태양광 에너지의 열 뿐아니라 광을 이용하는 방법

MIT 연구원이 개발한 태양 에너지를 수확하는 새로운 접근은 고온 물질을 가열하여 적외선 방출에 태양광을 이용함으로써 태양전지의 효율을 향상시키는 것이다. 

이 기술은 나중을 위해 에너지를 저장하기에 쉽다. 열을 저장하는 것이 전기를 저장하는 것보다 용이하기 때문이다. 

상용 Si 기반 태양전지는 태양광 스펙트럼 전체를 이용하지 못한다. 왜냐하면 밴드갭이라고 불리는 광전지 물질의 특정 에너지 준위와 포톤 에너지 준위가 매칭이 되어야 광전기변환이 일어나기 때문이다. 사실 Si 밴드갭은 태양광의 많은 파장에 반응하지만 많은 다른 파장은 그렇지 않다. 

이 한계를 극복하기 위해 그들은 탄소 나노튜브와 광결정으로 구성된 2층 흡수체 이미터를 태양광과 광전지 사이에 끼워 넣었다. 

이 중간층(intermediate layer)은 태양광의 광범위한 스펙트럼으로 부터 에너지를 모아 가열되고 특정한 파장의 광을 방출한다. 

열광전지(thermophotovoltaic, TPV) 시스템은 Shockley-Queisser 한계를 피해 갈 수 있는 길을 제공할 수 있다. 하지만 열광전지의 현 수준은 초기 테스트 소자에서 효율 3.2%이기 때문에 해결해야하는 과제들이 많다. 

2층 흡수체 이미터 디자인이 효율 향상에 핵심이다. 외곽층(태양광이 입사되는)은 다중벽 탄소 나노튜브의 어레이인데 태양 에너지를 매우 효율적으로 흡수하여 열로 바꾼다. 외곽층은 광결정층과 단단히 결합된다. 외곽층이 가열되면 광결정층에 의해 인근의 광전지 물질의 밴드갭 보다 높은 피크 강도를 갖는 광이 발생한다. 

실험에서 그들은 인공 태양광을 사용했는데 열광전지의 피크 효율은 태양광을 750배 만큼 집광시켰을 때와 동등한 강도로 인공 태양광을 쪼였을 때이다. 이 빛은 흡수체 이미터를 962 °C로 가열시켰다. 

이 집광 수준은 이전의 수천배에 비해 이미 훨씬 낮아졌지만 열광전지 시스템을 더 쉽게 동작시키기 위해서는 태양광의 집광 수준을 낮출 필요가 있다. 

본 열광전지 시스템의 중간층은 높은 온도을 필요로 하기 때문에 크기가 결정적이다: 크기를 증가시키면 열손실이 급격히 감소한다. 초기 테스트은 1 cm 칩에서 이루어졌지만 앞으로 10 cm 칩에서 이루어질 것이다. 

참고: https://newsoffice.mit.edu/2014/how-to-tap-the-suns-energy-through-heat-as-well-as-light-0119