수소가 친환경 미래 에너지로 주목받는 가운데 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산하는 ‘그린수소’는 정부가 추진하고 있는 ‘2050 탄소 중립’을 실현할 핵심 에너지 기술이다. 그린수소는 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 얻은 전력으로 물을 전기분해해 수소를 생산한다. 전기분해에 쓰는 전기를 화력에너지가 아닌 재생에너지에서 얻는다는 점에서 진정한 친환경 에너지로 평가받는다. 하지만 생산 단가가 비싸고 복잡한 생산 공정 때문에 고비용·저효율로 시장성이 떨어지는 것이 사실이다.
문주호 연세대 신소재공학과 교수는 100% 탄소 중립을 위해 반드시 필요한 그린수소의 효율적인 생산 해법을 내놓아 ‘이달의 과학기술인상’ 2022년 1월 수상의 영예를 안았다. 과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제가 공동 주관하는 이 상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1,000만 원을 수여한다.
과기정통부와 연구재단은 “문 교수가 태양광 소자 기술에 기반한 그린수소 생산 연구로 미래 에너지 개발의 국가 경쟁력을 강화한 공로를 높이 평가했다”고 수상 배경을 설명했다.
문 교수 연구팀은 태양광·수소 변환 효율이 높은 적층형 탠덤 소자 개발에 성공해 저가 반도체로 저비용·고효율의 그린수소를 생산하는 데 성공했다. 상부 태양전지 및 하부 물분해 광전극의 광학적 특성을 이용해 태양전지·광전극 물분해 소자를 제작했다. 이는 세계 최초로 10%가 넘는 태양광·수소 변환 효율을 달성한 것이다. 기존 ‘태양광·수소 생산 시스템’이 겪고 있는 고비용·저효율의 문제점을 극복할 수 있는 대안으로 주목된다. 특히 기존 접근 방식에서 탈피한 반투명 태양전지 제작법의 새로운 패러다임을 제시한 것으로, 태양광을 효과적으로 사용했다는 점에서 최적의 수소 생산 소자를 위한 전략적 접근법이라는 평가를 받았다. 이번 연구 결과는 에너지 환경 과학 분야 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy&Environmental Science)’에 게재됐다.
문 교수는 산화알루미늄 구조체에 기반을 둔 투과도 조절이 가능한 반투명 태양전지를 활용해 외부 전압 없이 물을 분해해 수소를 생산하는 소자(태양전지·광전극 물분해 소자)를 세계 최초로 제안했다. 상부 전극으로 사용되는 반투명 태양전지의 경우 산화알루미늄 구조체에 페로브스카이트 소재의 빛 흡수 물질을 채워 넣는 방식으로 제작됐다. 산화알루미늄 구조체를 사용하면 구조체의 기공 크기 제어로 다양한 빛 흡수 물질을 이용해 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대 및 광량의 정밀한 조절이 용이해 흡수층 재료 선택 범위가 넓어지는 것이다. 여기에 셀렌화안티몬(Sb2Se3) 기반 하부 물분해 광전극은 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있어 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 활용해 높은 전류를 발생시킬 수 있다. 연구팀은 반투명 태양전지를 사용해 흡수되는 빛 파장대를 정밀하게 조절하고 고효율 물분해 광전극을 적용해 넓은 파장의 태양광을 효과적으로 분배·활용했다.
문 교수는 “이번 연구는 넓은 범위 파장의 태양광을 그린수소 생산에 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발해 세계 최고 수준의 태양광·수소 변환 효율을 달성했다는 데 의의가 있다”며 “이번 연구가 태양광·수소 변환 소자의 새로운 패러다임이 되기를 바란다”고 말했다.
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