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신소재공학부 조형균 교수 연구팀(김영빈 박사과정),

물분해 수소 발생용 상복합구조 소재 개발로 광전류 급증과 교류전압 구동형 시스템 제시

[그림1] 김영빈 연구원

신소재공학부 조형균 교수 연구팀(제1저자 김영빈 박사과정)이 교류전압에서 구동하는 고성능 태양광 물분해 시스템을 구현했다고 밝혔다.

연구팀은 Cu-In-Se계의 열역학적 상태도를 기반으로 미세한 조성조절을 위한 전기화학증착 기반 전구체 합성 공정을 설계하여 셀렌화 공정을 통해 2상(phase)이 공존하는 반도체소재구조를 디자인해 개발하고, 이를 기반으로 고효율 수소 생산이 가능한 교류전압(AC) 구동형 시스템을 구현했다.

본 다상복합구조는 반도체전극 내부와 표면에서 형성된 전하공핍영역의 확장효과로 인해 향상된 전하수송효율을 보이며, 다상의 존재로 인해 음(-) 전압 하에서의 환원과 양(+) 전압 하에서의 산화 반응에서 광전류를 발생시킬 수 있다. 따라서 교류전압으로 발생하는 광전류를 모두 유의미하게 활용할 수 있는 새로운 구동 시스템이다.

교류구동형 전기물분해는 손실을 야기하는 전극표면의 전하축적현상과 이온층형성을 파괴하여 수소생산효율 향상을 위해 도입되어 왔으나, 반도체전극을 활용하는 광전기화학 물분해 분야에서는 최초로 유의미한 성능을 구현했다. 또한 표면에 수소이온흡착을 용이하게 하고 가스 클러스터의 조대화를 억제하여 효율적으로 수소가 생성되는 것을 확인하였다. 특히 직류전압 시스템보다 156% 향상된 수소 발생량 확인을 통해, 교류전압 구동형 광전기화학 물분해 시스템의 우수한 성능을 검증했다.

석유 에너지를 대체할 신재생 에너지로써 친환경적이며 높은 효율을 보이는 수소 에너지에 대한 관심과 함께, 빛을 이용하여 전기화학적으로 물분해하여 수소를 발생시키는 연구가 매우 활발하다. 이에 태양광 하에서 높은 전류를 발생시킬 수 있는 광활성소재에 대한 연구가 진행되어 왔으나, 기존 연구는 주로 단일 전도성을 갖는 소재에 국한되었으며, 이러한 단일 전도성 소재는 박막 내부 영역의 중성(neutral)을 띄기에 광전하수송이 매우 낮은 효율을 보인다. 

이에 연구진은 전 영역에 걸친 전하수송효율 향상이 가능한 상복합구조의 칼코제나이드 소재 개발에 집중하였으며, 전구체합성과 셀렌화 공정을 제어하여 광음극 및 양극으로 모두 활용을 가능하게 하였다. 

본 연구는 삼성미래기술육성사업의 연구과제 "다상 복합체 상태도 재료를 활용한 인위적 상혼합구조를 갖는 광전극 소재 디자인”(SRFC-MA170206)의 지원을 받아 수행되었으며, 소재 및 환경공학 분야 상위 0.94% 이내 세계적인 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental(IF 16.683)에 2021년 1월 온라인 게재되었다.

[그림2] 다상복합구조를 갖는 광전극 내부와 표면의 에너지 밴드 구조. 내부의 전하공핍 영역과 표면 에너지 밴드 굽힘 현상에 따른 광전하 분리 및 수송 효율 향상. 

[그림3]
(a) 양전압 및 음전압 하에서 발생하는 광전류 발생 거동 개형
(b) p형과 n형이 공존하는 구조 내에서의 광전하 발생 및 축적 상태와 교류형 전압 하에서의 전하 거동 개형. 1&3단계: 광흡수를 통한 고밀도 광전하 생성과 인가전압으로 인한 전하분리 및 이동으로 인한 폭발적 전류 생성, 2&4단계: 과잉공급된 전하의 축적현상으로 인한 전류감소 단계이며, 이어지는 인가전압의 전환을 통해 폭발적 전류발생을 유도함
(c) 교류전압 구동형 시스템의 광전류밀도 및 수소 생성량

[그림4]
(a) 음전압 하에서 발생하는 전기이중층 (EDL) 형성
(b) 전해액 내 환원 반응을 통한 수소 발생 메커니즘
(c) 직류전원 구동 시 발생하는 가스 조대화와 이로 인한 표면적 손실