미 미주리 과학기술대학(Missouri University of Science and Technology)의 연구진은 새로운 전착법(Electrodeposition Method)을 이용하여 간단하면서 경제적으로 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 방안을 도출하였다. 이러한 방법을 통해 태양에너지를 일종의 연료로 활용할 수 있는 고효율 태양전지를 생산할 수 있다. 미 에너지부(Department of Energy)는 이번 연구를 지원하고 있다. 새로운 공정은 연료로 활용이 가능할 정도로 수소 생산량을 크게 증가시키는데 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.
미주리 과학기술대학의 연구진은 Nature Materials 저널 웹사이트를 통해 `An electrodeposited inhomogeneous metal-insulator-semiconductor junction for efficient photoelectrochemical water oxidation`이라는 제목으로 이번 연구와 관련된 전체 내용을 소개하였다. 미주리 과학기술대학의 Jay A. Switzer 박사는 "이 연구는 태양에너지가 간헐적으로만 활용될 수 있다는 문제를 해결하는데 기여할 것이다. 하루 종일 한 장소에서 태양에너지를 생산할 수 없다는 것은 분명한 사실이다. 그러나 새로운 공정을 이용한다면 보다 저장이 용이한 형태로 에너지를 변환할 수 있다"고 밝혔다.
Switzer 박사와 연구진은 태양에너지를 흡수하기 위해 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafers)를 사용하였다. 연구진은 웨이퍼의 표면은 태양에너지 시뮬레이터에 노출시키도록 하고 뒷면은 에너지를 안내하기 위한 전극으로 덮여 있는 상태에서 실리콘 웨이퍼를 물 속에 담가두었다. 그리고 전착이라 불리는 공정을 실리콘에 적용하여 코발트 나노섬(Cobalt Nano-island)을 형성시킬 수 있었다.
실리콘 표면에 전체적으로 촉매 층을 덮는 현재의 일반적인 연구와는 다르게 Switzer 교수의 연구진은 실리콘 표면에 코발트 촉매로 이루어진 작은 클러스터를 점 형태로 뒤덮게 하였다. 연구진은 이러한 공정을 통해 보호 기능뿐만 아니라 더 높은 전압을 생산할 수 있음을 발견하게 되었다. 태양광에서 생산된 전압은 물을 수소와 산소로 분리하는데 이용된다. 코발트 코팅된 실리콘 전극에서는 산소가 발생되며, 다른 백금 전극에서는 수소가 생산된다.
Switzer 박사는 "우선 연구진은 실리콘에 촉매역할을 하면서도 표면을 보호할 수 있는 균일한 금속층을 생산해야만 했다. 그러나 이러한 방법은 실제로 고전압을 생산하며, 실리콘에 일반적으로 적용되는 추가 단계를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 이들 코발트 나노섬은 매우 효율적인 셀을 생산할 수 있다"고 설명하였다.
Switzer 박사는 태양전지판과 에너지셀 이외에 대규모 수소 수집 및 완전한 탄소 중립적 해결방안으로서의 활용 가능성을 보고 있다. 그는 "연구진은 이번 공정을 수소 자동차에 적용하려 한다. 실제 적용이 가능하게 된다면 수소를 연료로 사용할 수 있으며, 자동차에서 배출되는 것은 오직 물 뿐이다"라고 말했다.
New way to store solar energy could lead to more common solar cell usage
Researchers at Missouri University of Science and Technology have developed a relatively inexpensive and simple way to split water into hydrogen and oxygen through a new electrodeposition method. The method produces highly efficient solar cells that can gather solar energy for use as fuel.
The research, sponsored by the U.S. Department of Energy, could lead to a sizable increase in the amount of hydrogen available for fuel usage.
The Missouri S&T researchers describe their full method in a paper published on the website of the journal Nature Materials.
"The work helps to solve the problem that solar energy is intermittent," says Dr. Jay A. Switzer, the Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research Professor of Discovery at Missouri S&T. "Obviously, we cannot have the sun produce energy on one spot the entire day, but our process converts the energy into a form that is more easily stored."
Switzer and his team use silicon wafers to absorb solar energy. The silicon is submerged in water, with the front surface exposed to a solar energy simulator and the back surface covered in electrodes to conduct the energy. The silicon has cobalt nano-islands formed onto it using a process called electrodeposition.
Unlike current research standards that cover the surface of the silicon entirely in a catalyst layer, Switzer has small clusters of cobalt catalysts dotted on the silicon's surface. This process was found to be just as protective and produced much higher voltages.
The generated voltage from the solar rays splits liquid water into hydrogen and oxygen. Oxygen evolves at the cobalt-coated silicon electrode, and hydrogen evolves at the platinum counter electrode.
"Initially, we had set out to produce a uniform layer of metal that both catalyzed and protected the silicon, but found that this method actually produces a higher voltage and did not need an additional step that typically has to be applied to the silicon," says Switzer. "These nano-islands of cobalt produce a much more efficient cell."
Besides solar arrays and energy cells, Switzer sees potential usage of the results in large-scale hydrogen collection and even a fully carbon-neutral travel solution.
"If we use this process in hydrogen-fueled vehicles, the hydrogen would be used as fuel and the only thing dripping out of the tailpipe of the car would be water," says Switzer.
Switzer's co-authors of the paper, titled "An electrodeposited inhomogeneous metal-insulator-semiconductor junction for efficient photoelectrochemical water oxidation," are James C. Hill, a post-doctoral fellow at Missouri S&T, and Alan T. Landers, a 2015 chemistry graduate of Missouri S&T.
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