고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다- 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다- 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장

 

연구팀 청정에너지연구센터

 

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다.
  - 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장
  - 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨

태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다.
*태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다.

KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨*
(CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다.
*황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음
연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다.
*광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도

연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다.
*전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다.

KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다.
* (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장

[붙임] 연구결과 개요, 용어 설명, 그림 설명, 연구진 이력사항

연 구 결 과  개 요

태양 빛을 이용하여 화학전지 상에서 물을 분해하여 수소를 생산하는 기술을 “태양광 물분해” 라 한다. 수소에너지가 궁극적인 친환경에너지가 되기 위해서는, 생산과정에서 환경문제와 기후변화를 일으키는 이산화탄소의 배출이 없어야 하므로, 태양광 물분해는 친환경 수소 생산의 대표적인 방법으로 여겨지고 있다. 상용화를 위해서는 10%의 태양광-수소 전환효율 (햇빛과 물만으로 약 ∼8mA/cm2 의 광전류밀도)을 요구하고 있고, 광촉매광전극의 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 공동 연구팀에서는 광전기화학전지의 핵심요소인 광촉매전극을 1) 고성능을 나타내면서도 2) 투과성을 가지며 3) 대량생산에 용이한 저가의 용액 프린팅 공정을 이용하여 제작함으로써 태양광 물분해 기술의 생산비용을 대폭 낮추고 대면적화 가능성을 제시함으로써 향후 이 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

용어 설명

1. 태양광 물분해
 ○ 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 물분해 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.
 ○ 정자-정공쌍이 환원/산화 반응에 사용되지 못하고 재결합하면 수소 생산에 기여 하지 못하게 된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다.
4. 광전류밀도
 ○ 빛을 조사하였을 때 전기 화학 반응이 일어나는 속도를 의미하며, - 부호는 환원반응이 일어남을 의미한다.
 ○ 본 연구에서는 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지를 의미하며 절대값이 클수록 수소가 빠르게 생성되는 것을 의미한다.

그림 설명

<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).

황윤정 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 황윤정
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부
            청정에너지연구센터 (선임연구원)
 

 
2. 경력사항 
○ 2012 ~ 2014 한국과학기술연구원 연구원
○ 2014 ~ 현재 한국과학기술연구원 선임연구원

3. 연구지원 정보
 ○ 한국과학기술연구원, 국가기반기술연구본부 『미래원천 연구사업』

민병권 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 민병권
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부
            청정에너지연구센터 (책임연구원, 센터장)
 

 
2. 경력사항 
○ 2014년 9월～현재 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 센터장
○ 2013년 3월～현재 고려대학교 그린스쿨대학원 학연전임교수

3. 연구지원 정보
○ 한국과학기술연구원, 『미래원천 연구사업』
○ 미래부, 『특화전문대학원 연계 학연협력 지원사업』

채상윤 연구원 (제1저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 채상윤
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 미래인재본부
            (박사 과정)
 

2. 경력사항 

3. 연구지원 정보
 ○ 한국과학기술연구원, 국가기반기술연구본부 『미래원천 연구사업』