문주호 교수팀, 고성능 태양광 수소 생산 소자 구현

표면 개질 공정을 적용한 페로브스카이트 광 전극 활용

국제 최고 권위 저널 ‘Advanced Energy Materials(IF 27.8)’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 문주호 교수, 윤주원 제1저자] 

공과대학 신소재공학과 문주호 교수 연구팀은 페로브스카이트 광 전극 표면 개질 공정을 진행한 뒤 물 분해 반응을 구동시켜 태양광 기반 고효율 수소 생산 소자를 구현했다.

광 전극을 통한 물 분해 반응은 환원 반응인 수소 발생 반응과 산화 반응인 산소 발생 반응으로 구성돼 있으며, 유해 물질 없이 태양 에너지만으로 수소 연료를 생산할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 하지만 기존에 광 전극으로 많이 활용됐던 반도체 물질들은 낮은 빛 흡수율, 광 여기된 전하의 낮은 분리 경향 그리고 전해질로의 전하 주입이 어려워 고성능 수소 생산의 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 우수한 재료 특성으로 인해 태양 전지로 많이 활용됐지만 수분에 취약한 페로브스카이트 물질을 물 분해용 광산화 전극 재료로 활용하고, 물에서도 안정하게 구동할 수 있도록 보호층 전략을 제시했다. 기존 페로브스카이트 태양 전지 구조를 활용해 그 위에 전도성 카본 파우더와 니켈 포일을 증착해 수분 안정성 및 전도성을 확보했다. 제작한 페로브스카이트 광산화 전극은 물속에서와 공기 중에 오랜 시간 노출됐으나 상 변화 없이 안정적으로 잘 유지됐다.

[그림 1. 페로브스카이트 광산화 전극 모식도 및 수분과 공기 노출 후 소자의 변화]

추가적으로 페로브스카이트 층과 전자 수송 층인 산화 주석 사이에 유기물 기반 용액을 스핀코팅 후 열처리를 진행했고, 이를 통해 산화 주석과 페로브스카이트의 결함이 효과적으로 개선됐다. 따라서 광 여기된 전하가 전극 계면에서 축적되는 현상이 줄어들고 전해질로 빠르게 추출되는 효과를 보였다. 

위와 같은 방식으로 확보한 광 전극을 산소 발생 반응에 구동시켰을 때 상당히 우수한 광 전류 밀도 및 안정성을 보였다. 또한, 수소 발생 반응을 위한 페로브스카이트 흡수층 기반 광 환원 전극을 연결해 외부 전압 없이 태양광만으로 태양광 수소 변환 효율 10.9%를 구현해 세계적 수준의 우수한 효율을 보였다.

[그림 2. 표면 개질을 적용한 페로브스카이트 광산화 전극 기반 태양광 수소 생산 소자 모식도]

문주호 교수는 “본 연구는 표면 개질을 적용한 페로브스카이트 광 전극을 통해 차세대 태양광 기반 고성능 수소 생산 소자를 제작 및 상용화하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 전했다.

본 연구는 한국연구재단 리더연구와 나노및소재기술개발사업(경쟁형), 연세시그니처 연구클러스터 사업의 지원으로 수행됐으며, 국제적으로 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 12월 8일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Conductive Passivator and Dipole Layer Mixture Enabling High-Performance Stable Perovskite Photoelectrode-Based Solar Water Splitting

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/aenm.202301693