한·미 공동 연구진이 태양광으로 수소 에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 현존 최고 수준으로 끌어올렸다.
조인선 아주대 교수, 샤올린 쳉 스탠포드대 교수, 한현수 스탠포드대 연구원 공동 연구팀은 세계 최고 수준 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물에서 수소를 생산하는 에너지 기술이다. 신재생에너지가 주목받으면서 '꿈의 기술'로 각광받지만, 기존 전극 소자로는 전환 효율 제고에 한계가 있었다.
상용화 가능 척도인 10% 이상 효율에 미치지 못했다. 대표적인 광 전극 소재인 티타늄산화물(TiO₂), 산화철(Fe₂O₃)은 전자·정공 재결합률이 높고 전기 전도도는 낮았다. 효율 저하 원인이다.
연구팀은 무작위로 배치되던 촉매 결정을 표면 에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행되도록 조정했다. '비스무스바다네이트'를 레이저로 증착, 결정 구조가 특정 방향으로 배열된 전극 소재를 제조했다.
이 전극은 무작위 배향된 기존 소재보다 12배 이상 높은 전하 수송 효율을 보였다. 표면 촉매 반응 효율은 3배 이상 높았다. 태양광-수소 전환 효율은 16배 이상 향상됐다. 이론 상 82% 효율로, 세계 최고 수준이다.
조인선 교수는 “기존 소재의 한계를 극복해 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킬 계기를 마련했다”라며 “앞으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광 전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 수행할 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 저명 학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 게재됐다. 과학기술정보통신부, 한국연구재단 기초연구사업(신진연구) 지원으로 수행됐다.
송준영기자 songjy@etnews.com