임주원 우리학교 공과대학 반도체전자공학 교수(이하 임 교수) 연구팀이 중국 동북석유대학교(Northeast Petroleum University) 후안 왕(Huan Wang) 교수팀과 이종접합 반도체 광전극 관련 공동 연구를 진행했다. 이를 통해 임 교수 연구팀은 차세대 친환경 에너지 변환 기술로 주목받는 광전화학 전지의 성능을 획기적으로 향상시킨 신개념 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구에서 임 교수팀은 몰리브덴도핑 텅스텐(Tungsten) 산화물(Mo胇O₃)과 세륨(cerium) 산화물(CeO₂)을 결합해 S-scheme 이종접합(Heterojunction) 구조를 구현함으로써 광전자와 정공의 분리 효율을 극대화했다. 이를 통해 기존 광전극의 주요 한계였던 전하 재결합 손실을 획기적으로 억제하고 빛을 이용한 고효율 전력 생산이 가능함을 입증했다.

특히 이번에 개발된 Mo胇O₃/CeO₂ S-scheme 복합체 광전극은 과산화수소(H₂O₂)를 매개로 한 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 57,834 mF/cm²의 초고용량 커패시턴스(Capacitance)와 12시간 동안 54% 용량 유지율을 보여 광에너지 변환과 동시에 에너지 저장 및 전력 공급 기능을 모두 구현하는 올인원 에너지 시스템의 가능성을 제시했다.

이러한 성능 향상은 Mo 도핑*에 따른 산소 결함(Oxygen Vacancy) 생성과 S-scheme 내부 전기장 기반의 효율적 전하 이동 경로 덕분으로 반도체의 밴드 구조 제어를 통해 전자공학적 설계 개념을 광전화학 시스템에 융합한 대표적 사례로 평가된다.

임 교수는 “이번 연구는 반도체 소자의 전하 이동 제어와 결함공학(Defect Engineering) 개념을 에너지 변환 소자에 접목한 것으로 △연료 저장△전력 생산△태양광 발전을 하나의 시스템에서 통합 구현한 혁신적인 접근이다”며 “△광촉매 반응 소자△반도체 기반 수소 생산△자가발전형 센서 등 향후 다양한 응용 연구로 확장될 것이다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 Journal of Materials Science & Technology에 게재됐으며 해당 저널은 JCR** 기준 금속공학분야 전 세계 상위 1%에 해당하는 최우수 학술지이다.

*Mo 도핑: 재료에 ‘몰리브데넘’(Molybdenum, 원소기호 Mo)을 소량 첨가해 전기적물리적 특성을 조절하는 반도체소재 분야의 도핑 방법

**JCR(Journal Citation Reports): 전 세계 학술지의 영향력과 등급을 공식적으로 평가하는 보고서

한영빈 기자 09youngbin@hufs.ac.kr