1㎡ 태양전지 모듈로 수소를 직접 만들었다

UNIST 연구진, 대면적 수소생산 태양전지 모듈 개발
페로브스카이트 활용… 태양광수소 전환효율 10% 돌파

UNIST 연구진이 1㎡까지 키운 페로브스카이트 태양전지 모듈로 물에서 수소를 만들고 있다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 1㎡까지 키운 페로브스카이트 태양전지 모듈로 물에서 수소를 만드는데 성공했다. 특히 자외선과 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결했으며, 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다.

6일 UNIST에 따르면, 연구진이 개발한 그린수소 생산 광전극은 에너지화학공학과 이재성·장지욱·석상일 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수팀이 공동 개발해 에너지 분야 최고의 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 발표했다.

이번 연구에 참여한 한소라 박사는 "이번에 개발한 광전극은 대면적에서도 높은 효율을 유지했다"며 "앞으로 그린수소 생산의 실용화를 위한 현장실증에 집중한다면 2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화가 될 것"이라고 전망했다.

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

연구진은 이를 위해 효율 높고 비교적 값이 싼 페로브스카이트를 광전극 소재로 사용했다. 그러나 페로브스카이트 태양전지는 태양광에 포함된 자외선과 공기 중의 수분에 대한 안정성이 떨어진다.

연구진은 물을 분해해 수소를 만들기 위해선 광전극을 물속에 넣어야 하는데, 이 두 가지 문제점을 모두 개선했다.

우선 자외선 문제은 페로브스카이트의 양이온으로 기존의 메칠암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 해결했다. 또 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전 봉인해 물속에서도 안정성을 유지하도록 제작했다.

UNIST가 만든 페로브스카이트 태양전지 모듈이 수소를 만들어내는 원리. UNIST 제공

또 1㎠ 미만의 소형인 연구개발용 광전극을 1만배 정도 스케일업 해 실용화 규모인 1㎡까지 키웠다. 연구진은 "이때 스케일업 과정에서 수소생산 효율이 감소하기 때문에 이를 최소화하는 기술도 필요하다"고 설명했다. 이를위해 작은 광전극들을 일정한 크기로 연결해 배치하는 '모듈 기반 설계'를 활용했다. 소형 광전극을 블록을 쌓는 것처럼 가로, 세로로 반복해서 연결해 대면적의 광전극을 제조한다.

이렇게 스케일업한 모듈로 상용화를 위한 최소 조건인 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다. 연구진은 "이같은 결과는 대면적 광전극에서 세계 최고 효율"이라고 말했다. 또한 "이번 성과로 2050년까지 탄소중립을 실현하는데 크게 기여할 수 있는 경쟁력 있는 그린 수소 생산 방법을 확보할 수 있으며, 세계 에너지 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것"이라고 전망했다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자