[논문]유기 금속 할라이드 페로브스카이트에 기반한 태양광 물분해

오일환

doi:10.5229/jkes.2017.20.1.18

유기 금속 할라이드 페로브스카이트에 기반한 태양광 물분해
Solar Water Splitting Based on Organic Metal Halide Perovskites 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.20 no.1, 2017년, pp.18 - 25

초록
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본 총설에서는 최근 전세계적으로 각광 받고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트 소재에 기반한 태양광 물분해 연구에 대해 정리하였다. 크게, 현재까지 연구보고들을 태양전지-전기분해기 구성 (photovoltaic-electrolyzer configuration) 및 통합 태양광 물분해 (integrated photoelectrolysis)로 분류하여 최근 연구결과들을 소개하였다. 해당 분야 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 향후 효과적인 보호막 개발, 고전압 텐덤전지 제작 등이 필요함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this review, I have summarized the solar water splitting research based on the organic metal halide perovskite material, which has recently been spotlighted worldwide. Significantly, to date, recent reports have been categorized as photovoltaic-electrolyzer configuration and integrated photoelectrolysis. Research in this field is still in its early stages, and it is necessary to develop an effective protection film and manufacture a high-voltage tandem cell in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 단점을 보완하기 위해 이른바 에너지 저장 장치 (energy storage system; ESS)가 필수적이며, 태양광 에너지로 물을 분해하여 수소 연료를 생산하는 태양광 물분해 (solar water splitting)는 좋은 후보 중 하나이다.^12-15)본 총설은 최근 차세대 광전소자 재료로 부상하고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트에 기반한 태양광 물분해 분야 최근 연구 보고들을 살펴 보았다. 우선, 페로브스카이트 태양전지와 물분해 장치를 독립적으로 구성하여 전기적으로 연결한 태양전지-전기분해기 (photovoltaic-electrolyzer configuration) 구성을 이용한 연구결과에 대해 살펴보고, 다음으로 태양전지와 물분해 전극이 통합된 통합 태양광 물분해 구성 (integrated photoelectrolysis)을 이용한 연구결과에 대해 정리하였다.
^12-15)본 총설은 최근 차세대 광전소자 재료로 부상하고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트에 기반한 태양광 물분해 분야 최근 연구 보고들을 살펴 보았다. 우선, 페로브스카이트 태양전지와 물분해 장치를 독립적으로 구성하여 전기적으로 연결한 태양전지-전기분해기 (photovoltaic-electrolyzer configuration) 구성을 이용한 연구결과에 대해 살펴보고, 다음으로 태양전지와 물분해 전극이 통합된 통합 태양광 물분해 구성 (integrated photoelectrolysis)을 이용한 연구결과에 대해 정리하였다.
필드 금속은 섭씨 100도 이하에서 쉽게 녹아 페로브스카이트 층 상부에 쉽게 도포될 수 있는 유용한 물질이다. 이 연구는 필드 금속을 이용하여 제작된 광전극으로 광전압 0.95 V, 광전류 9.8 mA/cm²(@ 0.0 V vs. RHE)를 얻었으며, 1시간동안 지속적으로 태양광 물분해를 수행한 후에도 약 80%의 성능이 유지 되는 뛰어난 안정성을 보고하였다.
^20,21) 즉, 태양전지-전기분해기 구성 에서는 입사되는 광자의 에너지 중 일부만 전기에너지로 변환되고 나머지는 버려지는데 반해, 통합 태양광 물분해 구성에서는 여분의 에너지가 계면의 온도를 높여서 전기화학 반응속도를 빠르게 하여 전체적인 시스템 효율을 높일 수 있기 때문이다. 이하에서는 페로브스카이트를 이용한 통합 태양광 물분해 구성에 대한 연구보고들을 정리하였다.

가설 설정

An inverted p-i-n configuration was used, with the general FTO/PEDOT:PSS/perovskite/PCBM/PEIE:Ag structure. (b) Scheme of the solar cell adapted as a photocathode for solar H₂ production. The structure remains the same, but an extra metal-encapsulating layer of FM and Pt as a HEC are added on top of the Ag layer.
16) 페로브스카이트 텐덤전지를 구성한 것은 물분해 반응에 필요한 충분한 전압을 내기 위한 것이다. 물분해를 위한 환원 및 산화 반응은 각각 다음과 같다.

제안 방법

3]에 Kamat 연구팀은 페로브스카이트와BiVO₄를 활용하여 새로운 구조의 태양광 물분해 전지를 구성하였다. ¹⁸⁾ 이 연구결과는 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지를 전기분해 셀의 외부에 놓고, 전기분해 셀 내부의 BiVO₄ 광전극과 전기적으로 직렬연결한 텐덤전지를 제작하였다. 위에 기술된 Gratzel 연구팀의 텐덤전지가 동일한 밴드 에너지를갖는 두 개의 페로브스카이트 태양전지를 직렬연결한 것과 달리, 이 연구에서는 밴드 에너지가 상이한 물질을 사용하였다.
1 V 정도이므로, 단일 전지로는 외부 전압공급 없이 독립적인 물분해가 불가능하여, 2개의 태양전지를 직렬연결하여 독립적인 물분해가 가능토록 했다. 또한 이 연구보고에서는 기존 물분해 촉매로 많이 사용되던 Pt, Ru, Ir 등 고가 귀금속을 배제하고, 보다 경제적인NiFe 촉매를 사용하여 전체적인 경제성을 높였다. 이러한 결합을 통해, 물분해 광전류가 약 10 mA/cm²을보였으며, 이는 12.
¹⁷⁾ 여기서 이용된 인공광합성 반응은 이산화탄소 (CO₂)를 일산화탄소 (CO)로 환원시키는 것이다. 삼중으로 직렬연결된 페로브스카이트 태양전지의 고전압을 IrO₂및 Au 전극에 가하여 이산화탄소 환원반응을 수행하였다.
5 V 이상의 전압을 가해주어야 한다. 페로브스카이트 태양 전지의 개방전압 (open circuit voltage)가 0.9~1.1 V 정도이므로, 단일 전지로는 외부 전압공급 없이 독립적인 물분해가 불가능하여, 2개의 태양전지를 직렬연결하여 독립적인 물분해가 가능토록 했다. 또한 이 연구보고에서는 기존 물분해 촉매로 많이 사용되던 Pt, Ru, Ir 등 고가 귀금속을 배제하고, 보다 경제적인NiFe 촉매를 사용하여 전체적인 경제성을 높였다.

대상 데이터

또한, 이연구에서는 하부 페로브스카이트 물질을 보호할 수 있는 보호막으로 필드 금속 (Field’s metal)을 이용하였다.
¹⁸⁾ 이 연구결과는 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지를 전기분해 셀의 외부에 놓고, 전기분해 셀 내부의 BiVO₄ 광전극과 전기적으로 직렬연결한 텐덤전지를 제작하였다. 위에 기술된 Gratzel 연구팀의 텐덤전지가 동일한 밴드 에너지를갖는 두 개의 페로브스카이트 태양전지를 직렬연결한 것과 달리, 이 연구에서는 밴드 에너지가 상이한 물질을 사용하였다. 즉, BiVO₄는 밴드갭이 커서 고에너지 광자를 흡수하고, 페로브스카이트는 밴드갭이 작아서 상대적으로 저에너지 광자를 흡수하게 되는데, 이론적으로 상이한 밴드갭을 갖는 텐덤전지의 효율이 더 높다.

성능/효과

6]에 Oh 등이 보고한 연구보고를 나타내었다.²³⁾ 페로브스카이트 태양전지의 소자구조는 기존과 유사 하나 전공수송층 (hole transfer layer)가 최적화 되었다. 즉, HTL 증착시 결함을 최소화하고 탄소나노튜브 /고분자 복합재를 이용하여 하부 페로브스카이트 층을더 효과적으로 보호할 수 있도록 했다.
²²⁾ 전형적인 페로브스카이트 태양전지 구조, 즉 TiO₂/perovskite/spiro-MeOTAD/Au 소자구조에 더하여 Ni 층을 전기화학 반응 촉매 및 하부 페로브스카이트 보호막으로 증착하였다. Ni 층의 두께가 상당히 얇음에도 불구하고 부재시에 비해 하부 페로브스카이트 층을 전해액으로부터 상당 시간 (~수십초) 보호할 수 있음을 보였다. 단일 페로브스카이트 태양전지를 사용하므로 광전압은 약 0.
즉, HTL 증착시 결함을 최소화하고 탄소나노튜브 /고분자 복합재를 이용하여 하부 페로브스카이트 층을더 효과적으로 보호할 수 있도록 했다. 결과적으로 광전극의 수명이 수십 분까지 향상되었다. 외부 전압을인가하여 완전한 물분해 반응 수행이 가능함을 보였다
9 V 수준이어서 독립적인 물분해를 할 수는 없었으며, 대신에 S^2-를 희생제 (sacrificial agent)로 사용하였으므로, 엄밀한 의미에서 물분해 전극이라 볼 수는 없다. 광전극의 물분해 반응 후 단면분석을 통해, 물분자의 침투가 소자 면적 전체에 대해 이루어지기 보다는 상부층의 결함 (pinhole)을 통해 이루어짐을 보였다. 페로브스카이트 물질을 사용한 최초의 통합 광전기화학 연구보고라는데 의미가 있지만, 우려했던 대로 페로브스카이트 물질이 수용액에 매우 취약하여 기존 소자 구조 및 재료로는 안정성 확보에 한계가 있음을 알 수 있다.
최근에는 태양전지 원료의 급격한 원가 하락과 기술 개선에 의해 태양광 일사량이 좋은 지역에서 결정질 실리콘 (crystalline silicon) 태양전지가 이른바 ‘전력망 등가성 (grid parity)’ ― 태양광 발전에서 생산된 전기의 가격이 기존 전기 가격과 같아지는 시점 ― 을 달성하게 되었다. 기존 시장 지배적인 실리콘 태양전지 패널의 가격이 지난 10여년간 급속히 하락하여 태양광 발전소 전체 비용에서 태양전지 패널이 차지하는 비율은 약 30%로 낮아졌다. 따라서, 현재 태양광 기술 상황에서는 태양전지 단가를 낮추는 것 이상으로 에너지 변환 효율을 높이는 것이 태양광 발전의 에너지 가격 (levelized cost of energy; LCOE)을 낮추는데 더 크게 기여한다.
결과적으로 광전극의 수명이 수십 분까지 향상되었다. 외부 전압을인가하여 완전한 물분해 반응 수행이 가능함을 보였다
²³⁾ 페로브스카이트 태양전지의 소자구조는 기존과 유사 하나 전공수송층 (hole transfer layer)가 최적화 되었다. 즉, HTL 증착시 결함을 최소화하고 탄소나노튜브 /고분자 복합재를 이용하여 하부 페로브스카이트 층을더 효과적으로 보호할 수 있도록 했다. 결과적으로 광전극의 수명이 수십 분까지 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전은 어떤 기술인가?	2015년 파리 기후 협약을 통해 전세계는 광범위한 화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 배출이 지구온난 화의 원인임을 확인하고, 기존 화석연료 에너지 기술을 대체할 수 있는 신재생 에너지 기술을 적극적으로 도입하여 이 문제에 대응해야 한다고 천명하였다.1) 다양한 재생가능 에너지원 중에서 태양광 발전은 태양광 에너지를 전기로 변환하는 기술로서, 보편적이고 평등하며, 에너지 변환 효율이 높고 상용화가 성공적으로 진행된 기술이다. 최근에는 태양전지 원료의 급격한 원가 하락과 기술 개선에 의해 태양광 일사량이 좋은 지역에서 결정질 실리콘 (crystalline silicon) 태양전지가 이른바 ‘전력망 등가성 (grid parity)’ ― 태양광 발전에서 생산된 전기의 가격이 기존 전기 가격과 같아지는 시점 ― 을 달성하게 되었다.
	태양전지를 사용하는 태양광 발전의 단점은?	높은 효율은 시연되었지만, 안정성 및 장기 신뢰성은 아직 연구가 필요한 부분이다. 한편, 다양한 장점에도 불구하고 태양전지를 사용하는 기존 태양광 발전의 한가지 단점은 발전된 전기를 저장하거나 발전 시점을 제어할 수 없다는 것이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 이른바 에너지 저장 장치 (energy storage system; ESS)가 필수적이며, 태양광 에너지로 물을 분해하여 수소 연료를 생산하는 태양광 물분해 (solar water splitting)는 좋은 후보 중 하나이다.
	페로브스카이트 기반 통합 태양광 물분해 구성이 태양전지-전기분해기 구성보다 좋은 이유는?	이는 학문적으로도 흥미로운현상이 많을 뿐 아니라, 실제 장치 구성에서도 차지하는 공간을 최소화할 수 있고, 또한 이론적으로 입사되는 광에너지를 더 효과적으로 변환할 수 있는 가능성이 있기 때문이다.20,21) 즉, 태양전지-전기분해기 구성 에서는 입사되는 광자의 에너지 중 일부만 전기에너 지로 변환되고 나머지는 버려지는데 반해, 통합 태양광 물분해 구성에서는 여분의 에너지가 계면의 온도를 높여서 전기화학 반응 속도를 빠르게 하여 전체적인 시스템 효율을 높일 수 있기 때문이다. 이하에서는 페로브스카이트를 이용한 통합 태양광 물분해 구성에 대한 연구보고들을 정리하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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