나노기술 및 정책 정보

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● 아주대학교 조인선 교수, 미국 Stanford University 한현수 박사 공동연구팀이 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 이중 정렬된 이종접합 광전극 구조를 개발

● 태양광을 이용한 수소 생산 기술의 경우 기존의 단일 광전극 소재 이용 시 광 흡수율 한계, 낮은 전기전도도로 인해 태양광-수소 전환 효율 향상이 어려웠던 상황

● 이를 해결하고자 서로 다른 광전극 소재를 적층시키는 이종접합 기술을 활용하는 연구가 활발히 이루어져 왔으나, 소재의 결정 구조학적 배향은 고려하지 않고 무작위 배향을 적층하거나 막대와 같은 나노구조에 코어쉘 형태로 적층하는 기술 위주로 연구되어, 접합 계면 및 표면에서 발생하는 높은 전자‧정공 재결합으로 인해 특성 향상이 제한적이었음

● 이에 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목하였고, 이에 기반하여 표면 결정면 제어 및 이종 접합기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종접합 모델 즉, 위‧아래층 모두 특정 배향으로 정렬된 이종접합 구조 연구를 진행

● 그 결과, 접합 계면에서 전자․정공 재결합을 크게 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 뿐만 아니라, 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러나 획기적으로 수소 발생 특성을 향상

● 해당 연구는 에너지 생산 및 저장기술 소자 등에 응용될 수 있는 이종접합 구조 설계에 대한 새로운 아이디어를 제시하였으며, 연구팀은 향후 상용화를 위해서는 도핑 농도, 열처리 조건 최적화 및 전극 안정성 향상 등이 필요한 만큼 추가 연구를 지속할 예정

※ 용어설명

- 이중정렬(dual-textured) 구조: 서로 다른 소재를 접합 시, 비슷한 결정 구조학적 배향을 가지도록 접합한 구조

- 코어쉘 형태 : 막대 구조(코어) 위에 껍질형태(쉘)로 코팅한 전극 구조

- 전자․정공 재결합 : 광전극에 태양빛을 쪼이면 전자/정공이 생성되고, 이들이 서로 분리 및 수송되어 수소 생산반응에 참여하게 되는데, 이때 전하 분리와 수송이 잘 일어나지 않으면 전자와 정공이 서로 재결합하여 반응에 참여할 수 있는 전하수가 크게 줄어들고 효율이 저하

※ Chemical Engineering Journal 게재(2022.02.12.), “Dual textured BiVO4/Sb:SnO2 heterostructure for enhanced photoelectrochemical Water-splitting”

※ 한국연구재단(중견연구, 기초연구실사업) 지원