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GLOBAL NEWS

독일, 태양광-수전해 셀 변환효율 19.3% 실현

헬름홀츠센터 베를린 연구소에서 발표…세계 기록 갱신


[월간수소경제 편집부] 독일 헬름홀츠센터 베를린 연구소(HZB, Helmholtz-Zentrum Berlin)가 태양광을 활용한 수전해 과정의 수소 생성 반응에 있어 변환효율 19.3%를 달성해, 세계 기록을 갱신했다고 발표했다.


마이나비뉴스에 따르면 이번 연구에는 화합물 반도체를 이용한 탠덤(tandem)형 태양전지 셀, 로듐(Rh) 나노입자 촉매, 산화티탄 보호막을 조합한 수전해 셀이 사용되었다. 연구 논문은 ‘ACS Energy Letters’에 게재되었다.


야간에는 발전이 불가능하다는 태양광 발전의 단점을 보완하기 위해, 태양광 에너지를 화학 에너지로 변환 및 저장하는 기술 개발이 진행되고 있다. 화학 에너지의 형태로서 특히 유망한 것은, 태양광으로 발전한 전기를 사용해 물을 분해하고 이로 인해 생성된 수소를 저장하는 방법이다. 수소는 연료전지의 연료로 투입하거나 가연연료의 원재료로 사용하는 등 다양하게 활용할 수 있다.


태양전지 셀과 촉매를 조합하면 수전해 셀로서의 기능을 갖는다. 셀을 물에 반응하는 촉매에 담근 뒤 태양광을 조사(照射)하면 광전 음극에서 수소가 발생하고 뒷면(양극)에서 산소가 발생하는 구조다.


이번 연구에서는 프라운호퍼 태양에너지 시스템 연구소에서 개발한 III-V족 화합물 반도체에 의한 고효율 탠덤형 태양전지 셀을 이용했다. 구체적으로는 갈륨-인듐-비소(GaInAs)와 갈륨-인듐-(GaInP)라고 하는 두 종류의 화합물 반도체를 적층한 셀이 사용되었다. 해당 셀에 특수한 기능을 가진 층을 추가할 경우, 셀 표면에서 일어나는 빛의 기생흡수나 반사에 의한 손실을 줄여준다.


또한 수전해 반응에 의한 부식을 방지하기 위해 결정성 산화 티탄층을 보호층으로 활용했다. 이 층은 빛의 반사를 억제하는 기능과 나노입자 촉매를 흡착 및 담지하는 기능을 갖고 있다. 또한 디바이스의 전하 운송 성능을 향상시키는 효과도 있다. 실험을 통해 100시간의 연속 동작에도 견딜 수 있음이 확인되었다. 기존의 수전해 셀은 연속 동작 40시간 만에 부식이 일어났다.


수전해 반응을 촉진하는 촉매로서는 Rh 나노입자를 사용했다. Rh 나노입자의 직경은 10nm 가량이며 광학적으로 거의 투명한 상태이므로 태양광을 활용한 수전해에 이상적인 재료라고 할 수 있다. 연구팀은 해당 나노촉매를 만들기 위해 새로운 전기화학적 프로세스를 개발하기도 했다.


HZB는 지난 2015년 변환효율 14%의 태양광-수전해 셀을 개발했는데, 이번에 개발한 셀은 당시 결과를 훨씬 웃도는 변환효율 19.3%를 달성했다. 해당 수치는 희석한 과염소산용액을 사용했을 때의 결과로, pH가 중성인 전해액에서도 18.5%의 변환효율을 보인다고 한다.


변환효율의 이론적인 한계는 23%, 디바이스의 성능은 점차 한계에 가까워지고 있다. 연구팀에 따르면 탠덤 셀에 사용되는 두 가지 반도체의 띠 간격(band gap)을 적절히 선택할 경우 20% 이상의 변환효율도 달성할 수 있다고 한다. 




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