렬 접합구조. (오른쪽) 단일 정렬 접합구조
(자료=아주대학교 조인선 부교수)

기존의 단일 광전극 소재를 이용했을 경우 광 흡수율 한계와 낮은 전기 전도도 등으로 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.

연구팀은 이를 개선하기 위해 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성 원리에 주목했다. 이를 기반으로 표면 결정면 제어 및 이종 접합기술을 결합한 새로운 이중 정렬 이종접합 (Dual-textured-heterostructure) 구조를 연구했다.

이 결과, 접합계면에서 전자·정공 재결합을 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 수 있었다. 또한 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러난 수소 발생 특성을 향상 시켰다.

이번 성과에 대해 연구팀은 에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 광범위하게 응용할 수 있는 이종접합 구조 디자인에 대한 새로운 아이디어를 제시했다는 데에 의의가 있다고 평했다.

다만, 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 것이라고 했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행했다.