한·미 공동 연구진이 태양광으로 수소에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다.

22일 한국연구재단에 따르면 조인선 교수(아주대학교), 샤올린 쳉 교수(Xiolin-Zheng, 스탠포드대학교), 한현수 연구원(스탠포드대학교) 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다.

태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 ‘꿈의 기술’이라고 불릴 정도로 주목받고 있지만, 기존의 광 전극 소자 기술로는 태양광-수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다.

태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물(TiO2), 산화철(Fe2O3) 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율 저하의 가장 큰 걸림돌로 작용했다.

연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다. 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법을 통해 광 전극 소재 제조에 성공한 것.

이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상됐다. 이는 이론상 효율의 82% 정도로 세계 최고 수준이다.

조인선 교수는 “앞으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광 전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구) 지원으로 수행됐으며, 저명 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science) 4월 18일자 논문으로 게재됐다.