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TECH M

[MIT 선정 10대혁신기술⑤]두배로 효율 높인 열 태양전지

10대 혁신 기술

2017-03-31MIT테크놀로지리뷰 독점제휴

혁신성
이론적으로 기존의 태양전지보다 두 배 더 높은 효율을 갖는 새로운 태양전지 기술

왜 중요한가
이 새로운 기술은 해가 진 뒤에도 동작하는 저렴한 태양전력의 기반이 될 수 있다.

주요 회사들
MIT의 데이비드 비어맨, 마린 솔랴시치, 에벌린 왕 / 
퍼듀대의 블라디미르 사라예프

실용화 시기
10~15년 뒤


열을 특정 주파수의 빛으로 바꾸는 태양 전지가 개발되면 싸고 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.

태양광 패널을 덮은 지붕이 점점 늘고 있다. 하지만 개발된 지 수십 년이 지났음에도 불구, 이 실리콘 판은 두껍고 비싸고 비효율적이다. 기존의 광전지는 태양광 에너지의 일부만을 전환한다는 근본적인 한계를 갖고 있다. 

MIT의 과학자들은 창의적인 방법과 첨단 재료과학을 이용해 태양 에너지를 훨씬 더 많이 얻을 수 있는 새로운 태양 전지를 만들었다. 비결은 태양에너지를 먼저 열로 바꿨다가 다시 빛으로 바꾸는 것. 두 번째 변환 과정에서 태양전지가 흡수할 수 있는 주파수 대역의 빛으로 바꾸게 된다. 

수많은 연구자들이 소위 태양 열광전기술을 연구해왔지만 MIT가 개발한 기술은 처음으로 광전지 자체보다 더 많은 에너지를 흡수했다. 이를 통해 효율을 극적으로 높일 수 있음을 보였다.

 

기기 내의 태양광 시뮬레이터에서 나온 빛을 모으기 위한 장치

 

표준 실리콘 태양 전지는 보라색에서 붉은 색 사이의 가시광선만을 흡수한다. 이 외의 다른 몇 가지 요소 때문에 태양 에너지를 전기로 바꾸는 효율은 절대 32%를 넘을 수 없다. MIT가 개발한 기술은 아직 프로토 타입이고 효율도 6.8%에 그치지만 다양한 기법을 활용하면 잠재적 효율이 기존 광전지의 두 배에 달한다. 

이 기술의 핵심인 흡수-발광층은 태양 전지 위에서 빛을 모으는 역할을 한다. 고체인 블랙카본 나노튜브로 만든 흡수층은 태양광의 모든 에너지를 받아들여 열로 바꾼다. 이 소자의 온도가 1000℃에 이르면 옆의 발광층이 광전소자가 흡수하는 대역의 빛으로 에너지를 내보낸다. 

 

이 기술은 기존의 광전지보다
두 배나 더 효율적일 수 있다.

 

발광층은 광결정으로 만들어졌으며 적절한 빛의 파장이 나오도록 나노스케일로 디자인되었다. 다른 핵심 기술에는 발광된 빛을 광전지에 전달하되 사용되지 않은 광자를 반사하도록 만든 매우 특별한 광섬유가 있다. 이 ‘광자 재활용’ 기술은 광자를  열로 변화시키며 이 열을 다시 태양 전지가 사용할 수 있는 빛으로 변환해 전체 시스템의 효율을 높이게 된다.

 

흡수-발광층 위에 올려진 블랙 카본 나노튜브는 전 대역의 태양광을 흡수해 열로 바꾼다.

흡수-발광층이 광섬유와 태양전지 위에 올려져 있는 것이 보인다.

 

MIT 연구진의 기술에도 몇 가지 단점은 있다. 우선 몇몇 부품이 상대적으로 고가이며 이 장치는 진공 상태에서만 작동한다. 그러나 효율이 올라갈수록 경제성 또한 높아질 것이며 연구진은 이미 이를 달성할 수 있는 방법을 가지고 있다. 

연구를 주도하고 있는 에벌린 왕 MIT 부교수는 “우리는 효율을 더 높이기 위해 필요한 방법을 찾았고, 부품 역시 고도화 시킬 수 있습니다”라고 말했다. 

연구진은 태양 열광전 기술의 다른 장점을 이용할 수 있는 방법도 고려하고 있다. 열은 전기보다 더 저장이 쉽기 때문에 열광전 기술로 만들어진 전기 중 남는 만큼을 열로 다시 바꿔 축열장치에 저장한다면 해가 진 뒤에도 전기를 사용할 수 있다.

이들이 에너지 효율을 충분히 올리고 거기에 저장장치를 결합한다면 언젠가 이 기술은 깨끗하고 값쌀 뿐 아니라 언제나 사용 가능한 태양 전력을 제공할 수 있게 될 것이다. 

 

태양광 시뮬레이터에서 나오는 빛은 진공 챔버의 창으로 들어가 태양 열광전 장치에 닿아 전기를 만들어낸다.

 

<본 기사는 테크M 제47호(2017년 3월) 기사입니다>