그린수소 생산을 위해 크기를 1만배 키운 광전극 모듈을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다. 6일 UNIST에 따르면 에너지화학공학과 이재성, 장지욱, 석상일 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수 공동 연구팀은 높은 효율과 내구성을 갖춘 대규모 그린수소 생산 기술을 개발했다. 연구팀은 특히 페로브스카이트 광전극 크기를 1만배 키워 실용 가능성을 높였다.

태양광 수소 기술은 태양에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 이상적인 그린수소 생산 기술이다.

연구팀은 해당 기술의 실용화를 위해서는 실험실 소형 장치에서 크기를 키우는 '스케일업'(scale-up)이 필요하다고 보고, 광전극 소재로 효율이 높고 비교적 값이 싼 페로브스카이트를 채택했다. 그러나 페로브스카이트 태양전지는 태양광에 포함된 자외선과 공기 중 수분에 대한 안정성이 떨어진다는 단점이 있었다. 이에 연구팀은 페로브스카이트의 양이온으로 기존 메틸암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 자외선에도 안정적인 페로브스카이트를 제조했다. 또 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전히 봉인해 물속에서도 안정성을 유지하도록 만들었다.

일반적으로 연구개발용 광전극은 1㎠ 미만 소형으로, 실용화 규모인 1㎡까지 키우기 위해서는 1만배 정도 스케일업을 해야 하는데, 이 과정에서 수소 생산 효율이 감소해 이를 최소화하는 기술도 필요하다. 연구팀은 '모듈 기반 설계'를 활용해 소형 광전극을 블록을 쌓는 것처럼 가로, 세로로 반복해서 연결해 대면적 광전극을 제조했다. 이렇게 제조된 모듈은 상용화를 위한 최소 조건인 태양광 수소 전환 효율 10% 이상을 달성했다. 이는 대면적 광전극에서 세계 최고 효율이라고 연구팀은 설명했다.

제1저자 한소라 박사는 "이번 연구에서 개발한 광전극은 대면적에서도 높은 효율을 유지했다"며 "앞으로 그린수소 생산 실용화를 위한 현장 실증에 집중한다면 2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화될 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '네이처 에너지'(Nature Energy)에 지난달 23일 온라인으로 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응 사업과 브레인링크 사업의 지원을 받았다.