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햇빛과 두께가 매우 얇은 초박막 산화철 필름을 이용해 물 분자를 수소와 산소로 분해하는 새로운 기술이 테크니온 이스라엘 공과대학 연구진에 의해 개발됐다. 물(H₂O)을 전기분해하면 수소(H₂)와 산소(O)로 분리된다는 것은 널리 알려져 있다.
미국의 온라인 과학뉴스 전문 사이트인 사이언스 데일리에 따르면 이번 발명은 보다 적은 비용으로 다량의 태양에너지를 수소에 기반 한 연료 형태로 충전할 수 있는 획기적인 기술이며, 화석 대체연료 개발에 있어 중요한 진전을 의미한다.
연구를 이끈 에버너 로트실트 재료공학과 교수는 ''''이번 발명은 전례가 없는 완전히 새로운 접근이다. 사무실에서 사용되는 종이 두께의 5,000분의 1에 불과한 초박막 산화철 필름 속에 빛을 잡아두는 방법을 찾아냈으며, 이는 저비용으로 고효율을 얻게 해주는 열쇠다''''라고 설명했다.
산화철은 널리 알려진 반도체 물질로 생산비가 저렴하고 물에 안정적이다. 또한 실리콘과 같은 다른 반도체와 달리 그 자신은 산화, 부식, 분해되지 않으면서 물은 산화시킬 수 있다. 그러나 몇 가지 극복해야 할 과제가 있는데 가장 큰 문제는 전기 전달 능력이 빈약하다는 것이다.
연구진은 수년간 빛이 재결합해 소멸되기 전에 빛을 흡수 분리하는 것과 빛에 의해 생성된 전하 운반체를 저장하는 것 사이의 대체 문제를 집중 연구했다.
로트실트 교수는 ''''빛이 달아나지 못하게 붙잡겠다는 우리의 계획은 이 문제를 해결했다. 빛에 의해 생성된 전하 운반체들이 효율적으로 모일 수 있는 초박막 필름 속에 흡수될 수 있게 하는 방법이다. 빛은 거울과 같은 후면 반사전극기(back reflector substrates)상에 4분의 1 파장 또는 훨씬 더 깊은 부파장의 형태로 붙잡히게 된다. 앞으로, 또는 반대로 전달되는 파장 사이의 간섭은 표면 가까이에서 빛 흡수를 촉진한다. 그리고 빛이 생성한 전하 운반체는 소멸되기 전에 저장될 수 있게 된다''''라고 설명했다.
이번 발명은 전기와 수소를 생산하기 위해 실리콘과 다른 물질로 만들어진 전통적인 광전지와 초박막 산화철 광전극을 결합함으로써 값싼 태양전지의 개발을 가능하게 한다.
로트실트 교수에 따르면 이 전지는 하루 24시간 필요할 때는 언제나 사용할 수 있도록 태양 에너지를 충전할 수 있다. 이는 햇빛이 비칠 때만 전력을 공급할 수 있는 전통적인 광전지와 뚜렷이 대비되는 것이다.
이 발견은 2세대 태양전지에서 반도체 물질을 생산하기 위해 태양 전지판 제조업체가 사용하는 희귀 원소의 사용도 줄일 수 있다. 테크니온 대학 연구진이 개발한 방법은 성능에는 전혀 차이가 없이 텔루리움과 인디움 같은 희귀 원소들을 90% 이상 절약할 수 있다.
이번 연구 결과는 이번 주 네이처 머티어리얼스(Nature Materials)지에 실렸다.