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NEW 박은덕 교수팀, 그린 수소 생산 위한 新 습식공정 개발
- 2024-10-28
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우리 학교 박은덕 교수 연구팀이 반도체 광전극의 대량 생산을 위한 습식 공정을 개발했다. 이에 차세대 에너지로 주목받고 있는 그린 수소 생산에 적용될 수 있을 전망이다.
박은덕 교수 연구팀은 반도체 물질인 황화구리인듐(CuInS₂)을 활용해 유기 태양전지와 결합된 광전기화학 전지를 구성, 높은 태양광-수소 전환 효율을 달성했다고 밝혔다.
이번 연구 성과는 ‘외부 인가전압 없는 상태에서 광전기화학적 물 분해를 위해 습식 화학 조건에서 합성된 칼코피라이트 황화구리인듐 광전극의 입자 성장 조사(Investigation of Grain Growth in Chalcopyrite CuInS2 Photoelectrodes Synthesized under Wet Chemical Conditions for Bias-Free Photoelectrochemical Water Splitting)’라는 제목의 논문으로, 국제 저널 <솔라 RRL(Solar RRL)> 10월 온라인판 표지논문으로 선정됐다.
이번 논문에는 아주대 차세대에너지과학연구소의 채상윤 박사, 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터의 윤노영 연구원이 제1저자로 참여했다. 박은덕 아주대 화학공학과·대학원 에너지시스템학과 교수와 한국과학기술원 청정에너지연구센터 주오심 책임연구원, 연세대 화공생명공학과 박종혁 교수가 교신저자로 함께 했다.
그린 수소는 탄소 중립을 위한 청정 에너지로 주목받고 있다. 광전기 화학전지는 태양광으로 물을 분해해 수소를 만들 수 있는 차세대 그린 수소 생산 기술 중 하나다. 그리고 높은 효율의 광전기 화학전지를 만들기 위해서는 반도체 재료로 이뤄진 광전극의 개발이 필수적이다.
하지만 반도체 광전극의 높은 생산 단가와 낮은 태양광-수소 전환 효율로 인해 상업화에 어려움을 겪어왔다. 이에 경제적으로 대량 생산을 할 수 있는 반도체 물질의 개발과 생산 공정에 대한 관심이 높다.
박은덕 교수팀은 태양광의 대부분을 차지하는 가시광과 적외선을 활용할 수 있는 p-형 반도체 물질 황화구리인듐(CuInS₂)을 주목했다. 이 물질은 수소 생산 반응에 적합한 띠 구조와 간격을 가지고 있어, 수소 생산용 반도체 광전극 후보 물질로 분류되어왔다.
반도체 재료가 고성능의 활성을 보이려면 내부의 전하 전달체인 전자 또는 정공이 원활하게 전달되고 재결합은 억제되어야 한다. 하지만 이러한 상태를 가능하게 하는 초고진공 조건 제작 방식은 반도체 생산 단가를 높인다는 점에서 한계로 여겨져 왔다.
박은덕 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 반도체 전구체를 용액에 녹여 스핀코팅을 통해 반도체 박막을 제조하는 습식 공정을 도입했다. 습식 공정은 상대적으로 저온 및 저진공 조건에서 반도체 박막을 제조할 수 있어 경제적이다. 그러나 습식 공정으로 제작된 반도체는 결정 성장이 초고진공 조건에서 제작된 반도체에 비해 원활하지 않아, 내부에서 전하 전달이 어렵고 광을 수소로 전환하는 성능이 떨어지는 문제를 보인다.
연구팀은 습식 공정 중 반도체 결정 성장의 메커니즘을 규명하고 이를 획기적으로 개선할 수 있는 인자를 밝혀냈다. 미량의 은(Ag)을 황화구리인듐(CuInS₂) 반도체 내부에 도입하면 결정성이 대폭 증가하며, 광전기화학적 수소 생산 능력도 기존의 반도체 광전극과 비교해 높은 수준을 보임을 확인했다.
박은덕 교수는 “광전기 화학전지가 차세대 그린 수소 생산 기술로 주목받고 있지만, 높은 생산 단가와 낮은 전환 효율로 인해 상업화에 어려움을 겪어왔다”며 “이번 연구 성과가 경제성높은 고활성의 반도체 광전극 합성 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대하며, 습식 공정 자체가 생산 과정에서 소모되는 에너지를 줄일 수 있다는 점에서 환경친화적 생산 방식이 될 것”이라고 설명했다.
*그림 설명 - 박은덕 교수팀의 이번 연구성과를 설명하는 그림. <솔라 RRL(Solar RRL)> 10월 온라인판 표지논문으로 10월25일 공개됐다.