유기 반도체 기반의 고효율· 고안정성 광전극(photoanode)이 개발됐다. 광전극을 물에 넣고 햇빛을 쪼여 수소를 얻는 ‘태양광 수소’ 시대가 더 앞당겨질 전망이다.
UNIST(총장 이용훈) 장지욱·양창덕·조승호 교수팀은 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 ‘모듈시스템’을 이용해 성능과 안정성이 모두 우수한 광전극을 개발했다. 기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐만 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다.
태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄졌다. 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다. 반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기 반도체 광전극이 주로 연구됐다. 반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다.
그림1. 유기반도체를 이용한 광전극 및 태양광 수소생산 모식도
공동연구팀은 액체금속(인듐-칼륨 합금), 니켈포일, 그리고 니켈 포일위에서 바로 자란 촉매(니켈-철 이중층 수산화물)로 구성된 모듈시스템을 이용해 물속에 안정한 유기 반도체 광전극을 만들었다. 니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고 포일위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다. 새로운 광전극의 수소 생산 효율(반쪽 전지 효율)은 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다.
에너지화학공학과 장지욱 교수는 “높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구” 라며 “기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.
에너지화학공학과 양창덕 교수는 “유기 반도체는 무기 반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기 반도체 물질을 계속 발굴 할 수 있다”며 “이 때문에 추가적 성능 향상이 기대된다”고 전했다.
신소재공학과 조승호 교수는 “이번에 개발된 시스템은 하나의 모듈로써 니켈 포일위에 자란 촉매나 유기 반도체의 종류를 바꿔 쓸 수 있는 것이 장점”이라며 “ 현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속 해나가고 있다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 2일자로 공개됐다. 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 이정호 UNIST 박사(現 퍼듀대학교 박사 후 연구원), 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여하였다. 연구 수행은 기후변화대응기술기초원천기술사업, 기본 (개인)연구 사업, 신진 연구 사업 등을 받아 이뤄졌다.
논문명: High-performance and stable photoelectrochemical water splitting cell with organic-photoactive-layer-based photoanode
