차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 시도가 소개됐습니다.
광주과학기술원 이상한·이광희 교수 연구팀이 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 'Advanced Functional Materials'에 게재됐습니다.
- 페로브스카이트
1839년 러시아 광물학자 레브 페로브스키(Lev Perovski,17922-1856)가 발견한 광물의 결정구조(ABX3)의 명칭, 그중 유·무기 혼합 페로브스카이트는 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 흡수도 또한 높아 태양전지의 재료로 널리 사용됩니다.
- 이온결함
결정물질 내부의 이물질로서 전하를 띠고 있는 것
- 수전해
물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법
- 전기화학 물분해(photoelectrochemical water splitting)
빛으로부터 생산된 전기로 물 분자를 분해해 수소와 산소를 생산하는 방법
물처럼 흐르는 액체금속 밀봉기술로 수분 저항성 확보
기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해 및 광전기화학 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 됐습니다.
연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완했습니다. 특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 겁니다.
- L-프롤린(L-proline)
단백질을 구성하는 20개의 아미노산 중 하나로써, 아민기(amine) 및 카복실기(carboxyl) 이 두 작용기를 모두 가지고 있으며 이는 용액의 pH에 따라 작용기가 가지는 전하가 달라집니다.
- 양쪽성이온(zwitterion)
한가지의 분자에 양이온과 음이온을 동시에 가지고 있는 이온입니다.
또한 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결했습니다. 수분에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동도 역시 높여 수소생산 효율을 한층 높일 수 있었습니다.
실제 이렇게 만들어진 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 가지며 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6%로 이는 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능입니다. 연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정입니다.
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