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GLOBAL NEWS

일본, 광전기분해 효율 대폭 높이는 광전극 개발

가시광 중에서도 폭넓은 파장의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있어


[월간수소경제 편집부] 홋카이도대학교 전자과학연구소 미사와 히로아키(三澤弘明) 교수 연구팀이 두께 30nm의 공간에 가시광을 효율적으로 포획할 수 있는 광전극 개발에 성공했다. 이에 따라 가시광을 이용해 수소를 생산하는 광전기분해의 효율이 대폭 향상될 것으로 보인다.


태양광에 포함된 가시광은 무한정 존재하는 청정에너지라는 점에서 많은 주목을 모으고 있다. 최근에는 지속가능한 사회 실현을 위해, 가시광을 이용한 태양광전지나 인공광합성 시스템에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.


이에 미사와 교수 연구팀은 광자(photon)의 유효 이용을 제창하며, 금속나노 미립자의 집광 안테나 기능과 플라스몬(plasmon) 증강을 이용한 광화학반응의 고효율화 등에 관한 연구를 진행해 왔다. 최근에는 집광 안테나 기능을 이용한 태양전지나 인공광합성 등 태양광 에너지 변환에 관한 연구를 추진 중이다.


기존에는 금나노 미립자를 반도체 기판 위에 단층으로 도포했는데, 이러한 방법으로는 태양광 중 특정 파장의 빛만 흡수할 수 있었다. 즉 대부분의 태양광이 광흡수에 기여하지 못하므로 광자의 유효 이용이라는 점에서는 다소 불완전했다.


금나노 미립자의 크기를 늘리면 빛의 포집 효율이 높아지지만, 광산란 역시 커지므로 근본적인 해결책이라고는 볼 수 없었다.


이에 미사와 교수 연구팀은 두께 30nm의 반도체(산화티탄)를 금나노 미립자와 금 필름으로 감쌌다. 이때 금나노 미립자에서 빛을 비추면 금 필름이 거울의 역할을 한다. 이후 전체 가시광 중 85% 이상이 산화티탄층에 포획되고 금나노 미립자에 의해 흡수된다. 금나노 미립자는 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR, Localized surface plasmon resonance) 현상을 보이며, 특정 색(파장)을 흡수하거나 산란한다.


금나노 미립자는 빛을 흡수한 이후 반도체(산화티탄)에 전자를 부여한다. 이후 높은 환원력을 가진 전자가 수소 이온을 환원해 수소를 발생시키며, 전자의 잔해가 강한 산화력을 통해 물을 산화함으로써 산소를 발생시킨다.


이번 연구는 플라스몬과 산화티탄층에 포획된 가시광이 강하게 상호작용해 일체화된 새로운 상태를 만들면, 가시광 중에서도 폭넓은 파장의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있다는 사실을 발견했다. 기존 전극과 비교하면 10배 더 높은 효율로 광에너지를 저장 가능한 화학에너지로 변환할 수 있다. 매우 적은 물질량으로도 재생에너지를 효율적으로 변환할 수 있어 지속가능한 사회 실현에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 




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