사막에서도 광합성 가능한‘인공 잎’개발: 물과 빛만으로 자동차를 움직인다.

연구자 포항공과대학교 용기중
주요 지원 내역 집단연구지원(R&D)사업
성과창출연도 2017
성과내용 본 연구과제를 통해 잎 형태의 CIS 박막형 태양전지와 물분해 촉매전극을 결합하여 일체형 인공잎 시스템을 개발하였다. 인공잎 디자인 시 태양전지와 촉매전극 사이에 자유공간을 삽입함으로써 시스템의 부력을 향상시켜 물위에 띄울 수 있는 새로운 구조를 제작하였다. 기존의 인공잎 시스템의 경우 광변환 효율을 극대화하기 위해 탬덤형 태양전지와 물분해 촉매를 결합한 형태로 제작되었으나, 복잡한 제작공정과 고가의 소재 비용으로 인해 상용화의 한계점을 나타내었다. 본 연구에서 제작한 인공잎은 시리즈 형태의 박막형 태양전지를 이용하여 제작단가를 낮추고 또한 광기전력 발생을 쉽게 조절하여 물분해 반응에 대한 활용성과 효율성을 동시에 높였다. 또한, 새로운 시스템 디자인을 통해서 물위에 띄운 형태로 인공잎을 제작하여 기존의 소자와는 달리 태양광 흡수를 극대화 할 수 있었다. 촉매 전극의 경우에도 산소 발생 촉매와 수소 발생 촉매를 단일 표면에 증착함으로써, 적은 양의 물이 존재하는 조건에서도 물분해 반응이 가능하도록 유도하였다. 이와 같이 새롭게 개발한 인공잎은 극소량의 물과 접촉하는 것만으로도 작동이 가능하기 때문에, 사막과 같이 물이 매우 부족한 조건에서도 작동이 가능하다. CIS박막형 시리즈 태양전지와 백금, 니켈-철 촉매를 이용하여 제작한 인공잎의 경우 수소변환효율 약3%를 얻을 수 있었으며, 보다 고효율의 태양전지인 페로브스카이트 태양전지를 이용하는 경우 10%이상의 변환 효율을 얻을 수 있었다. 미국 에너지성(DOE)에 따르면 인공광합성을 이용한 수소에너지 생산의 상용화 가능성을 태양광수소변환효율 10%이상 기준으로 삼고 있다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 인공잎 시스템은 향후 인공광합성의 상용화 가능성을 높였다는 데 큰 의의가 있으며, 동시에 기존 연구의 한계를 넘는 연구 성과로 편가될 수 있다.

       
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