[에듀플러스]한국외대 이종접합 반도체 광전극 개발, 차세대 광전화학 전지 성능 획기적 향상

임주원 한국외대 반도체전자공학부 교수(사진=한국외대)

한국외국어대학교는 임주원 공과대 반도체전자공학부 교수 연구팀이 중국 Northeast Petroleum University Huan Wang 교수팀과 공동 연구를 통해 차세대 친환경 에너지 변환 기술인 광전화학(photoelectrochemical, PEC)전지의 성능을 향상시킨 '광전극(photoanode)'을 개발했다고 18일 밝혔다.

이번 연구에서 임 교수팀은 몰리브덴 도핑 텅스텐 산화물(Mo-WO₃)과 세륨 산화물(CeO₂)을 결합해 S-scheme 이종접합(heterojunction)구조를 구현했다.

광전자와 정공의 분리 효율을 극대화해 기존 광전극의 주요 한계였던 전하 재결합 손실(recombination loss)을 획기적으로 억제하고, 빛을 이용한 고효율 전력 생산이 가능함을 입증했다.

특히 이번에 개발된 복합체 광전극(Mo-WO₃/CeO₂ S-scheme)은 과산화수소(H₂O₂)를 매개로 하는 신형 광전화학 전지(H₂O₂ PEC cell)에 적용돼 기존 WO₃ 기반 전극 대비 4배 이상 높은 H₂O₂ 생성 효율과 2.55배 향상된 전력 밀도(5.79 mW/cm²)를 달성했다.

또한 해당 전지는 초고용량 커패시턴스(capacitance)와 12시간 동안 54% 용량 유지율을 보여, 광에너지 변환과 동시에 에너지 저장 및 전력 공급 기능을 모두 구현하는 올인원(All-in-one) 에너지 시스템의 가능성을 제시했다.

이와 같은 성능 향상은 반도체의 밴드 구조 제어를 통해 전자공학적 설계 개념을 광전화학 시스템에 융합한 대표적 사례로 평가된다.

임주원 교수는 “이번 연구는 반도체 소자의 전하 이동 제어와 결함공학(defect engineering) 개념을 에너지 변환 소자에 접목한 것으로, 태양광 발전·연료 저장·전력 생산을 하나의 시스템에서 통합 구현한 혁신적인 접근”이라며 “향후 반도체 기반 수소 생산, 자가발전형 센서, 광촉매 반응 소자 등 다양한 응용 연구로 확장될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 'Journal of Materials Science & Technology'에 게재됐으며 동 저널은 JCR 기준 금속공학(Metallurgy & Metallurgical Engineering) 분야 전 세계 상위 1%에 해당하는 최우수 학술지다.

권미현 기자 mhkwon@etnews.com