박종혁 연세대·김종규 포항공대 교수 연구팀은 햇빛을 재활용할 수 있는 장치를 자체 개발, 물에서 수소 에너지를 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

광전기화학 물 분해는 태양광 에너지를 수소에너지로 전환하는 기술이다. 친환경적이고 지속가능하다는 장점으로 활발한 연구가 이뤄지며 태양광 에너지 수소전환 효율이 5% 수준에 도달했다. 이에 활용되는 광전기화학셀-태양전지 적층(Tandem) 소자는 물에 담그기만 해도 수소가 생산되는 핵심 시설로 각광을 받아왔다. 하지만 인위적으로 전자를 흐르게 해줘야 하는 단점이 있었다.

연구팀은 햇빛을 재활용할 수 있는 핵심장치를 자체적으로 개발해 수소 전환 효율을 크게 높였다. 우선 광전기화학셀과 태양전지를 적층형태로 결합한 소자에 태양광을 파장에 따라 선택적으로 반사·투과시킬 수 있는 전도성 분포 브래그 반사기를 적용해 태양광 흡수 효율을 향상시켰다.

또 전도성 분포 브래그 반사기를 후면의 염료감응 태양전지의 상대전극으로 활용해 무선(wireless) 자가발전 수소 생산 소자를 구현했다.

연구팀은 태양광 재순환을 통해 태양광 에너지 수소전환 효율을 7%로 끌어올리는데 성공했다. 특히 전도성 분산 브래그 반사기는 적용 소자에 최적화된 광학 특성을 갖도록 설계가 가능해 다양한 광전기화학적 물 분해 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

앞으로 연구팀은 상용화 가능 목표치인 10%대 수소변환을 위한 초저가의 소재 개발에 주력할 예정이다.

박종혁 교수는 "이번 성과는 태양광 재사용을 통해 무한한 에너지원인 태양광에서 수소를 생산하는 등 보다 효율적으로 에너지를 활용할 수 있는 기술을 개발한 것"이라면서 "태양전지, 발광소자 등에 적용할 수 있어 에너지 절감과 차세대 에너지 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 6월 21일자에 게재됐다.