물 접촉 면적은 니켈 포일로 감싸 안정성 유지
작은 광전극을 블록처럼 쌓아 배치
(내외방송=정지원 기자) 자외선과 물 속 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 태양전지가 개발돼 이상적인 그린수소 생산기술을 구현할 수 있을 전망이다.
이재성, 장지욱, 석상일 UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 교수와 임한권 탄소중립대학원 교수 공동 연구팀은 최근 태양에너지를 이용해 높은 효율과 내구성, 대규모 생산이 가능한 그린수소 생산 기술을 개발했다.
이 기술은 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하고, 광전극(빛을 조사했을 때 반응하는 전극)의 크기를 1만배 키워 실용 가능성을 높인 것이 특징이다.
태양광 수소 기술은 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해하고, 수소를 얻는 그린수소 생산기술이다. 최근 효율 문제를 어느 정도 해결한 기술이 개발됐지만, 실용화를 위해서는 크기를 키우는 '스케일 업'이 필요하다는 게 연구팀의 설명이다.
연구팀은 광전극 소재로 효율이 높고, 값이 저렴한 페로브스카이트를 선택했다. 페로브스카이트는 구조 내 결정의 상호작용에 따라 다양한 물리적 특성이 관찰되기 때문에 연료 전지나 메모리 장치 등에 사용된다.
하지만, 페로브스카이트로 만든 태양전지는 태양광의 자외선과 공기 중 수분에 대한 안정성이 떨어진다는 문제점이 있었는데 연구팀은 이 두 문제를 모두 개선했다.
기존에 페보르스카이트의 양이온으로 사용했던 메칠암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 자외선에도 안정적이게 했고, 물과 접촉하는 면적도 니켈 포일로 감싸 물속에서도 안정성을 유지하도록 제작했다.
(아랫줄 왼쪽부터) 석상일, 장지욱 에너지화학공학과 교수와 Dharmesh Hansora 연구원, 이재성 교수와 Rashmi Mehrotra 연구원.(사진=UNIST)
연구팀은 광전극의 크기를 키우기 위해서 작은 광전극들을 일정한 크기로 연결해 배치하는 '모듈 기반 설계' 방법을 택했다. 마치 블록을 쌓는 것처럼 반복해서 연결해 넓은 면적의 광전극을 제작한 것이다.
스케일 업에 성공한 이 모듈은 상용화 조건인 태양광수소 전환효율을 10% 이상 달성했는데, 이는 넓은 면적의 광전극에서 세계 최고 효율이다.
한소라 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 최근 온라인 게재됐다(논문명: All-perovskite-based unassisited photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable, and scalable solar hydrogen production).
