(The tandem cell is covered with a catalyst for hydrogen formation. Credit: M. May )
지난 수십년간 많은 연구자들이 태양 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연구를 진행해 왔습니다. 태양 전지는 이미 널리 상용화가 된 상태이고 태양열 역시 점차 사용범위가 넓어지고 있습니다. 하지만 아직 인류는 태양에너지를 원하는대로 모두 활용하지 못하고 있습니다.
이를 극복하기 위한 연구는 계속 진행 중인데, 그중에서도 태양광 에너지로 부터 직접 원하는 물질을 얻어내는 연구가 진행 중입니다. 이는 식물이 태양광 에너지를 전기가 아니라 화학 에너지의 형태로 전환하는 것과 비슷하기 때문에 인공 광합성이라고 부르기도 합니다. 물론 이를 통해서 포도당 같은 복잡한 물질을 생산하기 보다는 수소처럼 더 쉽게 다룰 수 있는 에너지원을 생산한다는 차이가 있지만 말이죠.
지금까지 여러 가지 다양한 방법이 태양에너지를 이용해서 수소를 생산하는데 동원 되었습니다. 태양열을 이용해서 열분해를 하는 방법부터 박테리아를 이용하는 방법, 그리고 태양전지셀을 이용하는 방법 등 여러 가지 방식이 존재하지만 가장 간단한 방법은 태양광 에너지로 직접 물을 수소와 산소로 분리하는 방식일 것입니다.
최근 독일과 미국의 여러 연구 기관( Helmholtz-Zentrum Berlin, TU Ilmenau, Fraunhofer ISE and California Institute of Technology)의 연구자들은 태양광 수소 전지의 에너지 효율에서 새로운 신기록을 수립했다고 저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표했습니다. 이들이 세운 기록은 14%로 아주 높지는 않지만, 이전에 세운 12.4%를 17년만에 넘어선 기록이라고 합니다.
연구의 주저자인 마티어스 메이(Matthias May, active at TU Ilmenau and the HZB Institute for Solar Fuels)와 그의 동료들은 새로운 기록을 수립하기 위해서 가능한 모든 물질을 검토했다고 합니다. 이들이 사용한 물질은 III-V 반도체로 결국 하나의 셀에서 물을 분해하는 광-전기 화학 셀(photo-electrochemical )을 만드는데 성공했습니다. (위의 개념도)
(This small device converts 14 % of the incoming solar energy into chemical energy (in the form of hydrogen). Credit: M. May )
이 정도 효율이라면 경제적인 수소 생산을 고려할수도 있을 것 같지만, 사실은 아직 갈길이 먼 상태입니다. 이번 연구에서 태양화학 전지의 수명은 40시간 정도였습니다. 당연한 이야기지만 매우 내구성이 길지 않다면 경제적인 양산은 불가능합니다. 적어도 수년 이상, 많게는 10년 이상 사용할 수 있어야 설치비 등을 빼고도 경제적인 수소 생산이 가능하기 때문이죠.
연구팀의 다음 목적은 내구성을 1000시간 이상으로 끌어올리는 것입니다. 현재까지 연구에서 문제점은 내구성이 좋으면 효율이 낮고 효율이 좋으면 내구성이 짧다는 것이었습니다. 당연히 앞으로의 연구 과제는 효율이 좋으면서도 내구성이 길고 가격이 저렴한 소재를 개발하는 것입니다. 이것이 가능하다면 지금까지는 실험실의 영역에 머물러 있는 태양광 - 수소 전지가 현실 세계로 들어오게 될 것입니다.
참고
댓글
댓글 쓰기