태양열 에너지의 성능을 최적화하기 위한 시도들이 진행 중이다. 더 효율적인 실리콘 태양전지 패널, 염료감응형 태양전지, 집중화된 셀과 열역학적 태양열 발전소 이 모든 기술은 같은 목적을 추구하고 있다. 그것은 바로 태양광선으로부터 최대한 많은 양의 전자를 확보하는 것이다. 이 전자들은 조명을 켜고 냉장고에 전원을 공급하는 전기로 변환될 수 있다.

미카엘 그래첼(Michael Grȁtzel) 교수가 지도하며 식물의 광합성을 모방한 염료 태양전지를 창조한 과학자들이 모인 스위스 로잔 공과대학교 포토닉스 및 인터페이스 실험실(Laboratory of Photonics and Interfaces)에서, 그들은 태양열 물분해(solar water splitting)를 통해 수소와 같은 연료를 생산하는 방법을 개발했다. 이를 위해, 그들은 태양광선에 노출될 때 직접 물을 분해하여 수소와 산소로 직접 생산하는 광전기 화학전지(photoelectrochemical cells)를 사용하거나 물 분자를 분리시키는 전해조와 전기-생산 전지를 결합시킨다.

후자의 기술을 이용하여, 그래첼(Grȁtzel) 교수의 박사후 학생인 징샨 루오(Jingshan Luo)씨와 그의 동료는 엄청난 성능을 확보하는데 성공하여 사이언스(Science) 저널에 그들의 연구결과를 발표했다. 그들이 개발한 장치는 태양에 의해 페로브스카이트 흡수장치(perovskite absorbers)에 분산되는 에너지의 12.3%를 수소로 변환시킨다. 이 흡수장치는 기존의 자동차 축전지에 사용되는 것과 같은 일반적인 물질로 실험실에서 확보될 수 있는 합성물질이어서, 사용되는 수소 연료 생산에 사용되는 희토류 금속의 필요성을 없앤다.

병에 보관되는 태양에너지
이러한 고효율성은 태양에너지를 변환시키는데 사용되는 다른 기술에 비해 강한 경쟁력을 보유하는 것이다. 그렇지만, 이 방법은 다른 것에 비해 몇 가지 장점이 있다. "태양전지에 사용되는 페로브스카이트와 전극을 구성하는 니켈과 철 모두 지구에 풍부한 리소스를 필요로 하며, 그것들은 비용이 저렴하기도 하다. 그런데 우리가 개발한 전극은 관례적으로 사용되는 비싼 백금에 기반을 둔 모델처럼 동작한다"고 징샨 루오(Jingshan Luo)씨는 설명했다.

다른 한편으로, 태양에너지를 수소로 변환시키는 것은 그것에 대한 저장을 가능케 하여, 재생에너지가 직면하는 가장 큰 단점 중의 하나인 생산된 시점에 사용되어야 한다는 문제를 해결한다. "일단 수소를 가지게 되면, 당신은 병에 그것을 저장하고 원하는 모든 것 그리고 원하는 시간 언제든지 그것을 사용할 수 있다"고 미카엘 그래첼(Michael Grȁtzel) 교수는 말했다. 이러한 가스는 실제로 보일러나 엔진에서 연소하여 수증기만을 배출할 뿐이다. 또한, 필요에 따라 전기를 생산하는 연료전지로 사용될 수도 있다. 그리고 이 대학교에서 이루어낸 12.3%라는 변환효율성은 곧 더 높아질 것이라고 그래첼(Grȁtzel) 교수는 밝혔다.

더욱 강력한 연료
이러한 높은 효율성 값은 페로브스카이트 전지의 특성에 기반을 두고 있다. 즉, 1V 이상의 개방 회로 전압을 만들어내는 능력으로, 실리콘 태양전지는 0.7V에 불과한 것이 현실이다.

"물 전기분해의 발생과 이용할 수 있는 가스를 확보하려면 1.7V 또는 그 이상의 전압이 필요하다"고 징샨 루오(Jingshan Luo)씨는 설명했다. 이러한 전압을 확보하기 위해서, 실리콘 태양전지는 3~4개가 필요하지만, 페로브스카이트 태양전지는 2개면 충분하다. 결과적으로, 필요한 광 흡수장치의 표면 측면에서도 효율성이 더 높다. "단 2개의 태양전지로 전기분해를 통해 수소를 확보할 수 있다는 것은 세계 최초의 일"이라고 루오(Luo)씨는 덧붙였다.

태양전지가 빛에 노출됨과 동시에 전극에서 탈출하는 극소형 거품이 확산된다는 것은 말로 할 수 있는 것보다 더 많은 의미를 내포한다. 즉, 태양과 물의 결합이 미래의 에너지를 개발하기 위한 유망하고 열광적인 방식에 대한 문을 여는 것이다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 30일]

 

 

 

The race is on to optimize solar energy's performance. More efficient silicon photovoltaic panels, dye-sensitized solar cells, concentrated cells and thermodynamic solar plants all pursue the same goal: to produce a maximum amount of electrons from sunlight. Those electrons can then be converted into electricity to turn on lights and power your refrigerator.

 

At the Laboratory of Photonics and Interfaces at EPFL, led by Michael Grätzel, where scientists invented dye solar cells that mimic photosynthesis in plants, they have also developed methods for generating fuels such as hydrogen through solar water splitting.

 

To do this, they either use photoelectrochemical cells that directly split water into hydrogen and oxygen when exposed to sunlight, or they combine electricity-generating cells with an electrolyzer that separates the water molecules.

 

By using the latter technique, Grätzel's post-doctoral student Jingshan Luo and his colleagues were able to obtain a performance so spectacular that their achievement is being published today in the journal Science. Their device converts into hydrogen 12.3 percent of the energy diffused by the sun on perovskite absorbers -- a compound that can be obtained in the laboratory from common materials, such as those used in conventional car batteries, eliminating the need for rare-earth metals in the production of usable hydrogen fuel.

This high efficiency provides stiff competition for other techniques used to convert solar energy. But this method has several advantages over others:

 

"Both the perovskite used in the cells and the nickel and iron catalysts making up the electrodes require resources that are abundant on Earth and that are also cheap," explained Jingshan Luo. "However, our electrodes work just as well as the expensive platinum-based models customarily used."

 

On the other hand, the conversion of solar energy into hydrogen makes its storage possible, which addresses one of the biggest disadvantages faced by renewable electricity -- the requirement to use it at the time it is produced.

 

"Once you have hydrogen, you store it in a bottle and you can do with it whatever you want to, whenever you want it," said Michael Grätzel. Such a gas can indeed be burned -- in a boiler or engine -- releasing only water vapor. It can also pass into a fuel cell to generate electricity on demand. And the 12.3% conversion efficiency achieved at EPFL "will soon get even higher," promised Grätzel.

These high efficiency values are based on a characteristic of perovskite cells: their ability to generate an open circuit voltage greater than 1 V (silicon cells stop at 0.7 V, for comparison).

 

"A voltage of 1.7 V or more is required for water electrolysis to occur and to obtain exploitable gases," explained Jingshan Luo. To get these numbers, three or more silicon cells are needed, whereas just two perovskite cells are enough. As a result, there is more efficiency with respect to the surface of the light absorbers required. "This is the first time we have been able to get hydrogen through electrolysis with only two cells!" Luo adds.

 

The profusion of tiny bubbles escaping from the electrodes as soon as the solar cells are exposed to light say it better than words ever could: the combination of sun and water paves a promising and effervescent way for developing the energy of the future.

 

[원문출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140925141232.htm]