차세대 태양전지로 수소 생산 효율↑ 기법 발견

이상한·이광희 GIST 연구팀, 페로브스카이트 태양전지로 안정성 2배, 효율 9.6% 달성

페로브스카이트 태양전지를 이용해 제작한 광전기화학소자의 모식도, 페로브스카이트 태양전지에서 생성된 전기를 이용하여 수소를 생산하는 그림. 제공=한국연구재단

[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 기법이 발견됐다. 최근 신재생에너지로 수소연료전지차 등 수소가 유력한 대안으로 떠오르고 있는 가운데 주목된다.

4일 한국연구재단에 따르면, 이상한·이광희 광주과학기술원(GIST) 교수 연구팀은 최근 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다. 기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해 및 광전기화학 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온 결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되었다.

연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완하였다. 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 것이다. L-프롤린(L-proline)은 단백질을 구성하는 20개의 아미노산 중 하나로써, 아민기(amine) 및 카복실기(carboxyl) 이 두 작용기를 모두 가지고 있으며 이는 용액의 pH에 따라 작용기가 가지는 전하가 달라진다.

또 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결했다. 수분에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동도 역시 높여 수소생산 효율을 한층 높일 수 있었다.

이렇게 만들어진 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 가지며 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6%로 이는 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능이다. 연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정이다.

한편 수소는 수소연료전지차 등 차세대 신재생에너지의 유력한 후보군 중 하나다. 그러나 기존의 연료용 수소는 석유 정제 과정에서 획득하거나 획득을 위한 에너지원인 전기를 원자력·화력 발전에 의존하는 등 이산화탄소의 대규모 발생이 불가피한 상태다. 이에 태양전지를 통해 생산한 전기로 물을 분해해 수소를 생산하려는 시도(광전기화학 물분해) 기법에 대한 연구가 집중되고 있다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 1월 21일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr