▲ 이번 연구의 개념도(모듈화를 통한 대면적화)(그림=UNIST)  © 특허뉴스

그린수소 생산을 위한 큰 면적의 광전극 모듈이 개발됐다. 모듈 기준으로 세계 최고 효율을 달성해 그린수소 생산의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST 에너지화학공학과 이재성, 장지욱, 석상일 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수 공동 연구팀은 태양에너지를 이용해 높은 효율과 내구성, 대규모 생산 가능한 그린수소 생산 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하고 광전극의 크기를 10,000배 키워 실용 가능성을 높였다.

태양광 수소 기술은 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 얻는 이상적인 그린수소 생산기술이다. 

이재성 교수는 “최근 효율 문제를 어느 정도 해결한 기술이 개발됐으나, 실험실 소형장치에서 얻어진 결과로, 실용화를 위해선 크기를 키우는 스케일업(scale-up)이 필요하다”고 설명했다.

UNIST 연구팀은 광전극 소재로 효율 높고 비교적 값이 싼 페로브스카이트를 채택했다. 페로브스카이트 태양전지는 이번 연구에 참여한 석상일 교수 등 UNIST의 교수들이 선도하고 있는 연구개발 분야이다.

그러나 페로브스카이트 태양전지는 태양광에 포함된 자외선과 공기 중의 수분에 대한 안정성이 떨어진다. 특히 물을 분해해 수소를 만들기 위해선 광전극을 물속에 넣어야 하는데, 연구팀은 이 두 가지 문제점을 모두 개선했다.

▲ (좌) 옥외에 설치된 태양광 수소 발생장치 (우) 작동 중인 태양광 수소 발생 장치)(그림=UNIST)  © 특허뉴스

연구팀은 페로브스카이트의 양이온으로 기존의 메칠암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 자외선에 가장 안정한 페로브스카이트를 제조했다. 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전 봉인해 물속에서도 안정성을 유지하도록 제작했다.

보통 연구개발용 광전극은 1㎠미만의 소형으로 실용화 규모인 1㎡까지 키우기 위해 10,000배 정도 스케일업을 해야 한다. 스케일업 과정에서 수소생산 효율이 감소하기 때문에 이를 최소화하는 기술 또한 필요하다.

연구팀은 이 광전극을 스케일업하기 위해 작은 광전극들을 일정한 크기로 연결해 배치하는 ‘모듈 기반 설계’를 활용했다. 소형 광전극을 블록을 쌓는 것처럼 가로, 세로로 반복해서 연결해 대면적의 광전극을 제조한다.

이렇게 스케일업 된 모듈은 상용화를 위한 최소 조건인 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다. 이는 대면적 광전극에서 세계 최고 효율이다.

제 1저자 한소라 (Hansora)박사는 “이번 연구에서 개발한 광전극은 대면적에서도 높은 효율을 유지했다”며 “앞으로 그린수소 생산의 실용화를 위한 현장실증에 집중한다면 2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화가 될 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구결과는 에너지 분야 최고의 학술지인 Nature Energy에 1월 23일 온라인 게재됐다. 

논문명은 All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable, and scalable solar hydrogen production 이다.