반도체양자점 이용, 태양광 흡수율 높인 광전극 제작 성공
[용인=뉴시스]이준구 기자 = 단국대 김재엽 교수(화학공학과)와 DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 연구팀(양지웅·인수일 교수)이 반도체양자점(퀀텀닷)을 활용, 기존보다 효율이 20배 높은 세계 최고 수준의 친환경 수소 생산기술을 개발했다.
기존 광전기화학적 수소생산법은 태양광과 전기를 사용하는 물 분해 과정에서 산화물 반도체(이산화타이타늄)가 4%에 불과한 태양광에너지 흡수율을 보인 단점이 있었는데 연구팀은 이를 극복하기 위해 구리, 인듐, 셀레늄 등을 활용한 반도체양자점을 이용해 태양광 흡수율을 획기적으로 높인 광전극을 제작하는 데 성공했다.
구리, 인듐, 셀레늄으로 구성된 삼원계 반도체는 물리적 성질 제어가 어려웠으나 연구팀은 양자점 합성 과정에서 다양한 전구체 반응 차이를 발견, 양자점 결함을 효과적으로 제어하는 기술을 개발했다.
연구팀이 개발한 양자점은 4nm(1nm:10억분의 1m) 크기로 가시광선과 근적외선을 효과적으로 흡수할 수 있고 재료의 결함구조 제어도 가능해 전하농도, 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물리적 성질을 크게 향상시켰다. 또한 산화물반도체 광전극에 비해 광전류 밀도가 20배(약 10.7mA/㎠) 가량 증가한 세계 최고 수준의 성능을 보였다.
연구논문은 청정에너지 및 탄소중립 분야 SCIE급 저명 학술지 '카본 에너지Carbon Energy(IF=21.556)' 2023년 5월 온라인에 게재됐다. 논문명은 'Defect engineering of ternary Cu–In–Se quantum dots for boosting photoelectrochemical hydrogen generation'.
김 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 친환경 양자점 기술은 태양광수소 생산뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체 소자 연구에도 유용하게 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수 신진연구사업 지원을 받아 진행됐다.