열전소자 장착한 고효율 태양전지 나온다 태양광과 발생하는 열을 동시에 전기로 바꿔 클린 에너지 분야 활용 기대 허령 기자입력 2017-06-28 13:33:37

갈륨아세나이드(GaAs) 기반 집광형 태양전지는 현재 가장 효율이 높은 태양전지 기술로 알려져 있다. 이 태양전지는 태양광을 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 높으며, 렌즈나 거울 등을 사용하게 되면 광변환 효율은 더욱 높아진다. 그러나 집광정도가 높아질수록 많은 열이 발생하게 되는데, 이는 태양전지의 효율을 급격하게 저하시키게 된다. 이러한 현상은 집광형 태양전지의 효율 향상을 가로막는 가장 큰 장벽이 되어왔다.

 

광전·열전 융합 전지의 모식도

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한국과학기술연구원 광전소재연구단 최원준 박사는 갈륨 아세나이드 화합물 반도체를 이용한 고효율 집광형 태양전지기술을 연구해 왔으며, KIST 전자재료연구단 백승협 박사는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) 열전반도체를 이용해 버리게 되는 열을 이용한 발전 소자 연구를 수행해 왔다. 본 연구진은 울산과학기술연구원(UNIST)의 이기석 교수와 백정민 교수 연구팀의 이론적인 지원을 받아, 이 두 가지 상이한 분야의 융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계를 극복한 고효율 융합전지를 개발했다.
KIST 공동연구팀은 비스무스 텔루라이드 열전반도체가 열을 전기로, 전기를 열로 바꾸는 열전현상(Thermoelectricity)이 매우 탁월한 것에 주목했다. 이 열전 반도체는 냉매를 이용하지 않는 전자냉각 시스템이나 자동차 등 버리는 열을 이용한 전기생산 시스템에 응용 가능한 기술이다. 현재 실생활에서는 와인 냉장고, 자동차 시트 쿨러, 순간냉각정수기 등에 이 기술이 사용되고 있고, 폐열을 이용한 발전시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.
본 KIST-UNIST 공동연구진은 기존의 집광형 태양전지가 발생하는 열 때문에 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해, 열을 전기로 바꿀 수 있는 열전 소자를 집광형 태양전지와 융합하는 기술에 관한 아이디어를 구상하고 이를 융합전지로 구현했다. 집광형 태양전지에서 고 집광 시 발생하는 열은 태양전지의 효율을 저하시키는 주요한 원인으로 작용하는데, 이때 발생하는 열을 이용해 열전모듈이 전기 에너지를 추가적으로 생산하므로 융합전지의 효율은 단일 태양전지 효율에 비해 크게 향상될 수 있으며, 기존 집광형 태양전지의 집광한계를 극복할 수 있다.
KIST 최원준, 백승협 박사는 “융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지의 고 집광 시 발생하는 태양전지 효율저하 문제를 극복하는 집광형 광전·열전 융합전지의 가능성을 확인했다”라며 “앞으로 고효율 클린 에너지 발전 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
본 연구는 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위지인 ‘Nano Energy(IF : 11.53)’에 5월 19일(금)자로 온라인 게재되었다.

 

★ 용어 설명 ★

 

※ 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)
-> 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재이다. 해당 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용된다.

 

※ 태양전지
-> 태양에너지를 전기에너지로 바꾸기 위해 제작된 광(光) 전지이며, 크게 ‘태양열 전지’와 ‘태양광 전지’로 나뉜다. 태양열 전지는 태양열을 이용해 터빈을 회전시킬 증기를 발생시키는 장치이며, 태양광 전지는 반도체 성질을 이용해 햇빛을 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
태양전지를 만드는 방식은 크게 ‘결정형’과 ‘박막형’의 두 가지로 나뉜다. 현재 대부분 기업들이 쓰는 방식은 결정형으로 원재료인 폴리실리콘을 얇게 자른 웨이퍼 위에 회로를 그리는 방식이다. 결정형은 현존하는 태양전지 제조방식 가운데 광변환효율이 가장 좋다는 장점이 있지만 폴리실리콘 등 원재료 값이 비싸고 설치장소가 제한적이란 단점도 있다.
결정형의 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 박막형이다. 박막형의 기본 제조 원리는 유리 플라스틱 등 주변에서 흔히 볼 수 있는 특정 판 위에 태양 빛을 전기로 바꾸는 특성을 보인 특수화합물질을 얇게 바르는 것이다. 결정형에 비해 광변환효율이 떨어지는 단점이 있지만 폴리실리콘을 사용하지 않아도 돼 원가가 싸고 건물 유리창 등에 설치할 수 있다는 장점도 있다.
박막형은 어떤 화합물질을 쓰느냐에 따라 다양한 방식으로 나뉜다. 우선 폴리실리콘을 가스 형태로 만들어 기판에 얇게 바르는 ‘아모퍼스 실리콘 박막형’이 있으며, 같은 폴리실리콘을 사용하는 결정형에 비해 실리콘 사용량을 100분의 1로 줄일 수 있다. 이 밖에 ‘CIGS 박막형’은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 네 가지 물질로 전기를 만들어내는 얇은 막을 만드는 방식이다.

 

※ 집광형 태양전지(CPV, Concentrator Photovotaic)
-> 3족과 5족 화합물계를 결합한 갈륨아세나이드를 기반으로 기존 위성용을 벗어난 태양광을 모아서 발전하자는 새로운 컨셉을 적용한 태양전지이다.

 

※ 열전현상
-> 두 개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결해 폐회로를 구성하고 양단에 온도차가 주면 두 접점 사이에 전위차가 발생한다. 이를 ‘열전현상’이라 부르고 이때 발생한 전위차를 열기전력이라고 한다. 이러한 열전현상은 양단간의 온도차를 이용해 기전력을 얻어내는 제베크 효과, 기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티에효과, 도체의 선상의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 톰슨효과로 나눌 수 있다.
서로 다른 2개의 전도물질로 이루어진 한 회로에서 그 2개의 전도물질 간의 접촉점들에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 것. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시킨다.
1834년에 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견했는데 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 펠티에 효과(Peltier Effect)라고 한다.

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