한국외대 임주원 교수팀, 전력 밀도 2.5배 높인 반도체 광전극 개발

광전자-정공 분리 극대화…기존 광전극 단점 극복

한국외대 반도체전자공학부 임주원 교수. /한국외대

한국외국어대학교(한국외대) 임주원 반도체전자공학부 교수 연구팀이 신개념 반도체 광전극을 개발했다. 차세대 친환경 에너지 변환 기술로 주목받는 광전화학(PEC) 전지의 성능을 향상시킨 결과물이다.

21일 한국외대에 따르면 임 교수팀은 중국 동북석유대학 후안 왕 교수팀과 진행한 이번 공동 연구에서 전하 재결합 손실을 획기적으로 억제하고 빛을 이용한 고효율 전력 생산이 가능하다는 점을 입증했다. 광전자와 정공의 분리 효율을 극대화해 기존 광전극의 단점을 극복한 것이다.

이번 연구는 몰리브덴 도핑 텅스텐 산화물(Mo-WO₃)과 세륨 산화물(CeO₂)을 결합해 이종접합 구조를 구현한 것이 핵심이다. 특히 이번 광전극은 과산화수소(H₂O₂)를 매개로 한 신형 광전화학 전지에 적용돼, 기존보다 4배 이상 높은 과산화수소(H₂O₂) 생성 효율과 2.55배 향상된 전력 밀도를 달성했다.

또 초고용량 커패시턴스(capacitance)와 12시간 동안 54% 용량 유지율을 보여, 광에너지 변환과 동시에 에너지 저장 및 전력 공급 기능을 모두 구현하는 올인원(All-in-one) 에너지 시스템의 가능성을 제시했다.

임 교수는 "이번 연구는 반도체 소자의 전하 이동 제어와 결함공학 개념을 에너지 변환 소자에 접목한 것으로, 태양광 발전·연료 저장·전력 생산을 하나의 시스템에서 통합 구현한 혁신적인 접근"이라며 "향후 반도체 기반 수소 생산, 자가발전형 센서, 광촉매 반응 소자 등 다양한 응용 연구로 확장될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 금속공학 분야 전 세계 상위 1%에 해당하는 국제 저명 학술지 'Journal of Materials Science & Technology'에 게재됐다.