UNIST, 햇빛만으로 수소 생산 앞당길 고효율 유기 광전극 개발

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 햇빛을 이용해 물에서 그린수소를 생산하는 태양광 수전해의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 유기반도체 광전극을 개발했다. 기존 유기 광전극의 고질적인 전하 재결합 문제를 해결하고 필요한 구동 전압까지 크게 낮춰, 외부 전원 없이 햇빛만으로 수소를 생산하는 차세대 광전 소자 개발에 대한 기대를 높이고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 조한희·최문기·송명훈 교수팀이 스위스 로잔연방공과대학교 연구진과 공동으로 태양광 수전해 성능과 내구성을 크게 개선한 고성능 유기반도체 광양극(Photoanode)을 개발했다고 26일 밝혔다.

태양광 수전해는 태양광을 흡수한 광전극을 이용해 물을 분해하고 청정에너지인 그린수소를 생산하는 기술이다. 하지만 기존 유기 광전극은 전자와 정공을 분리하기 위해 두 물질을 무작위로 섞는 '벌크 이종접합' 구조를 주로 사용하면서 전하가 이동하는 과정에서 서로 다시 결합하는 재결합 손실이 발생하는 문제가 있었다. 전극 표면이 물과 반응하면서 손상돼 장시간 안정적으로 작동하기 어려운 점도 한계로 꼽혔다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 수용체층을 먼저 형성한 뒤 공여체층을 쌓는 순차 적층 방식으로 '유사 이중층' 구조를 구현했다. 특히 용액 도포 과정에서 두 층 사이에 자연스럽게 혼합층이 형성되도록 설계했다.

이 구조에서는 혼합층에서 생성된 전자와 정공이 서로 다른 방향으로 이동한다. 전자는 아래쪽 수용체층으로, 정공은 물과 맞닿은 상부 공여체층으로 이동하면서 전하가 다시 결합하는 손실을 최소화했다. 동시에 전극 내부의 화학적 손상을 억제해 작동 안정성도 높였다.

실제 성능 평가에서 새롭게 개발한 광양극의 평균 광전류 밀도는 1.75mA/㎠로 기존 구조보다 약 22% 향상됐다. 물 산화 반응에 필요한 외부 구동 전압도 기존 0.35V에서 0.15V로 낮아져 절반 이하의 전압으로 작동할 수 있는 것으로 나타났다.

연속 작동 안정성은 기존 대비 약 300% 향상됐다. 연구팀은 전하 분리가 일어나는 내부 혼합층의 화학적 손상을 억제한 것이 안정성 향상에 주요한 역할을 한 것으로 분석했다.

조한희 교수는 "광양극 박막 안에서 두 물질의 배열을 조절함으로써 성능과 작동 안정성을 함께 높일 수 있었다"며 "낮은 전압에서도 잘 작동하는 특성이 있어 외부 전압 없이 햇빛만으로 수소를 생산하는 장치를 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 7월 16일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF), 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 수행됐다.


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