고효율 그린 수소 생산할 수 있는 새로운 방법
(내외방송=정지원 기자) 우수한 특성으로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양 전지의 성능을 특수한 설계를 통해 끌어올릴 수 있는 방법이 개발됐다.
'제3의 태양 전지'로 불리는 페로브스카이트 태양 전지는 생산 비용이 낮고, 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 광전자 특성이 우수한 것으로 알려졌다.
UNIST(울산과학기술원)는 "장성연, 류정기, 장지욱 에너지화학공학과 교수 연구팀이 곽상규 고려대학교 교수 연구팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 '주석-납 할로젠화물 페로브스카이트 태양 전지'를 개발했다"고 최근 밝혔다.
페로브스카이트 태양 전지는 납(Pb)이나 주석(Sn)을 중심 금속으로 하는 할로젠화물(강력한 산화 작용이 특징인 할로젠과 결합한 물질)이 주로 사용된다.
연구팀은 주석-납 할로젠화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극(-) 중간층을 삽입해 안정성과 효율성을 동시에 향상하는 획기적인 기술을 고안했다.
주석-납 할로젠화물 페로브스카이트는 납을 기반으로 한 페로브스카이트보다 대기 중 안정성이 낮다는 단점을 해결하기 위해 지방족인 '아민 기능화 페릴렌 디이미드'를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 도입했다.
아민은 암모니아의 수소가 탄화수소기(탄소와 수소가 결합해 이뤄짐)로 치환된 화합물을 말한다.
페릴렌 디이미드는 기존 물질보다 더 많은 금속 결합자리를 갖고 있고, 아민과 산소의 강한 친핵성질(전자가 부족한 다른 물질과 반응)로 금속이온을 강하게 흡착할 수 있다.
페릴렌 디이미드를 주석-납 할로젠화물 페로브스카이트 태양 전지의 상부에 삽입하면 전자가 효율적으로 이동할 수 있고, 화학적 장벽 역할도 수행할 수 있어 안정성이 높아진다.
이를 적용한 소자는 높은 광전 변환 효율(23.21%)과 60℃에서 750시간 작동됐을 때도 초기 대비 효율을 81% 이상 유지했다.
(아랫줄 왼쪽부터)최유리 연구조교수와 Muhibullah Al Mubarok, Rashmi Mehrotra 석박사통합과정.(사진=UNIST)
연구팀이 이 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로 활용한 결과, 외부 전력이 없는 상태에서 태양광 수소 생산 속도가 미국 에너지부의 조건보다 빨라지는 것을 확인했다.
고효율 그린 수소(물을 전기분해해 생산한 수소)를 생산할 수 있는 광전기 화학 소자의 새로운 구조를 제시한 것이다.
장 교수는 "우리는 수소처럼 산업에 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표"라고 말했다.
Muhibullah AI Mubarok, Rashmi Mehrotra 석박사통합과정과 최유리 연구조교수, 김유진 고려대학교 석박사통합과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
뿐만 아니라 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Matrials)'에 최근 온라인 게재됐다(논문명: Efficient and Stable Tin-lead Perovskite Photoconversion Devices Using Dual-functional Cathode Interlayer).
