▲ (左부터)CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도, 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진.

국내연구진이 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소생산 상용화를 앞당겼다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 14일 태양광-수소 제조 디바이스의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다고 밝혔다.

물을 분해해 수소를 생산하는 태양광 물분해 기술은 이산화탄소의 배출이 없어 친환경 수소 생산의 대표적인 방법으로 여겨지고 있지만 상용화를 위해서는 10%의 전환효율이 요구되며 광촉매광전극의 낮은 수명과 높은 생산비용이 걸림돌로 작용하고 있다.

고효율 달성을 위해서는 태양전지와 광촉매 광전극이 연계된 시스템이 이상적으로 아려져 있어 이를 위한 빛 양방향 흡수 광촉매전극이 시스템 디자인에 유리한 것으로 알려져있다.

이에 공동연구팀은 광전지화학전지의 핵심요소인 광촉매전극을 고성능을 나타내면서도 투과성을 가지고 대량생산이 용이한 저가의 용액프린팅 공정을 이용해 태양광물분해 기술의 생산비용을 대폭 낮추고 대면적화할수 있는 가능성을 제시했다.

우선 KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용해 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용했다.

연구진은 경제성 확보를 위해 CIGS 제작법을 저가의 프린팅 공정기반 기술을 개발했다. 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다.

개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이다.

연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명을 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 것을 밝히기도 했다.

또한 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시했다.

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.

한편, 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 7일자로 게재되었다.