프롤린으로 페로브스카이트 빈자리 채워, 태양전지 성능 항상
물처럼 흐르는 액체금속 밀봉기술 통하여 수분 저항성 확보
차세대 태양전지 후보 가운데 하나인 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 안정적으로 얻을 수 있는 새로운 시도가 소개됐다.
'페로브스카이트'는 1839년 러시아 광물학자 레브 페로브스키(Lev Perovski,17922-1856)가 발견한 광물의 결정구조(ABX3)의 명칭, 그중 유·무기 혼합 페로브스카이트는 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 흡수도 또한 높아 태양전지의 재료로 널리 사용 중이다.
지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 신소재공학부 이상한·이광희 교수 연구팀은 페로브스카이트 내부결함 제어 및 액체금속 밀봉기술로 효과적이고 안정적인 수소생산이 가능함을 확인하였다.
기존에도 페로브스카이트 태양전지로 수소를 생산하려는 연구(수전해 및 광전기화학 물분해)가 있었지만 페로브스카이트의 이온결함과 수분에 대한 취약성이 걸림돌이 되었다.
'이온결함'이란 결정물질 내부의 이물질로서 전하를 띠고 있는 것을 말하며, '수전해'란 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법을 말한다.
'광전기화학 물분해(photoelectrochemical water splitting)'는 빛으로부터 생산된 전기로 물 분자를 분해해 수소와 산소를 생산하는 방법이다.
지스트 연구팀은 아미노산의 한 종류인 L-프롤린을 첨가제로 사용해 페로브스카이트 자체의 이온결함을 보완하였다.
특정한 조건에서 양이온과 음이온을 모두 가질 수 있는 L-프롤린이 페로브스카이트 내부의 양이온 결함 및 음이온 결함을 모두 채움으로써 소자의 효율과 안정성을 향상시킨 것이다.
'L-프롤린(L-proline)'은 단백질을 구성하는 20개의 아미노산 중 하나로써, 아민기(amine) 및 카복실기(carboxyl) 이 두 작용기를 모두 가지고 있으며 이는 용액의 pH에 따라 작용기가 가지는 전하가 달라진다.
'양쪽성이온(zwitterion)'이란 한가지의 분자에 양이온과 음이온을 동시에 가지고 있는 이온을 말한다.
또한 인듐 갈륨 액체금속과 티타늄 포일로 페로브스카이트를 밀봉함으로써 수분에 대한 취약성도 해결하였다. 수분에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전극과 소자 간 전하이동도 역시 높여 수소생산 효율을 한층 높일 수 있었다.
실제 이렇게 만들어진 소자는 기존 페로브스카이트 광전기화학 소자 대비 2배 이상의 안정성을 가지며 수소생산효율(반쪽전지 효율) 역시 9.6%로 이는 페로브스카이트 소재를 사용한 광전기화학 소자 중 가장 우수한 성능이다. 연구팀은 향후 더욱 안정적인 수소생산을 위한 페로브스카이트 재료연구 및 생산단가를 낮추기 위한 촉매 연구를 추진할 예정이다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업), 원천기술개발사업(기후변화대응기술개발사업), 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행된 이번연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 1월 21일 온라인 게재되었다.