[월간수소경제 편집부] 일본 국립연구개발법인 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)가 인공광합성화학 프로세스 기술연구조합(ARPChem), 도쿄대학과 공동으로 진행한 연구에서 CIGS를 베이스로 한 광촉매로 수소에너지 변환 효율 12.5%를 달성했다. 이는 다결정 광촉매 가운데에서는 세계 최고 수준의 에너지 변환 효율이다.

이번 연구 결과는 촉매의 구성비, 촉매와 반응하는 전해액의 성분 등을 최적화함으로써 얻을 수 있었다. 다결정이므로, 단결정만으로 구성된 광촉매에 비해 미터급의 대형화에 적합하다.

NEDO는 제조업이 환경에 미치는 악영향을 줄이기 위해, 태양광발전으로 수소를 생산하고 이를 공장 등에서 배출되는 이산화탄소와 합성해서 플라스틱의 원료가 되는 화학품(C2~C4 올레핀)을 제조하는 인공광합성 기술 개발을 진행해 왔다. 해당 과정에서 중요한 것은 광촉매의 에너지 변환 효율 향상이다.

이번 연구에서 NEDO와 ARPChem, 도쿄대학은 태양전지의 재료로 잘 알려진 CIGS를 베이스로 하는 광촉매를 개발해, 다결정 광촉매 중에서는 세계 최고 수준의 에너지 변환 효율(12.5%)를 달성했다. 이번 성과를 통해 에너지 변환 기술로서 인공광합성이 갖는 가능성을 입증할 수 있었다.

광촉매는 태양광 에너지를 화학 에너지로 변환하는 기능성 재료다. 태양광의 강도는 주로 가시광영역(400~800nm)에서 가장 높으므로, 해당 파장영역의 빛을 흡수할 수 있는 광촉매가 개발되면 태양광 에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.

하지만 기존 광촉매는 주로 자외광영역(~400nm)의 빛만 흡수할 수 있어, 광촉매가 흡수할 수 있는 파장 영역을 늘리는 것이 중요한 과제 중 하나였다.

이를 위해 이번 연구에서는 장파장의 빛을 흡수할 수 있는 재료로 칼코게나이드계 재료를 주목했다. 그중에서도 CIGS는 적외영역의 빛까지 이용할 수 있어 이미 태양전지 분야에서는 미터급 제조 기술이 확립되어 있다.

CIGS는 p형 반도체로, 그 표면에 n형 반도체 막을 씌워 pn접합을 구성한 다음 빛을 쪼이면 높은 양자효율을 얻을 수 있다. 이번 연구에서는 해당 견해를 참고해 새로운 구성의 CIGS를 개발하고 전해액의 성분을 최적화함으로써 에너지 변환 효율을 대폭 높였다.

수소생산의 효율을 높이기 위해서는 수소생성 광촉매뿐만 아니라 산소생성 광촉매의 효율도 높일 필요가 있다. 이에 NEDO와 ARPChem은 앞으로 산소생성 광촉매와 수소생성 광촉매, 인공광합성 프로세스 전반에 걸쳐 에너지 변환 효율을 한층 더 높이기 위한 연구를 진행할 계획이다.