GIST, 수소생산 효율 높이는 페로브스카이트 전지기술 고안

/자료=GIST

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트전지를 이용해 수소를 안정적으로 생산할 수 있는 방법을 고안해냈다.

한국연구재단은 4일 "광주과학기술원(GIST) 이상한·이광희 교수 연구팀이 페로브스카이트의 내부 결함을 제어하고, 액체금속을 밀봉하는 기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다"고 밝혔다.


페로브스카이트 태양전지는 현재 상용화돼있는 실리콘 태양전지와 효율은 비슷하면서 생산비용이 저렴해 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 최근에는 페로브스카이트 태양전지를 활용해 수소 연료를 만드는 '광전기화학 물분해 기술' 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지로 얻은 전기로 수소를 생산하는 과정에서 문제가 됐던 페로브스카이트 물질 자체의 이온결함(결정물질 내부의 이물질로 전하를 띠고 있는 것)과 수분에 대한 취약성을 개선하는데 성공했다.

연구팀은 먼저 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 물질 내부에 있는 이온결함을 보완했다. 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함과 음이온 결함을 모두 채우면서 소자의 효율과 안정성을 높인 것이다.


수분에 대한 취약성은 페로브스카이트를 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 밀봉하는 방식으로 해결했다. 페로브스카이트가 수분에 영향을 받지 않게 했을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동을 활발하게 하면서 수소생산 효율이 한층 높아졌다.

연구팀이 개발한 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 보였다. 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6% 수준을 나타내 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능을 나타냈다.

연구팀은 이번 연구성과를 바탕으로 더 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구와 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구도 진행할 계획이다.

연구팀은 "페로브스카이트 태양전지를 광전기화학 물분해 기술에 접목할 때 가장 큰 문제점이었던 내부결함을 단순한 첨가제를 이용해 제어하고, 밀봉기술을 통해 수소생산을 더 효율적으로 할 수 있는 소자를 개발했다"며 "탄소 중립사회에 한 걸음 다가갈 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구성과는 재료분야 국제학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼'(Advanced Functional Materials)에 1월 21일자로 게재됐다.