[스위스] 태양 에너지를 더 저렴하게 저장할 수 있게 하는 자기 조립된 2차원 재료
태양 에너지를 수소 연료로 저장하는 방법은 재생 에너지 시스템을 발전시킬 수 있는 유망한 수단이다. 이것을 달성하기 위해서, 기존의 태양전지 패널은 물 분자를 산소와 수소로 분리하는데 전류를 사용한다. 수소는 태양 연료로 고려되고 있지만, 물 분리 기술들을 상용화할 수 있는 효율적인 태양전지 패널을 만드는데 너무나 많은 비용이 든다. EPFL의 연구진은 태양 에너지로 저렴하게 수소를 제조할 수 있는 고품질 태양전지 패널을 제조하는 간단한 방법을 개발했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 게재되었다.
많은 상이한 재료들이 태양 에너지를 수소로 전환하는 기술에 사용되려고 고려되었지만, 그중에서 2차원 재료들이 유망한 후보자라는 것을 최근에 확인했다. 일반적인 재료들 중에서, 그래핀은 독특한 전기적 특성들을 가진다. 그러나 사용 가능한 정도의 태양 에너지를 수확하기 위해서는 큰 면적의 태양 패널을 필요로 하지만, 2차원 재료로 박막을 제조하는 것은 어려울 뿐만 아니라 비용이 많이 든다.
이번 연구진은 두 개의 비-혼합성 액체 간의 계면을 사용하는 혁신적이면서 저렴한 방법으로 이 문제를 해결했다. 이번 연구진은 “텅스텐 디셀레나이드(tungsten diselenide)” 라고 불리는 최고의 2차원 재료들 중의 하나에 초점을 맞추었다. 이전 연구들은 이 재료가 높은 안정성을 가지면서 태양 에너지를 수소 연료로 직접 전환시킬 수 있다는 것을 증명했다. 텅스텐 디셀레나이드 위에 박막을 만들기 전에, 이번 연구진은 재료의 균일한 분산을 달성해야 했다. 이것을 수행하기 위해서, 이번 연구진은 아주 얇은 2차원 박편으로 박리되도록 음파 진동을 사용해서 액체 용매와 텅스텐 디셀레나이드 분말을 혼합시켰다. 그 후에 이 혼합물을 안정시키기 위해서 특별한 화학물질을 첨가했다. 이번 연구진에 의해서 개발된 이 기술은 잉크 또는 페인트와 유사하게 박편 위에 균일한 분산을 시킬 수 있다.
이번 연구진은 고품질 박막을 생성하기 위해서 새로운 혁신적인 방법을 사용했다: 그들은 혼합되지 않는 두 개의 액체 간의 계면에 텅스텐 디셀레나이드 잉크를 주입했다. 이런 오일-물 효과를 이용함으로써, 그들은 균일한 고품질 박막을 형성하도록 두 액체의 계면을 사용했다. 이 액체들은 조심스럽게 제거되었고, 박막은 플렉서블 플라스틱 지지체로 전사되었다. 이것은 기존의 패널 제조 공정보다 훨씬 더 저렴하다.
이와 같은 방법으로 제조된 박막은 동일한 재료지만 다른 방법으로 만들어진 박막보다 우수한 효율을 가진다는 것을 확인했다. 아직 개념 증명 단계이지만, 태양 에너지의 수소 연료로의 전환 효율은 약 1%이다. 이것은 다른 방법으로 제조된 박막보다 매우 향상된 수치이다. 또한 향후에 더 높은 효율을 달성할 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있다.
더 중요한 것은 이런 액체-액체 방법이 쉽게 확장될 수 있다는 점이다. “이것은 대면적 롤-투-롤(roll-to-roll) 처리에 적합하다”고 Kevin Sivula가 말했다. “이 재료들의 안정성과 적층 방법의 용이성을 고려하면, 이것은 태양에너지의 수소 연료로의 경제적인 전환에서 중요한 진전이 이루어졌다는 것을 보여준다”고 Sivula가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Self-assembled 2D WSe2 thin films for photoelectrochemical hydrogen production”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms8596).
그림. 플렉서블 Sn:In2O3 (ITO)으로 코팅된 PET 플라스틱 위에 증착된 단일 박편 WSe2 박막의 이미지.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 6일]
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Self-assembled 2D materials for cheaper solar energy storage
Storing solar energy as hydrogen is a promising way for developing comprehensive renewable energy systems. To accomplish this, traditional solar panels can be used to generate an electrical current that splits water molecules into oxygen and hydrogen, the latter being considered a form of solar fuel.
However, the cost of producing efficient solar panels makes water-splitting technologies too expensive to commercialize. EPFL scientists have now developed a simple, unconventional method to fabricate high-quality, efficient solar panels for direct solar hydrogen production with low cost. The work is published in Nature Communications.
Many different materials have been considered for use in direct solar-to-hydrogen conversion technologies but "2-D materials" have recently been identified as promising candidates. In general these materials--which famously include graphene--have extraordinary electronic properties. However, harvesting usable amounts of solar energy requires large areas of solar panels, and it is notoriously difficult and expensive to fabricate thin films of 2-D materials at such a scale and maintain good performance.
Kevin Sivula and colleagues at EPFL addressed this problem with an innovative and cheap method that uses the boundary between two non-mixing liquids. The researchers focused on one of the best 2-D materials for solar water splitting, called "tungsten diselenide". Past studies have shown that this material has a great efficiency for converting solar energy directly into hydrogen fuel while also being highly stable.
Before making a thin film of it, the scientists first had to achieve an even dispersion of the material. To do this, they mixed the tungsten diselenide powder with a liquid solvent using sonic vibrations to "exfoliate" it into thin, 2-D flakes, and then added special chemicals to stabilize the mix. Developed by Sivula's lab (2014), this technique produces an even dispersion of the flakes that is similar to an ink or a paint.
The researchers then used an out-of-the-box innovation to produce high-quality thin films: they injected the tungsten diselenide ink at the boundary between two liquids that do not mix. Exploiting this oil-and-water effect, they used the interface of the two liquids as a "rolling pin" that forced the 2-D flakes to form an even and high-quality thin film with minimal clumping and restacking. The liquids were then carefully removed and the thin film was transferred to a flexible plastic support, which is much less expensive than a traditional solar panel.
The thin film produced like this was tested and found to be superior in efficiency to films made with the same material but using other comparable methods. At this proof-of-concept stage, the solar-to-hydrogen conversion efficiency was around 1%--already a vast improvement over thin films prepared by other methods, and with considerable potential for higher efficiencies in the future.
More importantly, this liquid-liquid method can be scaled up on a commercial level. "It is suitable for rapid and large-area roll-to-roll processing," says Kevin Sivula. "Considering the stability of these materials and the comparative ease of our deposition method, this represents an important advance towards economical solar-to-fuel energy conversion."
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