국내 연구진, 햇빛 재활용해 친환경 수소에너지 생산

파장에 따라 빛을 선택적으로 반사하거나 투과시킬 수 있는 ‘전도성 분포 브래그 반사기’ 모식도. 이 장치는 물을 분해해 수소를 생산하는 광전기화학층(전면)이 흡수할 수 있는 파장 영역의 빛은 반사하고, 전력을 생산하는 태양전지(후면)가 흡수할 수 있는 파장 영역의 빛은 투과시켜 광효율을 극대화시킨다. 네이처 커뮤니케이션스 제공

햇빛으로 물을 분해해 수소에너지를 얻는 광전기화학 태양전지는 친환경적인 미래 에너지 기술로 꼽힌다. 이런 가운데 국내 연구진이 상용화의 걸림돌이 됐던 태양광에너지의 낮은 수소전환효율을 크게 높여 상용화에 한 걸음 더 다가섰다.

박종혁 연세대 교수팀과 김종규 포항공대 교수팀은 햇빛을 재활용할 수 있는 핵심 장치를 개발해 광전기화학 태양전지의 수소전환효율을 기존 5%에서 7%까지 높이는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 기존 대비 40%까지 끌어올린 셈이다. 이로써 상용화 가능 수소전환효율 목표치(10%)에 더 가까워졌다.

광전기화학 태양전지는 물을 분해해 수소를 생산하기 위해 필요한 전기에너지를 태양으로부터 얻는 자가 발전 수소 생산 시스템이다. 물이 분해되는 광전기화학층이 많은 빛을 흡수해야 광전류를 발생시킬 수 있다. 하지만 후면에 붙어 있는 태양전지를 구동시키려면 동시에 많은 빛을 태양전지까지 투과시키기도 해야 하는 모순이 있었다.

연구진은 태양광을 파장에 따라 선택적으로 반사하거나 투과시킬 수 있는 장치인 ‘분포 브래그 반사기’를 개발해 이 문제를 해결했다. 파장이 광전기화학층이 흡수할 수 있는 영역에 있는 빛은 광전기화학층 안으로 반사시키고, 그 밖의 영역에 있는 파장의 빛은 투과시켜 태양전지에 흡수되도록 만든 것이다.

광전기화학층의 경우 입사광과 반사광을 모두 흡수할 수 있다. 한번 지나간 빛을 다시 되돌려 재활용하는 셈이다. 박 교수는 “태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 한 이번 연구 성과를 연료전지 등 다른 에너지 생산 기술에 접목한다면 미래 에너지 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 한 방편이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 6월 21일자에 게재됐다.

송경은 동아사이언스 기자 kyungeun@donga.com