한국연구재단은 조인선 아주대학교 교수, 샤올린 쳉(Xiolin-Zheng) 스탠포드대학교 교수, 한현수 스탠포드대학교 연구원팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.

태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 이 기술도 주목받고 있지만, 기존 광 전극 소자 기술로는 태양광-수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다.  

이 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물(TiO2), 산화철(Fe2O3) 등 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율을 저하시킨다는 문제점이 있었다.

연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목해 이를 해결했다.

연구팀은 증착 온도 등 다양한 변수를 조절해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정했다.

연구팀은 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착해 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 성공적으로 제조했다. 
 
이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 나타냈다. 이를 통해 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상됐다.

조인선 교수는 "이번 연구를 통해 기존 소재의 한계를 극복하고, 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킬 수 있는 계기를 마련했다"면서 "우선 배향된 비스무스 바나데이트 광 전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 지속적으로 진행할 계획"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 저명 학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 지난 18일자 논문으로 게재됐다.