- 1 -
2023.07.10.
062-715-2970
062-715-2062
신소재공학부 이상한 교수
062-715-2314
홍보팀장 임성훈 기획부장 겸무
홍보팀 김소영 행정원
“친환경 ‘그린수소’ 생산성 높여”
효율․수명 높인 광전극 개발
-
지스트 이상한 교수 공동연구팀, 「Advanced Energy Materials」 게재
-
기존 방식 탈피… ‘손실 억제’하는 신기술 적용해 세계적 수준 광전극 개발
□ 지스트(광주과학기술원, 총장 임기철) 신소재공학부 이상한 교수가 카이
스트 서장원 교수 등과 함께 ‘광생성 캐리어*’ 손실을 억제하는 새로
운 기술을 적용해 세계적인 수준의 효율과 수명을 실현한 ‘유기금속 
할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)** 광전극’을 개발했다.
  * 광생성 캐리어: 반도체 광전극이 빛을 받을 때, 물질이 빛에너지를 흡수하여 생성
되는 전자-정공 쌍을 광생성 캐리어라고 한다. 광전극 혹은 태양전지에서는 광생
성 캐리어의 손실을 최대한 억제해야 높은 광효율을 보일 수 있다.
 ** 페로브스카이트: ABX3의 결정 구조를 갖는 유-무기 화합물로 넓은 영역의 빛을 흡
수하여 많은 광생성 캐리어를 생성할 수 있어 차세대 광반도체로서 각광받고 있다.
□ 전 세계적으로 탄소 중립이 주목받고 있는 오늘날, 수소에너지는 필수
적으로 생산해야하는 친환경 에너지다. 그러나 대부분의 수소는 화석연
료로 생산되고 부산물로 이산화탄소까지 배출하기 때문에 태양광으로 
생산한 ‘그린 수소’ 생산 기술이 반드시 필요하다.
- 2 -
 ∘ 태양광을 이용해서 그린 수소를 생산할 때는 광전기화학적 물분해* 방
법이 주로 이용된다. 광전극이 태양광을 흡수해 광생성 캐리어를 생성
하고 이 광생성 캐리어가 물을 분해해서 그린 수소를 생산하는 방식인
데, 이때 광생성 캐리어가 손실되면 광전극의 효율이 떨어지게 된다.
  * 광전기화학적 물분해: 친환경적인 그린 수소 생산방식으로, 전해질에 반도체 광전극을 
담지하며, 광전극에 빛이 입사하면 광생성 캐리어(전자-정공 쌍)가 생성되어 정공은 산
소 발생 반응에, 전자는 수소 발생 반응에 이용되는 방식으로 수소를 생산하는 방식.
□ 연구팀은 광생성 캐리어의 손실을 억제하는 두 가지 핵심 기술을 적용
해 세계적 수준의 페로브스카이트 광전극을 개발하는데 성공했다.
 ∘ 첫 번째로 단분자 유기물*인 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 광
전극의 산화주석 위에 도포해 산화주석과 페로브스카이트 경계면 사이
의 결함을 제어한 결과, 광생성 캐리어가 전기에너지로 전환되지 못하
고 열에너지로 방출되는 현상을 감소시킬 수 있었다.
 ∘ 두 번째로 광전극의 니켈 포일 보호층에 합성된 니켈-철 이중층수산화
물 촉매를 철이 도핑된 황화니켈 촉매 바꿔서 광전극과 전해질 사이
의 물분해 반응을 촉진할 수 있었다.
  * 단분자 유기물: 중합을 통해 연결된 고분자 물질과 달리, 분자량이 낮은 유기물 
분자를 일컫는 말로, 이 연구에 사용된 물질은 단분자 유기물이나 열처리를 통해 
가교결합으로 단단히 결합되는 특성을 보인다.
 ∘ 연구팀은 광전극 내부에서 결함을 제어하고 외부에서 물분해 반응을 
촉진함으로써 내‧외부 광생성 캐리어의 손실을 효과적으로 억제했다. 
그 결과 세계적 수준인 12.8%의 광전극 효율을 달성했을 뿐만 아니라 
12시간 사용 후에도 10.2%만 효율이 감소하는 높은 안정성을 얻었다.
□ 지스트 이상한 교수는 “이번 연구성과는 기존 방식을 벗어나 ‘손실 
제어’ 기술로 세계적 수준의 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 광
- 3 -
전극 제작이 가능하다는 점을 밝혀냈다”며 “차세대 광전극에 적용해 
린 수소 생산성을 높이는데 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 이 교수가 주도하고 카이스트 생명화학공학과 서장원 교수가 공동 참
여했으며 지스트 신소재공학부 최호중 박사, 한국화학연구원 김영윤 박
사, 미국 로렌스 버클리 국립연구소 서세훈 박사가 수행한 이번 연구는 
한국연구재단 미래수소원천기술개발, 중견연구자 사업, ERC 선도연구
사업과 한국화학연구원 기관주요사업의 지원을 받았다.
 ∘ 연구성과는 에너지분야의 세계적 학술지인 「어드밴스드 에너지 머티
리얼즈(Advanced Energy Materials)」에 6월 17일 게재됐다.   <끝>
- 4 -
용 어 설 명
1.
유기금속 할라이드 페로브스카이트
 ○ 유기금속 할라이드 페로브스카이트 (페로브스카이트)는 ABX3의 결정 
구조를 가지고 있으며, 페로브스카이트의 A 자리에는 주로 유기분자로 
된 양이온이 자리하고 B 자리에는 주로 금속 양이온이 자리하며, 
X자리에는 주로 할로겐 음이온이 자리한다. 본 연구에서는 (FAPbI3)0.95 
(MAPbBr3)0.05의 페로브스카이트 물질이 사용되었으며, 여기서 FA는 
포름아미디늄, MA는 메틸암모늄을 뜻한다. 페로브스카이트는 넓은 
영역의 빛을 흡수할 수 있고 전하 이동도가 좋은 물질이기 때문에 차세대 
광반도체로서 각광받고 있으나 수분에 약하기 때문에 이를 광전극에 
적용하기 위해서 높은 수준의 기술을 필요로 한다.
- 5 -
사 진 설 명
[사진1] (위) 지스트 이상한 교수, 카이스트 서장원 교수
(아래) 지스트 신소재공학부 최호중 박사, 한국화학연구원 김영윤 
박사, 로렌스 버클리 국립연구소 서세훈 박사
- 6 -
그 림 설 명
[그림1] 보호층인 니켈 포일 위에 합성된 Fe-Ni3S2와 결합된 페로브스카이트 
광양극의 모식도 
[그림2] 본 연구팀이 제작한 손실 억제 기술이 적용된 페로브스카이트 
광양극은 높은 효율 및 안정성을 달성했다. 
- 7 -
논문의 주요 정보
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명: Advanced Energy Materials (IF=29.698) (2021년 기준)
 - 논문명: Suppression of Undesired Losses in Organometal Halide 
Perovskite‐Based Photoanodes for Efficient 
Photoelectrochemical Water Splitting
 - 저자 정보: 최호중 박사(공동 제1저자, 지스트), 김영윤 박사(공동 
제1저자, 한국화학연구원), 서세훈 박사(공동 제1저자, 
로렌스 버클리 국립연구소), 서장원 교수(공동 교신저자, 
한국화학연구원, 카이스트) 이상한 교수(대표 교신저자, 
지스트)