초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 퀀텀와이어 기반의 독창적 구조로 나노설계된 새로운 광전극을 합성하고, 외부전압의 인가 없이 빛만으로 solar fuel을 생산하는 광전기화학셀 구조의 인공잎을 개발하였다. 또한 광흡수 효율을 극대화한 tandem PV cell과의 접합을 통해 하이브리드셀을 제작하고, 이를 기반으로 세계 최고 수준의 광전변환효율을 갖는 고효율, 고안정성의 인공잎 기술 개발을 하였다. 구체적인 목표는 ① 퀀텀와이어 기반의 이종구조 광전극을 이용한 가시광 흡광 효율과 비표면적 극대화, 효율적인 캐리어 생성/분리/전달, ②

□ 연구개요
본 연구에서는 퀀텀와이어 기반의 독창적 구조로 나노설계된 새로운 광전극을 합성하고, 외부전압의 인가 없이 빛만으로 solar fuel을 생산하는 광전기화학셀 구조의 인공잎을 개발하였다. 또한 광흡수 효율을 극대화한 tandem PV cell과의 접합을 통해 하이브리드셀을 제작하고, 이를 기반으로 세계 최고 수준의 광전변환효율을 갖는 고효율, 고안정성의 인공잎 기술 개발을 하였다. 구체적인 목표는 ① 퀀텀와이어 기반의 이종구조 광전극을 이용한 가시광 흡광 효율과 비표면적 극대화, 효율적인 캐리어 생성/분리/전달, ② 외부전압 필요 없이 작동하는 진정한 인공잎 시스템 구현, ③ 고효율의 tandem 태양전지 (PV셀) 제작, ④ 퀀텀와이어-탠덤 PV 구조의 하이브리드셀 제작 및 최적화를 통해 최고 수준 solar-to-hydrogen(STH) 효율 달성이었으며, 본 과제를 통해 대부분의 세부목표를 이룰 수 있었다.

□ 연구 목표대비 연구결과
(1) 1차년도 연구 결과
(PEC 셀) Cd계/비 Cd계 퀀텀닷과 3차원 구조 나노선 이종접합 구조를 이용한 광전 기화학 물 분해 연구를 수행하였다.
(PV 셀) CIS PV, Perovskite PV 제작 및 특성 평가를 실시하였다.

(2) 2차년도 연구 결과
(PEC 셀) ZnO:N/BiVO4:Mo의 doping을 통해 이종구조의 전하 밀도와 전하 전달 상수 증가 관찰, HER 조촉매인 Ni-Mo와 OER 조촉매인 NiFe LDHs의 합성, TRPL 분석과 finite element modeling 시뮬레이션을 통한 PEC 전극 구조의 전하 전달 속도 비교 연구를 수행하였다.
(PV 셀) 직렬 연결한 탠덤식 CIS PV, Perovskite PV 셀 구조 합성 및 특성 평가를 실시하였다.

(3) 3차년도 연구 결과
일체형 구조의 PV-electrolysis 인공잎을 제작하였으며 특히 탠덤 Perovskite PV를 이용한 인공잎의 경우 세계수준의 STH 효율을 달성할 수 있었다. 인공잎 시스템 내부에 공기층을 삽입함으로서, 시스템의 무게 밀도를 줄이고 물 위에 뜰 수 있는 부유성을 주었다. 또한 발수표면 기술을 전극 시스템에 도입하여 기체분리가 가능한 고효율 통합형 인공잎을 발명하였다

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서 최종적으로 개발된 효율적이고 독창적인 unassisted 광전기화학셀(인공잎)은 기존 인공잎 연구의 문제인 구성 소재의 고비용 문제를 극복하기 위해서 저비용의 시리즈형 CIS, Perovskite 태양전지와 고효율 비귀금속 물분해 촉매를 결합하여 인공잎 시스템의 비용을 낮추었으며 동시에 세계수준의 STH 효율을 갖는 인공잎을 개발하였다. 또한 기존 연구 계획 외에 추가적으로 전극 표면의 생체모방 표면 제어를 통해서 생성기체를 효과적으로 분리/포집하는 독창적인 기술을 개발하여 통합형의 고효율 인공잎을 개발하였으며, 이는 지금까지 시도되지 않은 창의적인 형태의 인공잎 구조이다. 본 과제를 통해서 개발된 효율적이고 독창적인 unassisted 광전 기화학셀(인공잎)은 향후 지속가능한 신재생에너지원 개발 시장에 있어서 기술적 우위를 점하여 상당한 경제적 파급효과를 낼 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 1차년도 ... 5
• (2) 2차년도 ... 9
• (3) 3차년도 ... 15
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 17
• 5. 연구성과 ... 18
• 대표적 연구실적 ... 26
• 끝페이지 ... 41