(The transparent anti-corrosion layer contains Rhodium nanoparticles as a catalyst. Credit: ACS Energy Letters.)
국제 과학자팀이 역대 최고 효율의 태양광 - 수소 생산이 가능한 태양 전지를 개발했습니다. 태양에너지를 이용해 수소를 생산하는 방법은 다양하지만, 가장 간단한 방법은 태양 전지에서 나오는 전기로 바로 물을 전기 분해하는 것입니다. 물론 말처럼 쉬운 일은 아니지만, 앞서 소개한 것처럼 많은 과학자들이 이 연구에 도전하고 있습니다. 이전에도 같은 제목으로 비슷한 연구를 자주 소개했는데, 이는 그만큼 연구가 활발히 이뤄져 새로운 기록이 수립되기 때문입니다.
캘리포니아 공대, 케임브리지 대학, 일메나우 공대, 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소 (California Institute of Technology, the University of Cambridge, Technische Universität Ilmenau, and the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)의 과학자들은 로듐 나노입자 (rhodium nanoparticles) 촉매와 결정 산화티타늄 (titanium dioxide) 코팅을 지닌 III-V 반도체 텐덤 태양 전지로 19%의 태양광 수소 에너지 전환 효율을 달성했습니다. 이 방식으로는 역대 최고 기록입니다.
연구팀은 높은 효율과 내구성을 확보하기 위해 태양 전지 표면을 산화 티타늄 결정층으로 코팅했습니다. 얇고 투명한 코팅층은 로듐 나노입자가 들어있어 촉매 역할을 합니다. 따라서 이 전지를 물에 넣으면 한쪽에서는 산소가 나오고 반대쪽에서는 수소가 나오게 됩니다. (모식도 참조)
새로운 부식 방지층(transparent anti-corrosion layer)의 도입으로 태양 전지의 수명은 100시간 정도로 늘어났고 효율도 더 좋아지긴 했지만, 아직 상용화를 위해서 갈길은 먼 상태입니다. 태양 - 수소 전지의 수명이 수십 년 정도로 길어야 할 뿐 아니라 가격도 저렴해야 하기 때문입니다. 특히 로듐 같은 비싸기로 유명한 물질 대신 매우 저렴하고 흔한 물질을 이용한 촉매를 개발해야 할 필요가 있습니다.
연구팀은 이론적인 최대 효율을 23%로 예상했습니다. 10% 선을 넘은 후 이제 20% 돌파를 눈앞에 둔 셈인데, 앞으로 더 효율적이고 저렴하면서 내구성이 좋은 태양 - 수소 전지가 등장할 수 있기를 기대해 봅니다.
참고
Wen-Hui Cheng et al, Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency, ACS Energy Letters (2018). DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00920
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