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고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다
2017-01-01

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다
저비용·고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광수소 생산
태양광 물 분해기술은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상된다. 그러나 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출하는 한계를 안고 있다. 따라서 이를 극복하기 위해 태양광을 이용해 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔다. 하지만, 태양광으로부터의 생산효율이 낮고, 소재 개발단계에 머물러 있는 등 아직까지는 실용화에 어려움을 겪고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀이 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다고 12월 12일 밝혔다. 황 박사팀은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨(CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용했다.
고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다.

용액 프린팅 공정 기반 합성법 개발
태양광-수소 전환 광전류 밀도 3배 향상
연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 연구진이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄만한 수준이라고 할 수 있다. 
연구진은 효율향상을 위해 CIGS 표면상태를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명을 크게 향상시키는 기술을 개발했다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해 CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 했다. 


[그림 1] CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과(좌측)와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도(좌측 내부). 가역수소전극 대비 -0.3 V에서 -24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진(우측)

이와 함께 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시했다. KIST 황윤정 박사(아래 사진)개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.



한편, 이 연구는 미래창조과학부가 지원하고, KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038)) 12월 7일(Vol.138,Issue 48)에 게재됐다. *(논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting

태양광 물 분해기술의 생산비용 대폭 절감
대면적화 가능성 제시 … 상용화 단축 기대
태양 빛을 이용해 화학전지상에서 물을 분해하여 수소를 생산하는 기술을 ‘태양광 물 분해’라 한다. 수소에너지가 궁극적인 친환경에너지가 되기 위해서는 생산과정에서 환경문제와 기후변화를 일으키는 이산화탄소의 배출이 없어야 하므로, 태양광 물 분해는 친환경 수소생산의 대표적인 방법으로 여겨지고 있다. 상용화를 위해서는 10%의 태양광-수소 전환효율(햇빛과 물만으로 약 ∼8mA/cm2의 광전류밀도)을 요구하고 있고, 광촉매 광전극의 낮은 수명과 높은 생산비용도 상용화를 어렵게 하는 중대한 요인으로 여겨지고 있다. 고효율을 달성하기 위해서는 태양전지와 광촉매 광전극이 연계된 시스템이 이상적이라 알려져 있으며, 이를 위해서는 빛이 양방향으로 흡수될 수 있는 광촉매전극이 시스템 디자인에 유리하다. 
황윤정, 민병권 박사 공동연구팀은 광전기화학전지의 핵심요소인 광촉매전극을 ①고성능을 나타내면서, ②투과성을 가지며 ③대량생산에 용이한 저가의 용액 프린팅 공정을 이용하여 제작함으로써 태양광 물 분해기술의 생산비용을 대폭 낮추고, 대면적화 가능성을 제시함으로써 향후 이 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
자료 : 한국과학기술연구원

용어설명
1. 태양광 물 분해
태양광 물분해란 햇빛을 흡수하여 물(H2O)로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생산하는 촉매 반응을 일컫는다. 식물의 광합성 반응에서는 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 화합물을 합성하는데, 태양광 물 분해 반응은 인공적으로 광합성을 하여 수소를 생산하고자 하므로, 인공광합성의 한 예가 된다.
2. 황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물
구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 황(S), 셀레늄(Se) 의 원소가 일정 비율로 결합된 화합물로 반도체의 특성을 나타낸다. 원소간의 비율을 조절하여, 햇빛을 흡수하는 효율을 변화시킬 수 있다. 태양광의 대부분을 흡수할 수 있고, 물을 환원시켜 수소를 생산하기에 적절한 띠구조를 가지고 있어 광촉매전극으로 관심을 받고 있으나, 아직까지는 태양전지의 소재로만 주로 사용되어 왔다.
3. 전자-정공쌍
반도체가 빛 에너지를 흡수하면 반도체 내부의 전자가 에너지를 얻어 들뜨게 되고, 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되게 된다. 전자-정공쌍이 각각 물의 환원과 산화반응에 사용되면 물이 분해되어 수소가 생성된다. 전자-정공쌍이 환원/산화 반응에 사용되지 못하고 재결합하면, 수소 생산에 기여하지 못하게 된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다.
4. 광전류밀도
빛을 조사했을 때 전기 화학 반응이 일어나는 속도를 의미하며, (-)부호는 환원반응이 일어남을 의미한다. 본 연구에서는 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지를 의미하며 절대 값이 클수록 수소가 빠르게 생성되는 것을 의미한다.

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