용액공정(EDC 공정)으로 제조된 이종접합구조(CuBi2O4/CuO) 광전극 모식도(사진. 한국연구재단)

화석연료를 이을 신재생에너지 가운데 하나로 꼽히는 수소에너지. 흡수한 태양광을 이용해 물을 분해, 수소를 생산하는 구리 비스무스 산화물 광전극의 성능향상 실마리가 나왔다. 

한국연구재단은 아주대학교 조인선 교수와 한국화학연구원 신성식 박사 연구팀이 기존 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 밝혔다. 

청정에너지원인 태양광을 이용해 물을 산소와 수소로 분해해, 수소를 얻는 과정에 탄소를 전혀 배출하지 않는 방법이 최근 주목받고 있다. 하지만 광전환 효율을 상용화 수준으로 높이는 데 한계가 있었다. 산소를 발생시키는 전극 소재에 대한 연구는 많이 이뤄진 반면 수소 발생 전극 소재에 대한 연구는 상대적으로 미흡했다. 

연구팀은 저렴하면서 이론 광전류값이 높고 촉매특성이 우수해 최적의 수소전극 소재로 꼽히는 구리 비스무스 산화물에 주목했다. 

이들 산화물을 전극으로 적용하기 위해 박막 형태로 만드는 과정에서 생겨나는 빈틈이나 불순물 그리고 작은 박막입자로 인한 낮은 광전류가 문제였다. 

연구팀은 구리 비스무스 산화물 전구체가 코팅될 때, 용매 휘발과 전구체가 분해되는 속도를 제어하는 신규 용액공정을 개발하고 이를 이용해 고품질의 구리 비스무스 산화물 박막을 합성했다. 산화물 결정입자의 생성속도를 제어해 치밀한 미세구조를 만드는 한편 입자 크기를 벌키(Bulky)하게 성장시켰다. 박막화 과정에서 생길 수 있는 빈틈이나 불순물도 크게 줄일 수 있었다. 

증발속도 제어 용액공정(EDC 기법) 기반 구리 비스무스 산화물 박막 형성 효과(사진. 한국연구재단) 

그 결과 전기영동법이나 스프레이 코팅법, 졸겔법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 전하 재결합을 크게 낮춰 광전환효율이 4배 가까이 향상됐다. 핵심은 전처리 공정에서 용매의 증발속도와 전구체 분해속도를 제어, 결정 입자의 밀도와 이들의 성장 속도를 제어한 것이다. 기존 방식들이 주로 너무 낮거나 빠른 속도를 이용한 것과 차별화한 것이다.  

나아가 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 적층한 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5㎃/㎠의 높은 광전류 값을 얻었다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물 수소 전극 보다 높은 값이라는 설명이다. 상용화를 위해서는 추가적인 효율 향상과 안정성 향상과 대면적화 기술이 필요한 만큼 연구팀은 관련 연구를 지속할 계획이라고 밝혔다.