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태양 연료전지의 효율을 10배 향상....

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아인트호벤 대학(Eindhoven University of Technology), FOM 재단(FOM Foundation)의 연구진은 나노와이어가 태양 연료 전지의 효율을 10배 향상시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 게재되었다. 


갈륨 인화물(gallium phosphide)로 만들어진 태양전지는 물로부터 청정한 연료인 수소 가스를 생성할 수 있다. 매우 작은 나노와이어의 형태로 갈륨 인화물을 만드는 것은 태양전지의 효율을 10배까지 향상시키는데 도움을 줄 수 있다. 그리고 이 태양전지는 10,000배 덜 귀중한 재료를 사용한다. 

태양 전지에 의해서 생성된 전기는 화학적 반응을 유발하는데 사용될 수 있다. 이 화학적 반응으로 연료를 생성한다면, 오염을 유발하는 연료를 대체하는데 매우 유용할 것이다. 이런 가능성들 중의 하나는 생성된 전기를 사용해서 물을 분리하는 것이다. 이것은 수소 가스를 생성한다. 수소 가스는 엔진을 구동하도록 연료 전지 속에서 폭발하거나 화학 산업을 위한 청정 연료로 사용될 수 있다. 

물을 분리하기 위해서 배터리에 기존의 실리콘 태양전지를 연결하는 것은 효율적인 방법일 수 있지만, 매우 많은 비용이 든다. 많은 과학자들은 한 번에 태양광을 전하로 변환시키고 물을 분리할 수 있는 반도체 재료를 찾고 있다. 이번 연구진은 갈륨 인화물이 이것을 구현하는데 매우 이상적이라는 것을 증명했다. 갈륨 인화물(GaP)은 특정 색상의 LED를 구현할 수 있는 갈륨과 인화물의 화합물이다. 

GaP는 우수한 전기적 특성을 가지지만, GaP 태양전지를 만들면 평편한 큰 표면으로부터 쉽게 빛을 흡수할 수 없는 단점을 가진다. 이번 연구진은 매우 작은 GaP 나노와이어 그리드(grid)를 만듦으로써 이 문제를 극복했다. GaP 나노와이어는 길이가 500나노미터이고 두께가 90나노미터이다. 이것은 2.9%로 수소 제조 효율을 10배까지 향상시킨다. 이것은 배터리가 결합된 실리콘 태양전지가 15%의 효율을 가진 것에 비해서 낮은 수치이지만, GaP 태양전지에서는 기록적인 수치이다. 또는 재료의 비용이 매우 낮기 때문에 상용화의 여지는 매우 높다. 

태양 에너지와 물로부터 광전기화학적 수소 제조는 청정하고 지속 가능한 연료를 제공하는데 매우 유용한 방법이다. 평면의 III/V 재료 시스템은 가장 높은 효율을 가지지만, 비용이 많이 든다. 이번 연구진이 제안한 우르츠광 갈륨 인화물(wurtzite gallium phosphide)은 직접 밴드갭을 가지고 있고, 매우 저렴하다. 이것은 물 분리를 위한 이상적인 띠끝(band-edge) 위치와 큰 태양광 흡수를 가진 몇 개의 재료들 중 하나이다. 이번 연구진은 전기 저항을 감소시키고 광학적 흡수를 향상시키기 위해서 형상을 개질하고 다단계 백금 증착으로 표면을 개질함으로써 높은 전류 밀도 및 개방회로 전위(open circuit potential)를 달성했다. 

이것은 아직 효율을 향상시킬 여지가 여전히 존재한다. “우리는 평편한 표면을 가진 태양전지보다 1만 배 더 저렴한 GaP 나노와이어를 사용했다. 이것은 이런 종류의 태양전지를 매우 저렴하게 만들 수 있게 한다”고 Bakkers가 말했다. “또한 GaP는 물에서 산소를 추출할 수 있다. 그래서 당신은 태양 에너지를 일시적으로 저장하는 태양전지를 실제로 만들 수 있다. 따라서 향후에 태양전지 연료의 재료로서 갈륨 인화물은 큰 각광을 받을 것”이라고 Bakkers가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Efficient water reduction with gallium phosphide nanowires”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms8824). 

그림. 전자 현미경으로 관찰한 나노와이어 갈륨 인화물 어레이.

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