열 에너지를 전기로 전환

센서와 향상된 통신 도구가 추가되면서 가볍고 휴대 가능한 전원을 제공하는 것이 더욱 어려워졌습니다. 연구원들은 이제 미래의 전장에서 병사들에게 작고 효율적인 전력을 제공할 수 있는 전기로 열 에너지를 변환하는 새로운 접근 방식을 시연했습니다.

뜨거운 물체는 주변에 광자 형태의 빛을 방출합니다. 방출된 광자는 광전지에 의해 포착되어 유용한 전기 에너지로 변환될 수 있습니다. 에너지 변환에 대한 이러한 접근 방식을 원거리 열광전지(FF-TPV)라고 하며 수년 동안 개발 중에 있습니다. 그러나 전력 밀도가 낮기 때문에 이미터의 높은 작동 온도가 필요합니다.

새로운 접근 방식에서는 에미터와 광전지 사이의 분리가 나노 스케일로 줄어들어 동일한 에미터 온도에서 FF-TPV로 가능한 것보다 훨씬 더 큰 전력 출력이 가능합니다. NF-TPV(근거리 열 광전지)라고 하는 이미터의 근거리장에 갇혀 있는 에너지를 포착할 수 있으며 근거리 작동 조건을 위해 맞춤형 태양광 전지 및 이미터 설계를 사용합니다.

이 기술은 가장 잘 보고된 근거리 TPV 시스템보다 거의 10배 높은 전력 밀도를 보였고 6배 더 높은 효율로 작동하여 미래의 근거리 TPV 애플리케이션을 위한 길을 닦았습니다. 미래에 근거리 TPV는 기존의 TPV보다 낮은 작동 온도에서 작동할 수 있기 때문에 군인을 위한 더 작고 더 효율적인 전원으로 사용될 수 있습니다.

TPV 장치의 효율은 에미터와 광전지 사이의 총 에너지 전달의 어느 정도가 광전지의 전자-정공 쌍을 여기하는 데 사용되는지에 따라 결정됩니다. 에미터의 온도를 높이면 셀의 밴드갭 위의 광자 수가 증가하지만 광전지를 가열할 수 있는 밴드갭 하위 광자의 수는 최소화해야 합니다.

이것은 매우 평평한 표면과 금속 후면 반사판을 가진 박막 TPV 셀을 제작함으로써 달성되었습니다. 셀의 밴드갭 위의 광자는 마이크론 두께의 반도체에 효율적으로 흡수되는 반면 밴드갭 아래의 광자는 실리콘 이미터로 다시 반사되어 재활용됩니다.

연구자들은 두꺼운 반도체 기판 위에 박막 인듐 갈륨 비소 광전지를 성장시킨 다음 전지의 매우 얇은 반도체 활성 영역을 벗겨내고 이를 실리콘 기판으로 옮겼다. 연구원들은 또한 각 온도와 간격 크기에서 태양광 전지의 성능을 추정하기 위해 이론적 계산을 수행했으며 실험과 계산 예측 사이에 좋은 일치를 보였습니다.