김재엽 단국대 교수 연구팀, 세계 최고 수준 '태양광 수소 생산기술' 개발

김재엽 단국대 화학공학과교수/사진제공=단국대

단국대는 김재엽 화학공학과교수와 DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 연구팀이 반도체양자점을 활용해 기존보다 효율이 20배 높은 세계 최고 수준의 친환경 수소 생산기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

기존 광전기화학적 수소생산법은 태양광과 전기를 사용하는 물 분해 과정에서 산화물 반도체(이산화타이타늄)가 4%에 불과한 태양광에너지 흡수율을 보인 단점이 있었다. 이번 공동 연구팀은 이를 개선하고자 구리, 인듐, 셀레늄 등을 활용한 반도체양자점을 이용해 태양광 흡수율을 획기적인 높인 광전극을 제작하는데 성공했다.

구리, 인듐, 셀레늄으로 구성된 삼원계 반도체는 물성(물리적 성질) 제어가 어려웠으나 연구팀은 양자점 합성 과정에서 다양한 전구체 반응 차이를 발견해 양자점 결함을 효과적으로 제어하는 기술을 개발했다.

연구팀이 개발한 양자점은 4nm(1nm는 10억분의 1m) 크기로 가시광선과 근적외선을 효과적으로 흡수할 수 있고 재료의 결함구조 제어도 가능해 전하농도, 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물성을 크게 향상시켰다. 또한 산화물반도체 광전극에 비해 광전류 밀도가 20배(약 10.7mA/㎠) 가량 증가한 세계 최고 수준의 성능을 보였다.

결함제어 합성법을 통해 제작된 Cu-In-Se 반도체 양자점의 전자현미경 이미지 /사진제공=단국대

연구논문은 청정에너지 및 탄소중립 분야 SCIE급 저명 학술지 '카본 에너지Carbon Energy'(IF=21.556) 5월 온라인에 게재됐다. 논문명은 'Defect engineering of ternary Cu-In-Se quantum dots for boosting photoelectrochemical hydrogen generation'이다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 개발한 친환경 양자점 기술은 태양광수소 생산뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체 소자 연구에도 유용하게 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업 지원을 받아 진행됐다.