최근 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지 분야에서 에너지 변환효율이 우수한 기기 및 장치 개발이 진행되고, 각 지역에서 태양광발전설비의 도입이 진행되고 있다. 하지만 현재의 전력인프라는 날씨와 같은 변수를 충분히 제어하지 못해, 필요한 때 안정적으로 에너지를 공급할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 신재생에너지를 활용하기 위해서 중요한 것 중 하나는 필요한 때에 필요한 양의 에너지를 공급 가능하게 하는 에너지 저장장치이다. 예를 들어, 식물은 태양광에너지를 효율적으로 집광한 후 광합성을 통해 녹말(탄화수소)의 형태로 에너지를 저장하는 것이 가능하다. 하지만 현재의 과학 수준에서는 태양광에너지를 녹말로 저장하는 것을 인공적으로 하기에 불가능하다.
대량 저장 및 장기 보존 가능
한편, NaS 전지 및 리튬이온전지 등 전기에너지를 저장할 수 있는 이차전지를 사용하고자 하는 노력도 있지만, 가격이 비싸고 저장량이 적어 실용화에 어려움이 있는 실정이다. 이에 연구진은 태양전지와 물분해전기화학셀을 이용한 물의 전기분해 기술을 조합해 태양광에너지를 수소로 저장하는 시스템을 개발하고자 했다. 수소에 의한 저장이 가능하게 되면, 향후 신재생에너지를 이용한 자립형 에너지 시스템의 구축이 가능하다(그림 1). 태양광에너지를 수소로 저장할 경우, 수소는 기체이기 때문에 가벼워 대량의 저장이 가능하며, 장기 보존해도 방전되지 않는다. 그리고 사용 후 폐기물이 없어 깨끗한 에너지로서 장점을 가진다.
이번 실험에서 사용한 물의 전기분해는 전기에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것으로 그림 2는 물의 전기분해를 확인할 수 있다. 하지만 공업적으로 물을 분해하는 경우, 그림 1의 경우처럼 원리상에서 동작을 인식하는 방법에 차이가 있어, 에너지 효율이 떨어지는 ‘전기화학셀’ 방법을 사용한다. 전기화학셀의 경우 전해질로 용매가 아닌 도전성 폴리머를 사용한다. 도전성 폴리머를 사용하는 것으로 산화 및 환원반응에서 생성되는 물질이 서로 섞이지 않고 각각 원래의 물질로 돌아가게 된다. 그림 3을 통해 전기화학셀과 현재 사용하는 태양전지를 조합한 구조의 모식도를 확인할 수 있다.
구성요소 및 전체 성능향상 실현
물분해 전기화학셀은 ‘전류-전압특성’을 보여준다. 이론적으로는 물의 전기분해가 일어나려면 1.23V의 전압이 필요하지만, 실제로는 전기화학셀 내 여러 가지 전기저항이 있어 에너지 손실이 일어나기 때문에 1.48V의 전압이 필요하다. 이처럼 물의 전기분해에는 약 1.5V 이상의 전압이 필요하지만, 일반적인 실리콘 태양전지는 전지 1개의 최대 출력전압이 0.6~0.7V이다. 즉, 1개의 태양전지로 물을 분해하기 위해서는 에너지가 부족하다. 이에 연구진은 태양전지를 직렬로 연결해 물의 전기분해가 가능한 전압까지 전압을 높이면서 동시에 에너지 손실이 적은 접속방법을 탐색했다. 먼저 연구진은 실리콘 태양전지와 전기화학셀을 사용한 경우 빛에너지에서 수소에너지로의 변환효율을 구했다. 실리콘 태양전지를 3개 직렬로 접속하는 경우 2.0%, 4개를 직렬로 접속하는 경우는 6.1%로 어느 쪽도 교환효율이 좋지 않다는 것을 알 수 있다. 이는 실리콘 태양전지 자체가 광에너지에서 전기에너지로 변환효율에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다.
이에 연구진은 프레넬렌즈를 이용해 태양광을 효율적으로 집광하는 텐뎀(Tandem)형 태양전지를 이용해 에너지 변환효율 향상을 시험했다. 그 결과 광에너지에서 수소에너지로 변환효율이 12.2%로 매우 높은 것을 확인할 수 있었다. 하지만 여전히 태양전지의 최대 출력점(최대 출력전압 2.12V, 최대 출력전류 95.9mA)과 전기화학셀의 동작점(동작전압 1.55V, 동작전류 99.3mA) 사이에 큰 차이가 존재했다. 이에 텐뎀형 태양전지를 2개 직렬, 전기화학셀을 3개 직렬로 연결해 태양전지의 최대출력전압과 전기화학셀의 동작전압을 비슷하게 함으로써 에너지 변환효율을 15.3%까지 향상시킬 수 있다는 것을 확인했다.
연구진은 신재생에너지인 태양에너지를 수소로 저장하는 것을 가능하게 하는 저렴하고 간단한 시스템을 개발했다. 이 시스템은 구성요소의 성능을 향상시키는 동시에 전체 성능의 향상에 직접적으로 도움이 되는 중요한 시스템이다. 향후 시스템을 실용적으로 사용하기 위해서는 태양전지 및 전기화학셀이라는 시스템의 중핵뿐만 아니라 수소 저장법이나 전체를 흐르는 에너지, 전류, 물, 폐열 등 여러 가지 부분의 최적화가 필요하다.
출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
SOLAR TODAY 이 서 윤 기자 (st@infothe.com)
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