양자점 이용해 효율 높인 태양광 수소생산법 나왔다

DGIST-단국대, 양자점 반도체 광전기화학적 수소생산법 개발
기존보다 효율 20배 증가… “세계 최고 수준”

양지웅 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수와 인수일 에너지공학과 교수 공동연구팀. /DGIST

양자점을 이용해 태양광 흡수율을 높인 고효율 광전기화학적 수소생산법을 국내 연구진이 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 양지웅 에너지공학과 교수와 인수일 에너지공학과 교수, 김재엽 단국대 화학공학과 교수 공동연구팀이 친환경 반도체 양자점의 결함제어 합성법으로 세계 최고 수준의 광수소 생산법을 개발했다고 31일 밝혔다.

태양에너지와 전기에너지를 활용해 물을 분해하는 ‘광전기화학적 수소생산법’은 대표적인 친환경 수소생산법이다. 하지만 태양광 에너지는 여전히 낮은 생산성을 보이는 만큼, 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

기존 광전기화학적 수소생산은 주로 수계환경에서 안정성이 높은 산화물 반도체를 이용했다. 산화물 반도체는 안정성이 높지만, 수소생산 효율이 낮다. 반도체와 절연체에서 발생하는 ‘밴드갭’ 현상으로 태양광 에너지가 극히 일부만 흡수되기 때문이다. 산화물 반도체인 이산화타이타늄의 경우 밴드갭으로 태양광 에너지 중 4% 이하만 흡수한다.

연구팀은 구리와 인듐, 셀레늄으로 구성된 친환경 반도체 양자점으로 태양광 흡수율을 높인 광전극을 제작했다. 구리와 인듐, 셀레듐은 양자점 수준에서 물성 제어에 제약이 있는 것으로 알려져 있었다. 하지만 연구팀은 양자점 합성과정에서 다양한 전구체 반응 차이를 발견했고, 친환경 양자점 결함제어와 물성 향상에 성공했다.

새로 개발된 양자점은 4㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 크기로 균일하게 제작됐다. 양자점은 가시광선과 근적외선을 효과적으로 흡수하고, 구리의 빈자리 결함구조를 제어해 전하 농도와 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물성을 향상한다. 최적화된 양자점은 기존 이산화타이타늄보다 20배 정도 증대된 광전류 밀도로 수소를 생산했다.

양지웅 교수는 “새로 개발한 친환경 기술로 양자점 물성을 대폭 향상해 세계 최고 수준의 태양광 수소생산 성능을 보였다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받았다. 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘카본 에너지(Carbon Energy)’ 온라인판에 이달 17일 게재됐다.

참고 자료

Carbon Energy, DOI: https://doi.org/10.1002/cey2.384

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