태양광 수소 생산 효율 2배 '유기 반도체 광전극' 개발

왼쪽 상단부터 시계 방향으로 장지욱 교수, 양창덕 교수, 김윤서 연구원(제1저자), 유제민 연구원(제1저자). [울산과학기술원 제공]

(울산=포커스데일리) 태양광 수소 생산 효율이 기존 무기 반도체(무기물 기반 반도체)보다 뛰어난 유기 반도체(유기화합물 기반 반도체) 광전극이 울산과학기술원(UNIST) 연구팀에 의해 개발됐다.

울산과기원은 장지욱·양창덕·조승호 교수 연구팀이 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 '모듈 시스템'을 이용해 성능과 안정성이 우수한 광전극을 개발했다고 9일 밝혔다.

연구팀에 따르면 태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄진다.

생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다.

이 반응은 물속에서 일어나기 때문에 안정적인 금속산화물 무기 반도체 광전극이 그간 주로 연구됐다.

반면 유기 반도체 물질은 수소 생산 효율이 훨씬 높지만, 물속에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다.

연구팀은 액체 금속(인듐·칼륨 합금), 니켈 포일, 니켈 포일 위에서 바로 자란 촉매(니켈·철 이중 층 수산화물)로 구성된 모듈 시스템을 이용해 물속에서 안정적인 유기 반도체 광전극을 만들었다.

니켈 포일은 물이 유기 반도체와 직접 접촉하는 것을 막고, 촉매가 전체 반응을 돕는다.

또 니켈 포일과 유기 반도체 사이를 메우는 액체 금속은 물을 빈틈없이 차단하면서 전하 입자의 흐름은 막지 않는다.

연구팀은 개발한 유기 반도체 광전극의 수소 생산 효율이 기존 무기 반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다고 설명했다.

에너지화학공학과 장지욱 교수는 "높은 효율을 지닌 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구"라며 "기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 2일 자로 공개됐다.

연구 수행은 기후변화대응기술기초원천기술사업, 기본 연구 사업, 신진 연구 사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.