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2015년 7월 22일 수요일

10배나 효율이 좋은 태양 연료 전지


 태양 전지는 이미 세계적으로 널리 사용되고 있으며 태양광은 이미 거대한 산업이라고 볼 수 있는 수준까지 성장했습니다. 지속 가능한 친환경 에너지에 대한 수요가 높아지는 상황에서 이와 같은 현상은 당연하지만 태양 전지에는 아직 해결하지 못한 문제점들이 존재합니다. 그것은 바로 태양이 뜰때만 전기를 생산할 수 있다는 것입니다.

 필요는 발명의 어머니라고 이를 해결하기 위한 여러 가지 아이디어들이 등장하고 있는데, 그중에는 아예 발상을 전환하는 경우도 있습니다. 이전에 소개한 광전기 화학 셀(photoelectrochemical cell (PEC))은 광화학 반응을 이용하는 방식인데 여기서 더 나아가 태양 에너지를 이용해서 물을 수소와 산소로 분해하는 방식의 태양 연료 전지(Solar fuel cell) 도 연구 중에 있습니다. 이런 방식들은 바로 사용해야하는 전기를 만드는 대신 다른 방법으로 에너지를 생산하기 때문에 유망하다고 하겠습니다.
 하지만 사실 현재까지 개발된 태양 전지 가운데 태양광 전기 방식 만큼 효율이 높고 경제성이 있는 방식이 없는 것도 사실입니다. 태양 연료 전지는 태양 에너지와 촉매를 이용해서 수소를 생산하는 만큼 비가 오거나 밤이 되서 생산을 잠시 못하더라도 큰 문제가 생기지는 않습니다. 생산된 수소는 그 자체로 이용할 수도 있고 다른 용도 (예를 들어 피셔 트롭쉬 공법과 유사한 방식으로 탄화 수소 연료를 생산)로 사용할 수 있습니다. 문제는 생산 효율이 낮다는 것입니다.
 네덜란드의 아인트호벤 공과대학(Eindhoven University of Technology)과 기초 소재 연구소(FOM)의 연구자들은 저널 Nature Communications  에 기존의 태양 연료 전지의 효율을 크게 높인 새로운 방법을 발표했습니다.
 이들이 주목한 소재는 갈륨 인 gallium phosphide (GaP)입니다. 이 물질은 태양광을 이용한 광음극(photocathod) 소재로 적합한 특징을 가지고 있지만, 물을 수소와 산소로 바꾸는 효율이 너무 낮다는 문제점이 있었습니다.
 연구팀은 반응 면적을 넓히기 위해서 90nm 두께에 500nm 길이를 가진 나노와이어를 이용해서 효율을 10배 정도 향상시켰습니다. 이는 주목할만한 성과이지만, 같은 면저의 태양전지와 비교해서 아직도 에너지 효율이 15% 수준밖에 되지 않는다는 것은 극복해야할 과제라고 하겠습니다.


​(갈륨 인 나노와이어.  Array of nanowires gallium phosphide made with an electron microscope. Credit: Eindhoven University of Technology. )


 앞서 언급했듯이 필요는 발명의 어머니입니다. 수요가 예상되는 만큼 앞으로 경제성 있는 효율을 달성하기 위한 연구는 계속될 것입니다.

 참고 ​


 
"Efficient water reduction with gallium phosphide nanowires," Nature Communications (17 July 2015) DOI: 10.1038/nscomms8824 
 


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