국내 연구진이 유기 반도체 기반 광전극을 활용해 저렴하고 효율적인 장시간·대량 그린수소 생산이 가능한 대면적 모듈 시스템을 개발해 주목을 받고 있다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀은 최근 태양에너지로부터 다량의 수소 생산을 가능하게 하는 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템을 개발했다고 밝혔다.

유기 반도체란 탄소 결합으로 이뤄진 고분자 뼈대와 수소 원자 혹은 질소, 황 및 산소와 같은 부수적인 원자 간의 결합으로 이뤄진 물질로 본래 부도체 성질을 갖지만 불순물을 첨가해 가지게 되는 파이 결합에 의해 반도체적인 성질을 띠게 된다. 비교적 저렴하고 생산 방식이 유연·다양해 여러 분야에서 각광받고 있다. 또한 다른 반도체 소재에 비해 비교적 저렴하고 다양한 공정 방법을 가지고 있어 대규모·대면적 생산에 용이하고 에너지 전환 효율이 높아 유망한 광전극 소재로 꼽힌다.

하지만 유기 물질 자체가 수분에 취약해 광전기화학 물 분해를 통한 수소 생산 실용화를 위해서는 유기 반도체 성능의 큰 저하 없이 장시간 구동하게 하는 기술 개발이 시급한 실정이다.

이에 이상한 교수 연구팀은 태양에너지로부터 다량의 수소 생산을 가능하게 하는 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템을 선보였다. 연구팀은 광전극 내에 수분이 침투되는 것을 막아 유기 반도체가 장시간 구동할 수 있도록 하는 금속 캡슐화(metal encapsulation) 기술을 적용해 현재까지 보고된 유기 반도체 광음극 가운데 가장 높은 안정성을 유지하는 데 성공했다.

연구팀의 유기 반도체 광음극은 초기 성능과 비교해 95% 이상의 성능을 30시간 이상 유지했으며 기존 연구보다 최소 20시간 이상 향상된 안정성을 확보했다. 또한 기존 연구의 최고 효율인 4.3%와 비교해 이번 연구 성과는 12.3mA·cm-2의 높은 광전류와 5.3%의 높은 반쪽전지 효율을 달성했다.

연구팀은 이렇게 장시간 구동 가능한 유기 반도체 광음극을 연결한 광전극 모듈 시스템을 개발해 실제 태양광 아래에서 구동시켰으며 그 결과 실험실 단위를 넘어서 실제 환경에서 대면적의 유기 반도체 광음극 기반 모듈 시스템의 수소 생산 가능성을 확인했다.

GIST 이상한 교수는 “이번 연구를 통해 유기 반도체 기반 광전극의 큰 이슈인 안정성 문제를 극복했으며 이를 기반으로 개발한 대면적의 광전기화학 모듈 시스템은 친환경 수소 대량 생산 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.