새로운 연결 소재 개발 적용한 '탬덤 광전극'
기존 연결층 불안정성·부식 문제 해결
320㎠ 대면적 모듈 야외 실증 성공
UNIST 연구팀이 햇빛만으로 물에서 수소를 만드는 유기 광전극을 개발했다. 유기 반도체 기반 광음극 가운데 세계 최고 수준의 효율을 기록해 차세대 그린수소 생산 기술 상용화에 중요한 전기를 마련했다는 평가다.
개발 주역은 김진영 탄소중립대학원 교수와 이재성·임한권 에너지화학공학과 교수 연구팀이다. 연구팀이 개발한 '탠덤 광전극'은 빛을 흡수하는 유기 반도체 층을 두 겹으로 쌓은 구조로 외부에서 별도로 전압을 가하지 않아도 수소를 생산한다.
광전극을 이용한 태양광 물 분해는 이산화탄소를 배출하지 않는 '그린수소' 생산 기술이다. 광전극 내부 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 촉매로 이동해 수소 발생 반응을 일으키는 원리다.
유기 반도체로 만든 광전극은 반도체 소재를 용액에 녹여 바를 수 있어 대형 전극을 만드는 데 유리하다. 반면 광 흡수층 하나에서 얻는 전압만으로는 물을 수소와 산소로 분해하기 어려워 외부 전원이 필요했다.
연구팀은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 반도체를 두 층으로 쌓고, 두 층에서 각각 생긴 전압을 손실 없이 합칠 수 있는 새로운 연결 소재를 개발해 이 문제를 해결했다.
새로운 연결 소재는 산화몰리브덴과 유기 분자 '2PACz'를 결합한 소재다. 산화몰리브덴은 강한 산성을 띠지 않고 습기도 잘 흡수하지 않는다. 2PACz는 결함을 줄이고 전하 이동을 돕는다. 이 소재는 반도체 층을 입힐 때 사용하는 용매에도 잘 견딘다. 기존 연결 소재(PEDOT:PSS)는 산성이 강하고 습기를 잘 흡수해 인접한 층을 손상시켰다.
연구팀이 0.56㎠ 크기 광전극을 제작해 실험한 결과 태양광 수소 전환 효율 7.9%를 나타냈다. 외부 전원 없이 작동하는 유기 반도체 기반 광음극 가운데 가장 높은 수치라고 연구팀은 설명했다.
320㎠ 크기의 대면적 모듈 시스템을 만들고 실제 자연광 아래에서 외부 전압 없이 수소가 활발히 뿜어져 나오는 야외 실증에도 성공했다.
안정성 실험에서는 10시간 작동 뒤에도 초기 광전류의 86%를 유지했다. 광전류는 빛을 받은 광전극에 흐르는 전류로 수소 생산 성능을 평가하는 지표다. 이 광전극을 적용하면 수소 생산 장치에 들어가는 귀금속 사용량도 줄일 수 있다.
김진영 교수는 “유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결층 불안정성과 부식 문제를 해결한 연구”라며 “용액으로 가공할 수 있는 유기 반도체의 장점을 살려 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
