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44%의 에너지 전환 효율을 달성한 열광전지(TPV) 셀


 

(To measure the power produced by his photovoltaic cells, Roy-Layinde holds a heat source held over the photovoltaic cell, which emits the infrared radiation that the cell converts into electricity. Wires connected to the photovoltaic cell run the electricity to a sensor that reads the voltage and amperage. Image credit: Brenda Ahearn, Michigan Engineering)

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열에너지를 전기 에너지로 전환하는 가장 일반적인 방법은 가스 터빈이나 내연 기관처럼 운동에너지로 바꾼 후 발전기를 돌리는 것입니다. 가장 흔한 방식이지만, 효율이 좋은 가스 터빈도 35%를 넘기가 쉽지 않고 가솔린 엔진은 20%대 초반에 불과하다는 점이 큰 단점입니다.

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이 단점을 극복할 수 있는 방법 중 하나가 바로 열광전지 TPV 셀 (Thermophotovoltaic cells)입니다. 태양 전지처럼 전자기방사 에너지를 직접 전기로 변환하는 장치인데, 태양 전지보다 낮은 적외선 영역에서 에너지를 전환한다는 것이 차이점입니다.

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TPV는 고온에 물체에서 나오는 광자를 이용해 열에너지를 전기 에너지로 바꾸기 때문에 높은 효율을 기대할 수 있습니다. 따라서 발전소에서 활용하거나 고온의 열을 저장했다가 다시 전기로 바꾸는 열배터리에 활용이 기대되고 있습니다. 앞서 이 내용을 소개한 바 있습니다.

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이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/223294938227

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최근 미시간 대학 연구팀은 TPV 셀 에너지 전환 효율에서 44%라는 새로운 신기록을 달성했습니다. 연구팀은 이를 위해 실리콘 카바이드를 열 저장 물질로 선택해 1,435°C의 온도로 가열한 후 신중하게 설계된 반도체 시스템으로 광자를 잡아 전기로 전환했습니다.

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연구팀이 만든 반도체는 인듐, 갈륨, 비소로 되어 있는데 사실 이것만으로는 에너지 전환 효율을 20-30% 정도밖에 기대할 수 없습니다. 그래서 연구팀은 반도체 뒤에 작은 공기층을 만들고 다시 금으로 만는 얇은 반사막을 배치했습니다. 빠져나간 광자 중 일부는 반도체에 다시 흡수되어 전기로 전환되고 나머지는 다시 열배터리에 흡수되어 다시 적절한 파장에서 에너지를 방출하는 원리입니다.

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연구팀은 이렇게 달성한 44%의 에너지 전환 효율이 열배터리의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대하고 있습니다. 기본적으로 열배터리는 벽돌이나 용융염처럼 값싼 물질을 사용해도 되기 때문에 결국 열에너지를 전기로 전환하는 TPV 셀의 효율과 가격이 상용화에 가장 큰 관건입니다.

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저렴하고 에너지 전환효율이 우수한 TPV 셀이 에너지 저장 시스템이나 발전 분야에서 활약하는 날이 올지 주목됩니다.

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참고

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https://techxplore.com/news/2024-05-renewable-grid-recovering-electricity-storage.html

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Bosun Roy-Layinde et al, High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells, Joule (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.05.002

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