[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

광전기화학(PEC) 물분해는 태양빛으로 물을 수소와 산소로 분해해 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 기술이다. 현재 가장 널리 연구되는 금속 산화물 기반 광전극은 수용액 안정성은 높지만 빛 활용도가 낮아 수소 생산량이 제한적이다. 실용적 태양광-수소 전환 효율(STH) 10%를 달성하려면 최소 8.1 mA·cm⁻²의 광전류밀도가 필요하지만, 이를 충족하지 못하고 있다.

황화물·셀레나이드 계열의 칼코게나이드 반도체(CdS, CdSe, PbS 등)는 높은 광흡수와 유리한 밴드 구조로 더 큰 광전류 구현이 가능하다. 그러나 수용액에서 빛을 받으면 빠른 광부식이 일어나 전극 성능이 급격히 저하된다. 이를 억제하기 위해 희생제를 함께 투입하는 방식이 사실상 필수였고, 이로 인해 장시간 운전과 실환경 적용에 한계가 있었다.

2.연구내용

연구팀은 납-황(PbS) 양자점을 광흡수층으로 사용하는 태양전지형 광전극을 기반으로, 칼코게나이드의 광부식을 구조적으로 차단하는 광전극 설계를 제시했다. 동시에 계면 전하 전달과 산소 발생 반응이 원활히 작동하도록 구조를 함께 설계했다.

ITO/ZnO/PbS 양자점(n형·p형)/금(Au)으로 구성된 기본 광전극 구조를 확립한 뒤, 금속 적용 방식을 비교한 결과, 스퍼터 코팅은 초기 광전류 향상에는 효과가 있었지만 알칼리 전해질에서 전해질 침투를 막지 못해 단시간 내 성능 저하가 발생했다.

이에 니켈(Ni) 금속 포일을 물리적으로 덮고, Au 접촉층과 Ni 포일 사이에 필드 메탈(Field’s metal)을 삽입한 금속 캡슐화 구조를 적용했다. 액체 금속인 필드 메탈은 미세한 틈을 메워 전해질과 공기 침투를 차단하는 동시에, PbS 양자점에서 생성된 정공이 니켈 포일로 이동하는 전기적 연결 통로로 작동한다. 니켈 포일은 보호막 역할과 함께 알칼리 조건에서 산소 발생 반응을 촉진하는 촉매로 기능한다.

이 구조를 적용한 광전극은 1.0 M NaOH 전해질에서 1.23 V 기준 18.6 mA·cm⁻²의 광전류 밀도를 기록했으며, 24시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 약 90%를 유지했다. 가스 분석 결과 수소와 산소가 2:1 비율로 생성돼 물분해 반응이 안정적으로 진행됨을 확인했다.

전기화학 임피던스 분광법(EIS)과 광전류 변조 분광법(IMPS)을 이용한 전하 거동 분석 결과, 금속 캡슐화 구조는 광전극 계면의 전하 전달 저항을 낮추고 전하 재결합을 억제해, 생성된 전하가 손실되기 전에 니켈 촉매층으로 빠르게 전달되는 구조임이 확인됐다. 성능 향상은 광흡수 증가가 아니라 계면 전하 흐름 개선에 따른 결과였다.

한편 자외선이 포함된 태양광 조건에서는 성능 저하가 가속되는 경향이 나타났고, 이는 자외선이 전자전달층(ZnO)을 열화시키는 데 기인하는 것으로 분석됐다. 이에 자외선을 잘 흡수하는 반도체층이 먼저 빛을 받도록 층 배열을 바꾼 역적층 구조를 적용했으며, 실제 태양광 조건에서도 장시간 안정적인 작동이 가능함을 확인했다.

3.기대효과

이번 연구는 칼코게나이드 기반 광전극에서 오랫동안 문제였던 희생제 의존성을 구조 설계만으로 크게 낮췄다는 점에서 의미가 있다. 희생제 투입으로 인한 비용 증가와 공정 복잡성을 줄이면서, 높은 광전류와 장시간 안정성을 동시에 확보했다는 점에서 태양광 수소 생산의 실현 가능성을 높였다.

니켈 포일과 필드 메탈을 결합한 금속 캡슐화 전략은 전해질 침투 차단, 전하 전달 경로 확보, 산소 발생 촉매 기능을 하나의 구조로 통합한 접근이다. 분석을 통해 성능 향상이 계면 전하 전달 저항 감소와 재결합 억제에 기인함이 확인돼, 향후 고성능 광전극 설계 방향을 제시한다. 이 전략은 PbS뿐 아니라 다양한 칼코게나이드 및 양자점 기반 광전극으로 확장 적용이 가능하다.

또한 자외선 유도 열화 원인을 계면 관점에서 규명하고, 층 배열 조정만으로 내구성을 개선할 수 있음을 보여줌으로써 실제 사용 환경에서의 안정성 향상 가능성도 제시했다. 추가적인 소재 및 구조 최적화와 결합할 경우, 무희생제 태양광 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.광전기화학(PEC) 물분해

태양빛을 받은 반도체 광전극이 전자를 만들어내고, 이 전하가 전극과 전해질이 맞닿은 계면에서 물을 수소와 산소로 분해하는 전기화학 반응이다. 전기를 외부에서 공급하지 않고도 태양광만으로 수소를 생산할 수 있다는 점이 특징이다.

2.광전류 밀도(Jph, mA·cm⁻²)

빛을 조사했을 때 광전극에서 단위 면적당 생성되는 전류의 크기를 나타내는 지표다. PEC 물분해 성능을 평가할 때 가장 널리 쓰이며, 값이 클수록 수소 생산 능력이 높다는 의미다.

3.희생제(Sacrificial agent)

황화물 광전극에서 생성된 정공을 대신 소모해 반도체가 스스로 산화·분해되는 광부식을 억제하는 첨가제다. 황화물(S²⁻)이나 아황산염(SO₃²⁻) 등이 대표적이며, 반응 중 계속 보충해야 해 운전 비용과 공정 복잡도를 높이는 단점이 있다.

4.양자점(Quantum dot)

반도체 결정 크기를 수 나노미터 수준으로 잘게 줄인 입자. PbS는 벌크 상태에서는 전자의 에너지가 낮아 물 분해 반응을 일으키기 어렵지만, 양자점으로 만들면 양자구속 효과에 의해 에너지 준위가 높아져 전자가 물 분해 반응에 참여할 수 있다.

5.필드 메탈(Field’s metal, FM)

비교적 낮은 온도에서 녹는 저융점 합금이다. 본 연구에서는 PbS 양자점층과 니켈(Ni) 포일 사이에 삽입돼, 두 층을 전기적으로 연결하는 전도성 접합층 역할을 하면서 전해질이 내부로 침투하는 것을 막는 보조 차단층으로 작동한다.

6.EIS(전기화학 임피던스 분광법)

전극에 작은 교류 신호를 가하고 주파수에 따른 응답을 분석해, 전극 내부 전하 이동과 계면 반응에서 나타나는 저항과 용량 성분을 구분하는 기법이다. 이 분석 결과는 임피던스 값을 좌표로 나타낸 나이퀴스트 플롯으로 표현되며, 보통 반원의 크기가 작을수록 전하 전달 저항이 낮아 전하가 더 원활히 이동한다고 해석한다.

7.IMPS(광전류 변조 분광법)

빛의 세기를 주기적으로 바꾸면서 광전류의 응답을 측정해, 반도체와 전해질 계면에서 전하가 얼마나 빠르게 이동하고 재결합되는지를 분석하는 기법이다. 전하 수송 시간이 짧을수록 생성된 전하가 손실되기 전에 빠르게 추출된다는 뜻이다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 고가의 희생제 없이도 수소를 생산하는 금속 황화물 기반 광전극

산화 광전극은 황화물(PbS) 반도체 양자점을 액체 금속인 필드 메탈과 니켈 포일로 캡슐화한 형태다.

빛이 광전극에 닿으면 양자점 층에서 전하(양전하인 정공, 음전하인 전자)가 만들어진다. 이 가운데 정공은 필드 메탈을 거쳐 니켈 포일로 이동하고, 니켈 표면에서 물을 산소로 바꾸는 반응이 일어나 산소가 발생한다. 전자는 외부 회로를 따라 반대쪽 전극으로 이동해 물을 수소로 바꾸는 반응에 참여하며 수소가 생성된다.좌측 하단의 에너지 준위 도식은 광전극 내 각 층이 전하를 어떤 방향으로 전달하는지를 보여준다. 필드 메탈과 니켈로 이루어진 캡슐화 구조는 물의 침투를 막으면서도, 전하가 각 층을 따라 자연스럽게 이동할 수 있는 통로를 제공한다.