태양광으로 안정적이고 높은 광전류를 확보해 청정수소를 효율적으로 생산하는 기술이 실현됐다. 이 기술은 기존 복잡한 수전해 공정을 단순화해 태양광 기반 청정수소 생산 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
한국기계연구원(이하 기계연) 나노융합연구본부 이지혜 나노리소그래피연구센터장 연구팀은 비스무트바나데이트(BiVO₄) 광전극의 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다.
BiVO₄는 광흡수도와 수소변환효율(STH)이 높아 태양광 수전해 기반 친환경 수소생산시스템에서 핵심 소재로 주목받는 금속산화물이다.
기존 BiVO₄ 전구체 용액은 최대 100mM 농도로만 제조가 가능해 고성능 박막을 형성하려면 8회 이상의 다중 코팅과 열처리공정이 반복적으로 필요하고, 이에 따라 느린 공정 속도와 재료 과다 소모에 따른 낮은 생산성이 한계로 지적됐다.
연구팀은 아세틸아세톤, 아세틱애시드, 디메틸설폭사이드를 최적 비율로 혼합한 고농도 BiVO₄ 전구체 용액을 개발해 기존 문제를 해결했다.
이를 이용하면 한 번만 코팅해도 고성능 BiVO₄ 박막을 균일하게 형성해 기존 대비 생산성을 약 5.9배 높일 수 있다.
또 연구팀은 144㎠의 대면적 광전극을 제작, 이를 연결해 576㎠ 규모 초대형 전극시스템으로 확장하고 태양전지를 병렬 연결해 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다.
이는 자연 태양광 조건에서 안정적으로 높은 광전류를 생성해 그린수소 생산을 위한 경제성과 효율성을 확보한 것으로, 향후 상용화의 길을 크게 높일 전망이다.
이 센터장은 “이번 연구는 고농도 BiVO₄ 전구체용액 개발로 대면적 광전극 제조 효율성과 생산성을 혁신적으로 개선한 성과”라며 “지속가능한 에너지로의 전환과 친환경 수소생산 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 국내특허 및 PCT 출원을 진행 중이며, 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF 10.7)’에 게재됐다. (논문명: Breakthrough in the large area photoanode fabrication process: high concentration precursor solution with solvent mixing and one step spin coating for high PEC
performance of BiVO4 (https://doi.org/10.1039/D4TA03349C))
