초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 외부전압 인가 없이 빛만으로 수소를 생산하는 자가구동 태양광 물분해 인공잎 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 경제적인 비귀금속 촉매소재를 활용하였으며 세계 최고 수준인 14%의 광전변환 효율을 달성하였다. 또한 생체모방을 활용한 표면제어를 통해서 고비용의 분리막 필요 없이 생성기체를 효과적으로 분리/포집하는 기술을 개발하여, 이를 물분해 시스템과 결합한 고효율 통합형 인공잎을 개발하였다. 구체적인 목표는 ① CIGS, Perovskite 기반 저비용 시리즈 태양전지 개발, ② 비귀금속 나노구조를 활용

□ 연구개요
본 연구에서는 외부전압 인가 없이 빛만으로 수소를 생산하는 자가구동 태양광 물분해 인공잎 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 경제적인 비귀금속 촉매소재를 활용하였으며 세계 최고 수준인 14%의 광전변환 효율을 달성하였다. 또한 생체모방을 활용한 표면제어를 통해서 고비용의 분리막 필요 없이 생성기체를 효과적으로 분리/포집하는 기술을 개발하여, 이를 물분해 시스템과 결합한 고효율 통합형 인공잎을 개발하였다. 구체적인 목표는 ① CIGS, Perovskite 기반 저비용 시리즈 태양전지 개발, ② 비귀금속 나노구조를 활용한 고효율 HER/OER 촉매 개발, ③ 저비용 고효율 PV-electrolysis를 활용한 세계 최고 수준 광수소 변환효율 (STH 10%) 달성, ④ 표면제어를 통한 전극표면 기포 거동 제어 기술과 자가구동 인공잎을 결합하여 분리막 필요없는 통합형 인공잎 개발이었으며 본 과제를 통해 목표 달성을 완수하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
[CIGS, Perovskite 태양전지 개발]
직렬 연결한 탠덤식 CIGS 태양전지와 Perovskite 태양전지를 제작하고, 소자의 특성 평가를 실시하였다. 제작된 시리즈형 태양전지 소자는 물분해 수소생산에 필요한 2V 이상의 충분한 기전력을 제공하여 자가구동 물분해 인공잎 제작에 활용되었다.

[비귀금속 HER, OER 물분해 촉매 개발]
Pt, Ir 귀금속 전기화학촉매를 대체하는 다양한 비귀금속 촉매 소재를 합성하였다. Ni, Co, Mo, Fe, W 등 다양한 물질을 기반으로 하여 낮은 과전압을 나타내며 안정성이 우수한 HER/OER 물분해 촉매소재를 합성하였다.

[고효율(STH 10% 이상) PV electrolysis 시스템 구현]
저비용 태양전지와 비귀금속 전기화학 촉매를 연결하여 저비용의 PV-electrolysis 시스템을 완성하였다. Perovskite PV와 비귀금속 HER, OER 촉매를 연결한 인공잎의 경우 최종 STH 목표였던 10%를 초과 달성하여 14%의 효율을 얻을 수 있었다.

[자가구동 물분해와 Membrane 없는 가스분리를 결합한 통합형 인공잎 개발]
인공잎 시스템 내부에 공기층을 삽입함으로써 시스템의 무게 밀도를 줄이고 물 위에 뜰 수 있는 부유성을 제공하였다. 또한 발수표면 처리 기술을 전극 시스템에 도입하여 분리막 없이 기체분리가 가능한 고효율 통합형 인공잎을 개발하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 최종적으로 개발된 효율적이고 독창적인 자가구동 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 STH 효율 10 % 이상 최고효율의 인공잎을 개발하였다. 또한 추가적으로 전극의 생체모방 표면제어를 통해서 고비용의 분리막 필요 없이 생성기체를 효과적으로 분리/포집하는 독창적인 기술을 개발하여, 이를 통합형 인공잎 개발에 적용하였다. 본 시스템은 지금까지 시도되지 않은 창의적인 인공잎이다. 본 과제를 통해서 전기화학 촉매 소재, 인공잎 시스템 제작, 기체분리, 표면처리 기술은 다양한 차세대 그린 에너지 소재/소자 개발에 적용 가능하며, 재생에너지 관련 연구소, 기업, 학계 등에서 활용할 수 있다. 본 기술은 향후 지속 가능한 신 재생에너지원 개발에 있어서 기반기술로 활용되어 추후 관련 산업 분야에 상당한 경제적 파급 효과를 낼 것으로 기대하고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• I. 연구 목표 ... 4
• II. 연구 수행 내용 및 연구결과 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 15
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 15
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 참고문헌 ... 18
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 25
• 끝페이지 ... 40