"유기물 반도체 소재를 활용하여 다양한 태양연료 생산 시스템 구현"
광전극을 이용하여 태양에너지를 화합물 상태(태양연료)의 에너지로 변환시키는 인공 광합성은 태양연료의 저장과 수송이 용이하고 다양한 형태로 에너지 소비가 가능하다는 점에서 인류의 화석 연료 의존도를 낮출 수 있는 기술로 각광받고 있다. 반도체 물질을 이용하여 태양에너지를 전기화학적 에너지로 변환시키고 이를 통해 물을 분해하여 수소를 생산하는 기술을 태양연료 생산의 일례로 들 수 있다. 이러한 기술의 상용화를 위해서는, 기존 화석연료와 대비하였을 때 경제성을 가지면서 장기 안정성과 고효율을 갖춘 인공 광합성용 소재 및 소자의 개발이 필요하다. 따라서 광전자나노소재 연구실에서는 저온에서 용액 공정이 가능하고 다양한 형태로 합성이 가능한 유기 반도체를 이용하여 경제성, 안정성, 고효율을 모두 갖춘 새로운 인공 광합성 소자를 개발하고 있다. 또한, 본 연구실에서는 소재의 디자인, 합성부터 소자의 제작에 이르기까지 전과정을 연구하고 있고 이를 통해서 수소뿐만 아니라 다양한 태양연료 생산이 가능한 시스템을 구현하고자 한다.
“Establishing the function of organic semiconductors as promising materials for solar-to-fuel energy conversion.”
Direct conversion of solar energy into solar fuels as a form of chemical energy at molecular level by photoelectrodes is a promising approach to reduce our dependence on fossil fuels and enable long-term energy storage, given the stability and transportability of chemical fuels. Of the possible approaches, using semiconductor materials to convert solar energy into electrochemical potential capable of driving water electrolysis has intrinsic thermodynamic advantages. However, the identification of ideal light harvesting semiconductors and systems that can achieve high solar-to-fuel energy conversion efficiency and robustness in an economically feasible manner still remains a main challenge.
Organic semiconductors (OSs) are exceptional components to meet these requirements, considering their unique features to be engineered at the molecular level and solution-processed at low temperature. Optoelectronic Nanomaterials Engineering Laboratory (ONEL) is directed to designing novel organic semiconductors and establishing their roles as promising materials for various solar fuel productions. More importantly, the ONEL employs an all-in-one concept incorporating material design, preparation, characterization, and demonstration of diverse platforms for solar-driven energy conversion in a single lab. By leveraging this, the ONEL carries out autonomous and systematic research with the aim of demonstrating next-generation OS-photoelectrodes and OS-photocatalysts for efficient and long-lasting production of solar fuels.