재생 에너지의 대안, 열광전지란? 

뜨거운 금속필름에서 발생되는 광자를 반도체가 흡수해 전력 생산

미국 연구진, 이번 연구를 통해 최대 효율 41.1%까지 도달

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 재생 가능 에너지의 대표적인 예로 태양광과 풍력 발전은 지역 및 날씨에 따라 영향을 받기 때문에 전기 생산량이 일정하지 않다. 그렇기 때문에 에너지 저장 장치 (Energy Storage System)의 개발로 날씨가 좋을 때 과잉 생산한 전력이 저장 가능해 일정하지 못한 전력 생산의 단점을 보완할 수 있다. 하지만 이를 구축하고 운영하는데 배터리 보호시스템과 운영환경관리 미흡, 설치 부주의로 인해 화재 사건 등 안전과 관련된 사고가 발생하면서 에너지 저장장치 시장이 큰 타격을 입었다. 이에 미국 연구진은 또 다른 재생 에너지의 대안으로 열광전지 (TPV)에 대해 상용화 직전까지 연구를 진행했다. 

열광전지란 태양전지와 비슷한 원리를 지닌 에너지 생산 장치로 다른 점은 태양전지는 태양빛을 흡수하는 대신 열광전지는 뜨거운 물체에서 나오는 광자를 사용한다. 섭씨 900도에서 1300도 이상일 시 적외선 영역에서 에너지가 방출되는데 열광전지를 이 에너지를 흡수해서 전기로 전환시키는 것이다.

석탄과 천연가스를 사용한 에너지 발전은 기본적으로 연료를 통해 열을 발생시키고 이 열로 물을 데워 증기를 발생시킨다. 뜨거운 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다. 다만 열이 섭씨 1500도 이상이 되면 터빈이 뜨거운 열기를 못 버티고 녹아내릴 수 있기 때문에 이후 전력을 제대로 생산할 수 없게 된다. 미국 매사추세츠 공대 (MIT)와 국립에너지연구소(NREL) 연구팀은 이 뜨거운 온도를 활용해 전력을 생산할 수 있는 열광전지에 주목하고 있다. 

텅스텐 등의 금속 필름이나 필라멘트에 열을 가하면 나오는 광자를 반도체가 흡수하고 반도체 안에서 전자가 이동하게 되면서 전기를 생산한다. 대부분의 열광전지는 효율성이 20%대에 그쳤으며 기존 최고 기록도 32%였다. 

미국 연구진은 기존 열광 전지의 효율성이 높게 나오지 못한 이유는 텅스텐 등 금속 필름이 방출하는 빛은 다양 파장대를 지니고 있지만 반면 반도체는 매우 일부 파장대만 흡수하니 버려지는 부분이 많았다.

이 점을 보완하고자 연구진은 각각 다른 24개의 반도체를 층층이 쌓아 상단부와 하단부로 나누었다. 상단부는 가시광선과 자외선 빛 입자를 흡수한 반면 하단부는 적외선 영역을 흡수하게끔 해 다양한 파장 영역을 흡수할 수 있게 설계하였다. 그리고 하단부 아래에 얇은 금판을 설치해 흡수가 힘든 저에너지의 빛을 반사시켜 다시 텅스텐으로 보내 에너지를 생산하게끔 했다. 그 결과, 섭씨 2400도의 텅스텐 필라멘트에서 방출된 에너지의 41.1%가 전기로 생산되었다. 연구진은 열광전지를 사용하면 전력저장장치 운영 비용의 10분의 1만 들 것으로 전망을 한다. 

그러나 이번에 연구한 전지는 1 세제곱 센티미터로 최대 900 세제곱미터 크기로 제작해야 제대로 상용화를 할 수 있다. 

이번 연구는 국제학술지 ‘Nature’에 2022년 4월 13일에 게재되었다.