일본 도쿄 대학, 미야자키 대학의 연구 그룹은 고효율 태양 전지의 전력으로 물의 전기 분해 시스템을 구축하고, 태양 에너지의 24.4%를 이용해 수소의 생성에 성공했다. 수소는 자동차 등 청정 연료로 향후 수요 증대가 예상되지만, 현재는 화석 연료에서 생산되고 있다. 향후, 일본의 재생 가능 에너지 의존도를 높이기 위해서는 태양에서 효율적으로 저비용 수소를 생산하는 기술이 요구되고 있다.

지금까지의 광촉매를 이용한 수소 생산에서는 태양에서 수소의 에너지 변화 비율이 10% 미만이었다. 연구팀은 레이저와 LED 등에 사용되는 고품질의 반도체를 렌즈로 모은 강한 빛 하에서 발전하는 집광형 태양 전지(발전 효율 31%)를 사용해 물의 전기 분해 장치와의 전기적 연결 방법을 개선하여 에너지 손실을 줄여 수소로의 에너지 변환 효율 24% 이상을 실제 태양광 하에서 실현했다. 이 시스템에 사용하는 태양 전지와 전기 분해 장치는 이미 시판되고 있으며, 설치 조건에 맞는 시스템 설계로 태양 유래의 수소를 고효율로 제조하는 것이 현재의 기술로 실현될 수 있다. 집광형 태양 전지는 일반적 태양 전지에 비해 고가이지만, 해외의 높은 조도 지역에서는 발전 효율이 높아 발전 비용을 절감할 수 있고, 미국 에너지성이 목표로 하는 수소 비용 1kg당 4달러 이하의 비용 감소가 예상된다.

1) 연구의 배경 · 선행 연구의 문제점
수소는 자동차 등 청정 연료로 향후 수요 증대가 예상되지만, 현재는 화석 연료에서 생산되고 있다. 향후, 일본의 재생 가능 에너지 의존도를 높이기 위해서는 태양에서 효율적으로 저비용으로 수소를 생산하는 기술이 요구되고 있다. 지금까지 연구되어 온 광촉매를 이용한 태양광 수소의 제조에서는 태양광에서 수소 에너지 변환 효율은 10% 미만이었다.(그림 1). 10% 이상의 변환 효율은 태양 전지와 같은 반도체 소자와 물의 전기 분해를 위한 전극을 조합한 광전기 화학 장치에 의해서만 획득될 수 있었으며, 이스라엘의 그룹이 2000년에 달성한 18.3%가 지금까지의 최고 기록이었다. 지난달 호주의 그룹이 집광형 태양 전지와 물의 전기 분해 장치의 조합으로 태양에서 수소의 에너지 변환 효율 22.4%를 달성하여, 눈길을 끌고 있다 . 그러나, 이러한 실험 결과는 실험실 내의 모의 태양광원에서 얻은 것이며, 보다 실용에 가까운 실제 태양광 하에서 고효율 수소 발생의 입증이 요구되고 있었다.

2) 연구 내용
도쿄 대학의 연구 그룹은 미야자키의 야외 시험장에 설치한 신형 고효율 집광형 태양 전지에 고분자막을 이용한 물의 전기 분해 장치를 연결해(그림 3) 실제 태양 하에서 안정적으로 수소를 제조하는 데 성공했다. 태양에서 수소의 에너지 변환 효율은 24.4%이며, 세계 최고 기록을 수립했다.

집광형 태양 전지는 렌즈 등 광학계의 설계와 태양의 방향으로 렌즈를 정확히 조준 추적하는 고급 기술을 필요로 하여 실제 야외 환경에서 발전 효율을 향상시키는 것은 쉽지 않았다. 이번 실험에서는 집광형 태양 전지의 연구 개발 거점이 되고 있는 미야자키에서 광학계 설계를 개량한 스미토모 전기 공업(주)의 집광형 태양 전지(그림 4)를 THK㈱ 의 고정밀 태양 추적 장치에 탑재함으로써 미야자키의 일조 조건에서 발전 효율 31%를 달성했다.

태양 전지의 발전 효율은 연결된 장치의 전기 저항에 의존한다. 이번에는 태양 전지와 물의 전기 분해 장치의 전류 전압 특성을 고려하여 직렬 연결 수를 최적화하여, 31%의 높은 효율로 발전한 전력을 거의 손실없이 전기 분해 장치에 도입할 수 있었다. 앞으로 집광형 태양 전지의 발전 효율은 35%까지 향상될 것으로 전망되며, 물의 전기 분해의 전력에서 수소의 에너지 전달 효율 80%를 고려하면 태양에서 수소의 에너지 변환 효율은 28%에 달할 것으로 예상된다.

이번 실증에 이용한 태양 전지와 전기 분해 장치는 이미 시판되고 있으며, 설치 조건에 맞춘 설 계에 의해 태양에서 24%의 높은 효율로 수소를 제조하는 것은 현재의 기술로 실현 가능하다. 한편, 태양 유래의 수소가 에너지원으로 대규모 도입되기 위해서는 제조 비용의 절감이 필수적이다. 현재 집광형 태양 전지는 일반적 태양 전지에 비해 고가이지만, 직사 광선이 강한 해외의 고조도 지역에서는 발전 효율이 높은 만큼 발전 비용을 줄일 수 있다. 해외에서 대규모 수소 제조에 필요한 기가와트급의 도입이 진행되면, 집광형 태양 전지의 가격은 실리콘 태양 전지 수준으로 떨어질 것으로 예상되고 있다. 기술 혁신과 대량 생산에 의해 저렴한 물의 전기 분해 장치와 조합시켜 미국 에너지국이 목표로 하는 수소 비용 1kg당 4달러 이하의 비용 절감이 예상된다.

향후에는 집광형 태양 전지의 추가적인 효율 향상과 비용 절감, 일조 조건에 따라 태양 전지와 물의 전기 분해 장치의 연결을 순차적으로 최적화하는 회로의 개발이 필요하다. 물의 전기 분해 장치에 대한 효율성 향상, 귀금속 촉매의 대체에 의한 저비용화, 추가적으로 입력 전류의 변화에 대응한 내구성 향상이 요구된다. 이들은 일본의 제조 기술, 접합 기술이 강점을 발휘하는 분야이며, 이번에 실증한 태양에서의 수소 생산 시스템은 일본의 산업 경쟁력 강화에 기여할 수 있다. 미래에는 집광형 태양 전지와 물의 전기 분해에 의한 저렴한 수소를 해외에서 대규모로 생산하고, 대륙간의 수소 캐리어 기술로 일본에 수송하여 각종 에너지원으로 이용함으로써, 일본에서 재생 가능 에너지의 대규모 도입이 기대된다 (그림 5).

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 23일]