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문주호교수팀
문주호 교수팀, 표면 개질을 적용한 페로브스카이트 광전극 기반 고성능 태양광 수소 생산 소자 구현 표면 개질 공정을 적용한 페로브스카이트 광전극을 태양광 기반 고성능 수소 생산 소자로 구현 국제적 최고 권위 저널 ‘Advanced Energy Materials (IF 27.8)’에 게재
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사진 1. (왼쪽부터) 문주호 교수, 윤주원 석박사통합과정생 (제 1 저자)
공과대학 신소재공학과 문주호 교수 연구팀은 페로브스카이트 광전극 표면 개질 공정을 진행한 뒤 물 분해 반응을 구동 시켜 태양광 기반 고효율 수소 생산 소자에 적용하였다.
광전극을 통한 물분해 반응은 환원 반응인 수소 발생 반응과 산화 반응인 산소 발생 반응으로 구성 되어 있으며, 유해 물질 없이 태양 에너지만으로 수소 연료를 생산할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 하지만, 기존에 광전극으로 많이 활용되었던 반도체 물질들은 낮은 빛 흡수율, 광 여기 된 전하의 낮은 분리 경향 그리고 전해질로의 전하 주입이 어려워 고성능 수소 생산의 걸림돌이 되고있다.
연구팀은 우수한 재료 특성으로 인해 태양전지로 많이 활용되었지만 수분에 많이 취약한 페로브스카이트 물질을 물분해용 광산화전극 재료로 활용하였고 물에서도 안정하게 구동할 수 있도록 보호층 전략을 제시하였다. 기존 페로브스카이트 태양전지구조를 활용하여 그 위에 전도성 카본 파우더와 니켈 포일을 증착하여 수분안정성 및 전도성을 확보하였다. 제작한 페로브스카이트 광산화전극은 물 속에서와 공기중에 오랜 시간 노출되었으나 상 변화 없이 안정적으로 잘 유지되었다.
사진 2. 페로브스카이트 광산화전극 모식도 및 수분과 공기 노출 후 소자의 변화
추가적으로 페로브스카이트 층과 전자 수송층인 산화 주석사이에 유기물 기반 용액을 스핀 코팅 후 열처리를 진행했고, 이를 통해 산화 주석과 페로브스카이트의 결함이 효과적으로 개선되었다. 따라서 광 여기 된 전하가 전극 계면에서 축적되는 현상이 줄어들고 전해질로 빠르게 추출되는 되는 효과를 보였다. 위와 같은 방식으로 확보한 광전극을 산소 발생 반응에 구동 시켰을 때 상당히 우수한 광 전류 밀도 및 안정성을 보였다. 추가적으로 수소 발생 반응을 위한 페로브스카이트 흡수층 기반 광환원전극을 연결하여 외부 전압 없이 태양광 만으로 태양광 수소 변환 효율 10.9%로 세계적인 수준의 우수한 효율이 발현하였다.
- 사진 3. 표면 개질을 적용한 페로브스카이트 광산화전극 기반 태양광 수소 생산 소자 모식도
문주호 교수는 “본 연구는 표면 개질을 적용한 페로브스카이트 광전극을 통해 차세대 태양광 기반 고성능 수소 생산 소자를 제작 및 상용화하는데 크게 기여할 것으로 기대된다” 라고 하였다.
본 연구는 한국연구재단 리더연구와 나노 및 소재기술개발사업(경쟁형)과 연세 시그니처 연구클러스터사업의 지원으로 수행 되었으며, 국제적으로 권위있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’에 12월 8일 게재됐다.
[논문 정보]
논문 제목: Conductive Passivator and Dipole Layer Mixture Enabling High-Performance Stable Perovskite Photoelectrode-Based Solar Water Splitting, Advanced Energy Materials 13, 202301693 (2023).논문주소: https://doi.org/10.1002/aenm.202301693
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