▲ 유기 반도체를 광전극의 중간층으로 활용하기위한 전극제조 모식도 (상단). 실제 중간층으로 형성되어있는 투과전자현미경 이미지(좌측 하단). 무기 반도체 (산화철)에서부터 물분해촉매까지 전하이동을 도와주는 유기 반도체의 메커니즘 모식도 (우측 하단).(그림=UNIST)  © 특허뉴스

최근 유기반도체를 접합해 태양광으로 높은 효율과 안정성의 그린수소를 생산할 수 있는 광전극이 개발돼 주목받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 독일 FAU 에를랑겐 유체역학 연구소 부산지사 (LSTME Busan) 안효진 박사팀, 동서대학교 이정훈 교수팀과의 공동연구를 통해 기존의 무기 반도체를 기반으로 한 광전극의 중간층으로 유기반도체를 활용해 성능과 안정성이 우수한 광전극을 개발했다.

태양광을 활용한 그린수소 생산시스템은 태양 에너지를 흡수한 반도체에 생성되는 전하들을 통해 물을 분해해 수소를 생산하는 시스템이다. 이 시스템은 주로 무기 반도체를 활용한 광전극을 통해 연구됐다. 유기반도체의 경우 다른 무기 반도체 소재들과 비교해 저렴하고 다양한 공정법이 가능해 대규모 및 대면적 생산이 쉽다. 또한 높은 태양광 에너지 변환 효율 덕분에 수소 생산 효율도 높다는 장점을 가진다. 하지만 물속에서 쉽게 손상된다는 문제점으로 광전극에 활용되는데 한계가 있었다.

먼저 연구팀은 유기반도체를 물속에서 안정적으로 사용하기 위해 기존 광전극으로 활용되던 산화철 광전극 표면에 유기반도체를 코팅했다. 코팅된 유기반도체의 표면에 다시 한번 촉매(니켈·철 이중 층 수산화물)를 코팅시켜 유기반도체가 물과 직접 접촉하는 것을 방지했다. 이러한 방법을 통해 태양에너지를 흡수해 생성된 전하들이 수소생산반응을 도울 수 있는 역할을 할 수 있도록 광전극을 제조했다.

연구팀이 개발한 광전극은 기존 산화철 표면에 유기반도체를 코팅하는 것만으로도 기존 수소 생산 시스템 대비 2배의 효율을 보였으며, 이중 코팅으로 물과 접촉을 방지해 뛰어난 안정성까지 확인됐다.

장지현 에너지화학공학과 교수는 “유기반도체를 활용하는 광전극의 이슈인 안정성 문제를 극복하여 유기반도체를 보다 더 적극적으로 수소생산을 위한 광전극에 적용할 수 있는 가능성을 확인했다”며 “이를 통해 기존 무기 반도체 위주의 광전극에서 보인 한계를 극복하며 태양에너지를 통한 그린수소 생산기술의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 수 있을 것이다”고 설명했다.

이번 연구성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야의 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터(ACS energy letters)’ 5월 12일자 온라인 공개됐으며 연구의 우수성을 인정받아 추가 표지논문으로 선정돼 6월 9일 출판됐다. 주저자로는 안효진 박사(LSTME Busan)와 윤기용 박사 후 연구원(UNIST)이 참여했다.

논문명은 Utilizing a siloxane-modified organic semiconductor for photoelectrochemical water splitting 이다.