성균관대, 교류전압에서 구동하는 태양광 물분해 시스템 구현

[테크월드뉴스=조명의 기자]

성균관대는 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(제1저자 김영빈 박사과정)이 교류전압에서 구동하는 고성능 태양광 물분해 시스템을 구현했다고 밝혔다.

연구팀은 Cu(구리)-In(인듐)-Se(셀렌)계의 열역학적 상태도를 기반으로 미세한 조성조절을 위한 전기화학증착 기반 전구체 합성 공정을 설계해 셀렌화 공정을 통해 2상(phase)이 공존하는 반도체소재구조를 디자인해 개발했다. 이를 기반으로 고효율 수소 생산이 가능한 교류전압(AC) 구동형 시스템을 구현했다.

본 다상복합구조는 반도체전극 내부와 표면에서 형성된 전하공핍영역의 확장효과로 인해 향상된 전하수송효율을 보이며, 다상의 존재로 인해 음(-) 전압 하에서의 환원과 양(+) 전압 하에서의 산화 반응에서 광전류를 발생시킬 수 있다. 따라서 교류전압으로 발생하는 광전류를 모두 유의미하게 활용할 수 있는 새로운 구동 시스템이다.

교류구동형 전기물분해는 손실을 야기하는 전극표면의 전하축적현상과 이온층형성을 파괴해 수소생산효율 향상을 위해 도입돼 왔으나, 반도체전극을 활용하는 광전기화학 물분해 분야에서는 최초로 유의미한 성능을 구현했다. 

또한 표면에 수소이온흡착을 용이하게 하고 가스 클러스터의 조대화를 억제해 효율적으로 수소가 생성되는 것을 확인했다. 특히 직류전압 시스템보다 156% 향상된 수소 발생량 확인을 통해 교류전압 구동형 광전기화학 물분해 시스템의 우수한 성능을 검증했다.

석유 에너지를 대체할 신재생 에너지로써 친환경적이며 높은 효율을 보이는 수소 에너지에 대한 관심과 함께 빛을 이용해 전기화학적으로 물분해해 수소를 발생시키는 연구가 매우 활발하다. 이에 태양광 하에서 높은 전류를 발생시킬 수 있는 광활성소재에 대한 연구가 진행돼왔지만 기존 연구는 주로 단일 전도성을 갖는 소재에 국한됐으며, 이런 단일 전도성 소재는 박막 내부 영역의 중성을 띄기에 광전하수송이 매우 낮은 효율을 보인다. 

이에 연구진은 전 영역에 걸친 전하수송효율 향상이 가능한 상복합구조의 칼코제나이드 소재 개발에 집중했으며 전구체합성과 셀렌화 공정을 제어해 광음극·양극으로 모두 활용을 가능하게 했다. 

이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 연구과제 다상 복합체 상태도 재료를 활용한 인위적 상혼합구조를 갖는 광전극 소재 디자인의 지원을 받아 수행됐으며, 소재·환경공학 분야 상위 0.94% 이내 세계적인 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’에 지난 1월 온라인 게재됐다.