연구원들은 태양 에너지를 훨씬 더 효율적으로 만드는 방법을 발견했습니다. STEG는 태양열발전기의 약자입니다. 이 장치는 서로 다른 두 도체 사이의 온도 차이가 전압을 생성하는 Seebeck 효과라는 간단한 원리를 사용하여 작동합니다.
로체스터 연구원 Ghunlei Guo는 인공 햇빛을 사용하여 수천 개의 레이저 펄스로 에칭된 STEG 재료를 테스트합니다. J. Adam Fenster/로체스터 대학
간단히 말해서 STEG는 한쪽 끝은 차갑고 다른 쪽 끝은 뜨겁고, 그 사이에 반도체를 통해 전기가 흐르는 장치입니다. STEG는 움직이는 부품이 없는 고체 장치이며, 뜨거운 부분은 태양 에너지로 가열될 수 있지만 사실상 모든 유형의 열 에너지를 활용하여 고온을 유지할 수 있습니다.
이 모든 것이 수동적 발전의 한 형태처럼 들리지만 STEG는 전통적으로 햇빛의 1% 미만을 전기로 변환할 수 있었습니다. 이에 비해 페로브스카이트/실리콘 태양전지는 30%가 넘는 에너지 전환율을 달성했으며, STEG가 단기간 내에 합법적이고 널리 퍼진 청정 에너지원으로서 페로브스카이트/실리콘 태양전지를 대체할 가능성은 낮아 보입니다.
그러나 로체스터 대학(University of Rochester) 연구진의 새로운 돌파구가 이러한 인식을 바꿀 것으로 보입니다. 연구팀은 STEG 양면의 재료를 연구함으로써 태양열을 전기로 변환하는 효율을 15%까지 높일 수 있었습니다. Light: Science and Application 저널에 발표된 이 연구는 공동 저자인 Chunlei Guo가 이전 연구 초점에서 근본적으로 벗어난 획기적인 발전을 설명합니다.
"연구 커뮤니티는 수십 년 동안 STEG에 사용되는 반도체 재료를 개선하기 위해 노력해 왔으며 전반적인 효율성 면에서 어느 정도 진전을 이루었습니다."라고 그는 말했습니다. "이 연구에서 우리는 반도체 재료를 건드리지 않고 장치의 뜨겁고 차가운 면에 초점을 맞췄습니다. 뜨거운 면의 더 나은 태양열 흡수 및 열 포획 특성과 차가운 면의 더 나은 열 방출을 결합함으로써 놀라운 효율성 향상을 달성했습니다."
팀은 레이저 발진기를 사용하여 광 펄스를 생성하여 열전 발전기에 나노 구조를 에칭합니다.
이러한 개선을 달성하기 위해 Guo와 그의 팀은 2020년 그의 연구실에서 발명한 독특한 흑색 금속으로 시작했습니다. 금속을 만들기 위해 먼저 텅스텐을 사용한 다음 펨토초 레이저 펄스(금속 표면을 에칭하는 일련의 초단광 펄스)로 샌드블라스팅했습니다. 이렇게 하면 텅스텐이 열을 흡수하는 검은색으로 변할 뿐만 아니라 레이저로 생성된 딤플을 배치하면 햇빛에서 더 많은 열을 흡수하고 더 오래 유지할 수 있습니다.
다음으로, 텅스텐 와이어는 "농장에 있는 것과 같은 소형 온실을 만들기 위해 플라스틱 조각"으로 덮여 있다고 Guo는 설명합니다. 이것은 열을 더 잘 유지합니다.
STEG의 차가운 면을 위해 팀은 알루미늄 시트에 초고속 레이저를 비추어 탁월한 방열 특성을 갖춘 방열판을 만들었습니다. 실제로 연구원들은 에칭된 알루미늄이 일반 알루미늄보다 두 배나 열을 발산한다고 말합니다.
에칭된 텅스텐의 근접 J. Adam Fenster/로체스터 대학교
STEG가 그리드 규모의 전력을 제공하기까지는 다소 시간이 걸릴 수 있지만 연구원들은 LED 조명 어레이에 전력을 공급함으로써 입증된 그들의 획기적인 기술이 사물 인터넷 작업, 웨어러블 장치 전력 공급 또는 농촌 지역의 개별 가정에 전력 공급과 같이 더 적은 전력을 필요로 하는 애플리케이션에 사용될 수 있다고 말합니다.
출처: 로체스터 대학교