신소재공학과(AMSE) 조형균 교수 연구팀의 김영빈 연구원(석박통합 5학기)이 광전기화학물분해의 핵심 요소 중 하나인 양극 소재의 선정에서 작은 밴드 갭 및 작은 일함수를 갖는 물질의 중요성을 설명하고, 전기화학적 물 분해 과정 중 발생하는 표면 전하의 강반전 거동 기구를 새롭게 제안했다. 

이를 검증하기 위해 신소재 이원계 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)의 합성 공정을 제어하여 n형 광양극 소재를 개발했으며, 기준 조명(1태양) 및 기준 전압(표준 수소 전극 기준 1.23V) 하에서 5mA/cm2의 매우 높은 전류 밀도를 발생시켰다. 이 과정에서 물질의 표면 전하 축적 개념을 제안 및 분석하여 강반전이 일어나는 영역에서부터 높은 전류 밀도가 관찰됨을 확인했다.

석유 에너지를 대체할 신재생 에너지로써 친환경적이며 높은 효율을 보이는 수소 에너지와 빛을 이용해 전기화학적으로 물에서 수소와 산소를 발생시키는 연구가 최근 주목 받고 있다. 이에 따라 태양광 하에서 높은 전류를 발생시키는 양극소재에 대한 연구가 진행되어 왔으나, 기존 연구는 주로 밴드갭이 넓어 가시광 영역을 활용하기 어려운 산화물에 집중되었다. 이러한 산화물은 촉매 물질 없이는 가시광 영역에서 매우 낮은 효율을 보이고 있다.

본 연구에서는 가시광을 활용할 작은 밴드 갭의 칼코제나이드 신소재 개발에 집중해 광양극으로의 활용을 가능하게 했다.

연구팀은 칼코제나이드 물질의 전도성 결정에 영향을 미치는 결함을 제어하도록 공정 분위기 조절로 광양극의 조성을 제어했다. 그 중에서도 셀레늄(Se)원소의 결함이 전도성을 크게 좌우함을 이론적으로 확인했고, 그 함량이 증가할수록 p형 전도성을 억제할 수 있음을 파악했다. 

이러한 정보를 기반으로 공정 중 쉽게 발생하는 셀레늄(Se) 손실을 막기 위해 셀레늄(Se) 함량이 높은 전구체를 준비해 n형 전도성을 갖는 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)를 구현했다. 이로써 기존의 n형 반도체가 갖는 가시광 흡수 효율을 개선할 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 현재 보고된 n형 반도체 물질 중에서도 가장 높은 수준의 광전류 밀도가 발생함을 확인했다.

김영빈 연구원은 “광전극 소재의 표면에서 발생하는 표면 전하의 축적 상태(강반전)에 따라 발생하는 광 전하의 분리 및 이동 효율이 향상됨을 관찰했고, 이러한 개념을 해석하기 위해 표면 전하 축적 상태를 측정하여 n형 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)의 에너지 밴드 구조를 구현했다.”며, 이를 통해“표면의 강반전 상태와 광전류의 급증 영역이 일치함을 확인했다.”고 전했다.

연구팀은 가해진 전압과 빛의 유무에 따른 에너지 밴드 구조의 굽힘 현상의 변화를 디자인해 강반전 상태를 구현하기 위해 필요한 조건(작은 밴드 갭과 일 함수)을 제시했다.

신소재공학과 석박통합과정 김영빈 연구원이 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '에너지 & 인바이런먼탈 사이언스 (Energy & Environmental Science, IF 30.067)에 온라인 게재되었다. (2018.06.20.)