[파이낸셜뉴스] 자연 태양광 하에서 안정적으로 높은 광전류를 생성해 효율적으로 수소를 생산하는 기술이 개발됐다. 기존의 복잡한 다중 공정을 단순화해 제작시간을 대폭 단축, 태양광 기반 수소 생산 기술 상용화를 앞당길 것이라는 기대다. 국가과학기술연구회 산하 한국기계연구원 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 이지혜 센터장 연구팀은 BiVO₄(비스무트 바나데이트) 광전극의 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. BiVO₄는 광흡수도 및 태양광 수소 변환 효율(Solar-to-Hydrogen Efficiency, STH)이 높아 태양광 수전해 기반 친환경 수소 생산 시스템에서 핵심 소재로 주목받고 있는 금속산화물이다. 기존의 BiVO₄ 전구체 용액은 최대 100mM의 농도로만 제조가 가능해 고성능 박막을 형성하기 위해서는 8회 이상의 다중 코팅과 열처리 공정이 반복적으로 필요했다. 이로 인해 공정 속도가 느리고 재료 소모가 많아 생산성이 낮다는 한계가 있었다. 기계연 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 아세틸아세톤(Acetylacetone), 아세틱 애시드(Acetic Acid), 디메틸설폭사이드(DMSO)를 최적의 비율로 혼합한 고농도 BiVO₄ 전구체 용액을 개발했다. 이를 이용하면 단 한 번의 코팅만으로도 균일하면서도 고성능의 BiVO₄ 박막을 형성할 수 있으며 기존 대비 생산성을 약 5.9배 향상시킬 수 있다. 또 연구팀은 144cm²의 대면적 광전극을 제작하고 해당 전극 4개를 연결해 576cm² 크기의 초대형 전극 시스템으로 확장했다. 특히 이 시스템과 태양전지를 병렬로 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다. 자연 태양광 조건에서도 안정적으로 높은 광전류를 생성해 친환경 수소 생산을 위한 경제성과 효율성을 확보했으며 상용화 가능성을 크게 높였다. 기계연 이지혜 센터장은 “이번 연구는 고농도 BiVO₄ 전구체 용액 개발로 대면적 광전극 제조의 효율성과 생산성을 혁신적으로 개선한 성과”라며, “지속 가능한 에너지로의 전환과 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구팀은 이 같은 대면적 BiVO₄ 광전극 개발로 국내특허 및 PCT 출원을 진행 중이며 영국왕립화학회에서 발행하는 국제학술지인 'Journal of Materials Chemistry A'(JCR:Q1, IF:10.7)에도 게재됐다. jiany@fnnews.com 연지안 기자

울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀(사진)은 기판 위에서 알아서 조립되는 분자로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 물질로 만든 페로브스카이트 태양전지는 이전에 만들었던 태양전지보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다. 또 안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양빛에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 김봉수 교수는 "새로 개발한 물질은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높일 수 있다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지에 들어가는 자가조립단층은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. 자가조립단층 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다. 연구진은 이 자가조립단층을 형성하는 특정 분자 '4PACz'보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 화합물 'MeS-4PACz'를 개발했다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀은 기판 위에서 알아서 조립되는 분자로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 물질로 만든 페로브스카이트 태양전지는 이전에 만들었던 태양전지보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다. 또 안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양빛에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 김봉수 교수는 "새로 개발한 물질은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높일 수 있다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지에 들어가는 자가조립단층은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. 자가조립단층 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다. 연구진은 이 자가조립단층을 형성하는 특정 분자 '4PACz'보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 화합물 'MeS-4PACz'를 개발했다. 태양전지는 광생성 전자(음전하 입자)와 정공이 전극으로 이동하는 현상으로 전기에너지를 뽑아내는 장치라 전자와 정공이 전극으로 잘 이동하면 전지 효율이 높아진다. 또 태양전지 출력과 장기안정성을 가늠하는 지표 값도 월등히 개선됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 녹슨 철을 활용해 태양광 수소 생산 시스템을 개발했다. 이 시스템은 햇빛으로 물을 분해해서 수소를 만들어내는데 지금까지 나왔던 방식들보다 수소생산 효율이 3.2배 향상됐다. 또한 100시간 동안 수소생산 효율이 떨어지지 않고 유지했다. 장지현 교수는 20일 "수소 생산 효율을 크게 높이는 동시에 상업화를 위한 중요한 기술적 진전을 이뤄냈다"며, "그린수소 생산의 상업화를 앞당기고, 다양한 반도체 시스템에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 환경 오염 억제 및 탈탄소화를 위해 화석연료를 대체할 에너지원 개발이 필수적이다. 수소는 청정 에너지원으로 주목받고 있지만, 현재 수소를 생산하는 방법은 주로 화석연료를 활용하고 있어 진정한 친환경 수소 생산기술 개발이 필요하다. 태양에너지와 물을 활용한 광전기화학적 물 분해 수소 생산 방법은 친환경적인 에너지원만을 활용해 수소를 생산할 수 있어 미래 기술로 각광받고 있다. 태양에너지를 흡수할 수 있는 광전극은 여러 조건을 충족해야 한다. 안정성, 가격, 전기적 특성을 모두 만족하는 소재가 아직 개발되지 않았고, 특히 기술 상업화의 기준점인 광-수소 변환 효율 10%를 달성한 소재는 아직 없다. 그중에서도 높은 안정성과 저렴한 금속산화물은 적절한 후보 물질로 주목받고 있지만, 전기적 특성이 낮아 수소 생산 효율이 낮다. 산화철은 그동안 광전극으로 사용하기에 전기적 성능이 부족해 수소 생산 효율이 낮았다. 물을 분해하는 면적이 좁고, 전자 이동 거리가 길어 상업화가 어려웠다. 연구진은 이를 개선하기 위해 산화철의 구조적 특성에 주목했다. 게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 함께 섞어 산화철의 전기적 특성을 개선하고, 열을 이용해 다공성 구조를 만들어 반응 면적을 넓히고 전자 이동 거리를 줄였다. 이를 통해 산화철의 단점을 극복하고 물 분해 효율을 높였다. 이 과정을 통해 평균 직경 10nm 이하의 다공성 산화철 전극을 만들었다. 그결과 태양광을 이용한 수소 전환 효율을 3.2배 높였으며, 100시간 동안 효율 저하 없이 지속 사용이 가능해졌다. 장기간 안정적인 수소 생산을 가능하게 하여 상업화에 한 발 더 다가설 수 있게 했다. 한편, 연구진은 산화철으로 만든 태양광 수소전환 시스템을 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(Energy Letters)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀이 페로브스카이트 태양전지의 내구성과 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 이 태양전지는 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입한 것이 특징이다. 9일 연구진에 따르면, 이 태양전지는 23.21%에 달하는 높은 광전변환효율을 기록했다. 또 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지해냈다. 장성연 교수는 "이 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 화학 부품의 새로운 구조를 제시했다"고 말했다. 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 '광전자' 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다. 연구진은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 새로운 화합물을 추가했다. 이 화합물 '페릴렌 디이미드'는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 연구진은 "이 물질이 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다"고 설명했다. 뿐만아니라 새 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33㎃/㎠의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 연구진은 이러한 수치가 미국 에너지부에서 목표로 하는 것보다 높다고 말했다. 한편, 연구진은 고려대 곽상규 교수팀과 함께 이 기술을 개발했으며, 그 결과를 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 공개했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내외 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 소재 개발이 한창이다. 낮은 제작 단가, 용이한 생산 공정, 유연화 가능 등의 장점을 지녀 실리콘 태양전지를 이을 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다. 우선 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 김호범 교수팀이 해외 연구진과 공동으로 페로브스카이트 태양전지 제작에 필수적으로 사용되는 정공수송층 신물질을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구진은 이 신물질을 이용해 고효율이면서 수명이 긴 페로브스카이트 태양전지를 만들었다. 또한, 한양대 한태희 교수팀과 성균관대 전일 교수팀이 수천번을 접고 휘어도 스스로 성능을 복구하는 새로운 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 폴리머가 첨가된 페로브스카이트 태양전지는 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다. ■1000시간 이상 사용해도 끄떡없다 김호범 교수팀은 스위스 로잔 연방공대 나지루딘·다이슨 교수팀, 이탈리아 콘실리오 국립연구소 포지 박사팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 정공수송용 신규 소재 'BSA50'를 개발했다. 이 소재는 페로브스카이트층 속 빛 흡수에 의해 형성된 정공 추출에 효율적이며, 페로브스카이트에 존재하는 결함을 제거할 수 있다. 새 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 22.65%에 달해 기존 '스파이로 오미타드' 정공수송층으로 만든 것과 거의 비슷한 97% 수준이다. 하지만 안정성 면에서는 태양빛 아래 1000시간 동안의 작동 후에도 초기 효율 대비 89% 이상 유지했다. 이는 기존 소재를 적용한 소자가 유지하는 효율인 82%보다 우수한 성능과 안정성을 지님을 보여준다. 또한 대면적인 6.5×7㎠ 크기의 페로브스카이트 태양광 모듈을 제작해 실험한 결과, 기존 소재를 사용하지 않은 모듈 중 세계 최고 효율인 21.35%를 달성했다. 김호범 교수는 "기존 소자의 효율은 유지하면서 안정성은 크게 향상시킬 수 있는 정공수송층 신물질을 개발해 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. ■수천번을 접고 휘어도 끄떡없다 한태희·전일 교수팀은 페로브스카이트에 고분자 물질을 혼합해 잘 휘어지면서도 성능을 유지하는 '자가치유형 태양전지'를 개발했다. 연구진은 페로브스카이트 광활성층의 유연성을 높이고, 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체를 합성했다. 또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합 세기를 제어하도록 설계했다. 그 결과, 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다. 또한 정상상태의 빛을 전기로 전환되는 광전효율이 22.61%에 달했으며, 휘어졌을때의 광전효율은 23.25%를 유지했다. 한태희 교수는 "차세대 전자소자의 형태로 기대되는 인체 친화적 유연성과 신축성을 갖춘 휴대용, 입을 수 있는 전자소자의 태양 빛을 통한 손쉬운 에너지 수급을 가능하게 한다"고 말했다. 또한 "태양전지의 기계적 유연성을 크게 증가시키고 반복된 휘어짐에도 셀프힐링 기능으로 성능을 회복하게 함으로써 실제로 휴대용 전자기기에 사용 가능한 형태의 고성능, 고안정성 태양전지의 개발이라는 측면에서 향후 발전 가능성이 크다"고 설명했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스 대전=김원준 기자] 대전상공회의소는 26일 오전 한국화학연구원 디딤돌플라자에서 한국화학연구원 및 연구개발특구진흥재단과 함께 ‘유망기술 상담회’를 공동 개최했다고 밝혔다.  행사에는 대전상의와 한국화학연구원 관계자, 기술연계를 희망하는 지역 기업 ㈜래트론, ㈜코발트테크놀러지 등 17개 업체 임직원 40여 명이 참여했다.  상담회는 한국화학연구원의 유망기술 연계 및 연구개발특구진흥재단의 사업화 컨설팅을 통해 지역 기업에 기술력 증진과 기술 고도화 기회를 제공하기 위해 마련됐다.  행사는 지역 기업 ESG 경영과 투자유치 전략 전문가 강연을 시작으로, 화학연 보유기술 소개와 함께 연구기술 이전에 대한 전문가 1대 1 상담 순으로 진행됐다.  앞서 한국화학연구원은 기업들이 보유한 기술과 활용을 원하는 기술을 매칭, 연계 가능성을 사전 검토했다. 화학연구원은 이날 상담회에서 사전검토를 마친 △아스콘 탈취제 및 이를 포함하는 아스콘 조성물 △래핑 가능 전기적·시각적 고감도 수소센서 △펄스형 휘발성유기화합물 저감을 위한 촉매 모듈 △광전변환효율을 높인 유기 태양전지 제조 기술 등 8개 분야 유망기술에 대한 심층 상담을 진행했다.  한편, 이날 행사는 정태희 대전상의 회장이 관심을 갖고 추진중인 ‘정부출연연구원과 지역 기업 간 기술매칭 사업’의 하나로 진행됐다. 이 사업은 대덕특구 연구원의 기술 및 인프라를 기업이 실질적으로 활용할 수 있도록 기술 교류를 촉진, 지역 기업의 기술력 향상을 지원하기 위한 것이다. kwj5797@fnnews.com 김원준 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 류정기·장지욱·장성연 교수팀이 나무 찌꺼기로 바닐라향료를 만들고, 이때 나오는 전자를 태양광 수소생산 시스템까지 작동시키는 기술을 개발했다. 이 시스템이 작동할때 외부 전력을 사용하지 않으며, 산소는 만들어지지 않고 순수한 수소 기체만 만들어져 효율적으로 수소를 모을 수 있다. 이번 기술개발에 참여한 제1저자 최유리 연구교수는 "이 시스템은 넓은 범위의 태양광을 흡수해 수소를 만들고, 산소나 이산화탄소 발생이 없다는 장점이 있다"며 "후속 연구를 통해 그린 수소 생산으로 활용될 것"이라고 말했다. 연구진은 목질계 바이오매스에서 리그닌만 분리해내기 위해 저렴한 물질인 '인몰리브덴산(PMA)'를 촉매로 사용했다. 저온인 60℃에서 목질계 바이오매스에 PMA를 넣으면 리그닌만 분해돼 '바닐린'이 만들어진다. 바닐린은 바닐라 향이 나는 무색의 고체 가루다. 바닐린 자체는 단맛이 없지만 식품에 달콤함을 더하는 향료로 초콜릿이나 아이스크림, 사탕 등에 들어간다. 또한 연구진은 리그닌이 바닐린으로 변할때 나온 전자를 추출해 물에서 수소를 뽑아내는 기술에 활용했다. 즉, 수전해 기술은 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술이다. 기존 수전해 방식은 수소와 함께 산소도 만들어져 이를 분리 추출해야 하는 점과 폭발 가능성 등 여러 문제점 있다. 또한 수전해 기술 중 태양광 에너지를 연료로 전환하는 '태양광 수소 생산 시스템'은 높은 에너지가 필요해 전기를 추가해야 한다. 연구진은 리그닌 변환과정 중 얻은 전자로 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했다. 또 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 적용해 수소 생산량을 늘렸다. 그 결과, 연구진이 개발한 시스템은 태양광 아래에서 20시간 동안 효율적이고 안정적으로 수소를 생산해 냈다. 류정기 교수는 "기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 수소를 생산해 냈다"며 "촉매를 활용한 목질계 바이오매스의 선택적 분해 기술은 셀룰로오스의 구조 변형 없이 리그닌만 분해해 목질계 바이오매스를 효과적으로 활용할 뿐만 아니라 구성 성분을 모두 활용할 수 있는 경제적 기술"이라고 말했다. 연구진은 이번 연구 결과를 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 3일 발표했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지를 넓은 면적으로 만들어도 성능이 유지되는 기술을 개발했다. 27일 KIST에 따르면 연구진은 빛을 받아 전기가 만들어지는 광활성층을 세 종류의 유기반도체 소재로 제작했다. 58.5㎠로 만든 대면적 유기태양전지 모듈은 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 유기태양전지는 건물 벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 제작이 가능해 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다. 하지만 지금까지의 고효율 유기태양전지들은 실험실 수준에서 개발된 0.1㎠ 미만의 좁은 면적이다. 넓은 면적의 모듈을 제작할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 연구진은 유기태양전지 내 광활성층의 형태에 주목했다. 광활성층은 일반적으로 p형과 n형의 반도체 소재를 이용해 인쇄방식으로 쉽게 제작 할 수 있다. 하지만 광활성층을 만들때 용매증발 과정에서 p형 고분자가 뭉치면서 불균일한 구조를 만들어 낸다. 연구진은 새로운 광활성층을 사용해 58.5㎠ 크기의 유기태양전지를 만들어 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 기존 두 종류의 유기반도체 소재로 만든 태양전지의 광전 변환효율은 12.59%였다. 내구성도 향상됐다. 85도 온도에서 가속화테스트를 진행할 경우 1000시간 성능을 유지한다. 이는 일반적인 환경에서 5년 정도 성능이 유지되는 것을 뜻한다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지를 넓은 면적으로 만들어도 성능이 유지되는 기술을 개발했다. 27일 KIST에 따르면 연구진은 빛을 받아 전기가 만들어지는 광활성층을 세 종류의 유기반도체 소재로 제작했다. 58.5㎠로 만든 대면적 유기태양전지 모듈은 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다.  유기태양전지는 건물 벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 제작이 가능해 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다. 하지만 지금까지의 고효율 유기태양전지들은 실험실 수준에서 개발된 0.1㎠ 미만의 좁은 면적이다. 넓은 면적의 모듈을 제작할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 연구진은 유기태양전지 내 광활성층의 형태에 주목했다. 광활성층은 일반적으로 p형과 n형의 반도체 소재를 이용해 인쇄방식으로 쉽게 제작 할 수 있다. 하지만 광활성층을 만들때 용매증발 과정에서 p형 고분자가 뭉치면서 불균일한 구조를 만들어 낸다. 연구진은 새로운 광활성층을 사용해 58.5㎠ 크기의 유기태양전지를 만들어 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 기존 두 종류의 유기반도체 소재로 만든 태양전지의 광전 변환효율은 12.59%였다. 내구성도 향상됐다. 85도 온도에서 가속화테스트를 진행할 경우 1000시간 성능을 유지한다. 이는 일반적인 환경에서 5년 정도 성능이 유지되는 것을 뜻한다. monarch@fnnews.com 김만기 기자