햇빛과 물 만으로 수소 연료와 전기를 동시에 생성, 태양 에너지 수확을 크게 늘린 인공 광합성 시스템이 개발됐다.

화석 연료에 대한 충분하고 재생가능한 대안을 추구해온 과학자들은 햇빛을 이용해 물에서 수소 연료를 생성하는 인공 광합성 기술인 ‘물 분리(water splitting)’를 통해 태양 에너지를 포집하고자 했다. 그러나 물 분리 장치는 아직까지 효율적으로 작동하는 데 필요한 광학, 전자 및 화학적 특성에 적절한 재료 설계가 없기 때문에 아직 잠재력을 발휘하지 못했다.

에너지 혁신 허브 인 미 에너지부 (DOE, US Department of Energy)의 로렌스 버클리 국립 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory)와 인공광합성 공동센터 (JCAP) 연구원은 현재 재료의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 재생 가능 연료를 위한 새로운 제조법을 제시한다. 햇빛과 물을 통해 두 종류의 에너지, 수소 연료와 전기로 전환시키는 ‘하이브리드 광전자화학 및 동력(hybrid photoelectrochemical and voltaic, HPEV) 셀’이라고 불리는 인공 광합성 장치다. 이 연구를 기술한 논문은 10월 29 일 Nature Materials에 발표됐다.

전자를 해방하다

대부분의 물 분리 장치는 빛을 흡수하는 물질의 층계로 이루어져 있다. 구성에 따라 각 층은 태양 스펙트럼의 다른 부분 또는 ‘파장’을 흡수하는데, 빛의 에너지가 덜한 적외선 파장부터 가시 광선 또는 자외선 보다 강력한 파장에 이르기까지 다양하다.

각 층이 빛을 흡수하면 전기 전압이 형성된다. 이 개별 전압은 물을 산소와 수소 연료로 분할하기에 충분한 고압으로 결합된다. 기드온 세게브(Gideon Segev) 버클리 연구소 화학과학분과 JCAP 박사 후 연구원인 수석 저자에 따르면, 이 구성의 문제점은 실리콘 태양광 전지가 한계에 매우 근접한 전기를 생성 할 수 있다고 하더라도, 그들의 고성능 잠재력은 물 분리 장치에서 일정부분 상실된다.

장치를 통과하는 전류는 스택을 구성하는, 실리콘보다 낳을 것 없는, 재료에 의해 제한된다. 결과적으로 이 시스템은 전류보다 훨씬 적은 전류를 생성한다. 전류가 적으면 적을수록 생산할 수있는 태양 에너지는 적다.

세게브는 “이는 일단 기어로 항상 자동차를 운전하는 것과 같다”며 “수확 할 수 있는 에너지이지만 실리콘은 최대 전력 포인트에서 작동하지 않기 때문에 대부분의 전자는 갈 곳이 없으므로 유용한 작업을 수행하기 전에 에너지를 잃어 버리게 된다”고 말한다.

세게브와 그의 공동 저자 – Berkeley Lab 화학과학분과 JCAP 연구원 제프리 비먼(Jeffrey W. Beeman)과  기술 컨설팅회사 이머징 퓨처스(Emerging Futures LLC)  제프리 그린블렛(Jeffery Greenblatt), 현재 독일 뮌헨공대(Munich University of Munich)의 반도체 물리학 교수 이언 샤프(Ian Sharp)는 복잡한 문제에 대한 놀랍도록 간단한 해결책을 제안했다.

“우리는 전자를 그냥 내보내면 어떨까 생각했습니다.”

수분 분리 장치에서, 앞면은 일반적으로 태양광 연료 생산에만 사용되며 후면은 전기 콘센트의 역할을 한다. 기존 시스템의 한계를 극복하기 위해 실리콘 구성 요소의 뒷면에 추가적인 전기 접점을 추가하여 HPEV 장치의 뒷면에 두 개의 접촉부가 있는 장치를 만들었다. 여분의 후방 콘센트는 전류가 분할되도록 해 전류의 일부분이 태양 연료 생성에 기여하고 나머지는 전력으로 추출 될 수 있다.

공동 연구팀은 HPEC가 설계대로 작동하는지 여부를 예측하기 위해 시뮬레이션을 실행 한 후에 프로토 타입을 만들어 이론을 테스트했다.

세게브는 “놀랍게도, 효과가 있었다. 과학에서 컴퓨터 시뮬레이션으로 시연하더라도 모든 것이 제대로 작동하는지 확실하지 않다. 그러나 그것은 재미있는 이유이기도 하다. 우리의 실험이 시뮬레이션의 예측을 검증하는 것을 보니 정말 좋았다”고 말했다.

그들의 계산에 따르면, 실리콘과 비스무스 바나데이트(bismuth vanadate)의 결합을 기반으로하는 기존의 태양광 수소 생성기는 태양광 물 분리에서 널리 연구  재료로 태양광 대비 수소 효율이 6.8 퍼센트에 달한다. 다시 말해서, 셀 표면에 쏟아지는 태양광 전체 중에서 6.8 %는 수소 연료 형태로 저장 되고, 나머지는 모두 손실 된다.

반면 HPEV 셀은 연료 생성에 기여하지 않는 잔여 전자를 수확한다. 이러한 잔류 전자는 전력을 생성하는 데 사용, 전체 태양 에너지 변환 효율을 극적으로 증가시킨다. 예를 들어, 같은 계산에 따르면, 태양 에너지의 6.8 %는 비스무트 바나데이트와 실리콘으로 만들어진 HPEV 셀에 수소 연료로 저장 될 수 있으며 태양 에너지의 13.4 %는 전기로 변환 될 수 있다. 이를 통해 기존 태양 전지보다 3배 우수한 20.2 %의 효율을 달성 할 수 있다.

연구진은 이산화탄소 배출 감소와 같은 다른 응용 분야에 HPEV 개념을 사용할 수 있도록 협력 관계를 계속 유지할 계획이다. 인공 광합성을위한 공동센터는 DOE 에너지 혁신 허브로 이 연구는 DOE 과학사무국이 지원했다.

*출처 : Theresa Duque의 Berkeley Lab.