[한국에너지신문] 햇빛을 재활용해 물을 재료로 수소에너지를 기존 기술보다 더 많이 만드는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업의 지원을 받은 박종혁 교수(연세대)·김종규 교수(포항공대) 공동연구팀이 햇빛을 재활용해 물에서 수소 에너지를 생산할 수 있는 핵심기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
광전기화학 물 분해 수소제조기술은 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하는 기술로, 태양광 에너지를 반도체 소재가 흡수해 생성된 전자에 의해서 물 분자를 수소로 변환한다.
친환경적이고 지속가능하다는 장점 때문에 집중적으로 연구되고 있다. 최근 보고된 금속 산화물 광전극과 다양한 태양전지의 적층 소자는 태양광 에너지 수소 전환 효율이 5% 수준을 나타내고 있다.
연구팀은 햇빛을 재활용할 수 있는 핵심장치를 자체적으로 개발해 수소 전환 효율을 크게 높였다. 먼저 광전기화학셀-태양전지 적층(Tandem) 소자에 태양광을 파장에 따라 선택적으로 반사 및 투과시킬 수 있는 전도성 분포 브래그 반사기를 적용해 자가발전 수소생산 시스템을 개발했다.
광전기화학셀-태양전지 적층(Tandem) 소자는 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하는 광전기화학셀과 태양광 에너지를 전기 에너지로 전환하는 태양전지를 적층형태로 결합한 소자다. 광전기화학셀의 물 분해 반응에 필요한 전기 에너지를 태양전지로부터 공급받아 외부의 추가전압 없이 자발적으로 소자를 구동시켜 수소를 생산할 수 있다.
전도성 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg reflector)는 굴절률이 서로 다른 두 개의 박막을 반복적으로 적층한 것으로 적층된 박막의 두께와 수에 따라 반사 및 투과가 가능한 파장 영역과 반사율 및 투과율을 자유롭게 조절할 수 있어 태양광 활용 효율을 높일 수 있다.
햇빛을 재활용하기 위한 핵심장치인 전도성 분포 그래그 반사기는 태양광의 특정 파장을 선택적으로 반사/투과시킴으로써 적층소자 내에 햇빛의 흡수를 극대화 시킬 수 있는 장치이다.
연구 결과, 태양광 재순환을 통해 태양광 에너지 수소 전환 효율을 7% 수준으로 끌어 올리는데 성공했다.
이는 외부에서 전기를 걸어 주거나 다른 보조장치가 필요하지 않으며, 기존의 복잡한 고가 시스템을 단순화한 것으로써 저가의 산화물 반도체 소재를 활용해 햇빛으로부터 수소에너지를 생산하는 기술로는 세계 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.
산화물 반도체소재는 금속이 산화돼 생긴 물질로 자연계에 매우 흔하게 존재하는 소재다. 대표적인 저가 산화물 반도체 소재는 산화 티타늄, 산화철 및 산화 아연 등이 있다.
박종혁 교수는 “이 연구 성과는 태양광 재사용을 통해 무한한 에너지원인 태양광에서 수소를 생산하는 등 보다 효율적으로 에너지를 활용할 수 있는 기술을 개발한 것”이라며 “태양전지, 발광소자(LED) 등에 적용할 수 있어 에너지 절감 및 차세대 에너지 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.
이 성과는 자연과학 분야에서 권위가 있는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 6월 21일자에 게재됐다.
