열에너지 활용: 열을 휴대용 전력으로 변환하는 혁신 기술, 전장용으로 개발

센서와 향상된 통신 도구가 추가되면서 가볍고 휴대 가능한 전력 공급이 더 어려워졌습니다. 연구자들은 이제 열에너지를 전기로 변환하는 새로운 접근법을 시연했습니다. 이는 미래 전장에서 병사들을 위한 콤팩트하고 효율적인 전력을 제공할 수 있습니다.

뜨거운 물체는 광자 형태의 빛을 주변으로 방출합니다. 방출된 광자는 광전지로 포착되어 유용한 전기 에너지로 변환될 수 있습니다. 이 에너지 변환 접근법을 원거리 열광전지(FF-TPV)라고 하며 수년간 개발되어 왔으나, 낮은 전력 밀도로 인해 이미터의 높은 작동 온도가 필요합니다.

새로운 접근법에서는 이미터와 광전지 사이의 간격을 나노스케일로 줄여, 동일한 이미터 온도에서 FF-TPV보다 훨씬 더 큰 전력 출력을 가능하게 합니다. 이는 이미터의 근거리장에 갇혀 있던 에너지를 포착하는 근거리 열광전지(NF-TPV)를 가능하게 하며, 근거리 작동 조건을 위한 맞춤형 광전지와 이미터 설계를 사용합니다.

이 기술은 최고 보고된 근거리 TPV 시스템보다 거의 10배 높은 전력 밀도를 보였으며, 6배 더 높은 효율로 작동하여 미래 근거리 TPV 애플리케이션의 길을 열었습니다. 미래에 근거리 TPV는 기존 TPV보다 낮은 작동 온도에서 작동할 수 있어 병사들을 위한 더 콤팩트하고 고효율 전원 역할을 할 수 있습니다.

TPV 장치의 효율은 이미터와 광전지 사이의 총 에너지 전달 중 광전지의 전자-정공 쌍을 여기시키는 데 사용되는 비율로 특징지어집니다. 이미터 온도를 높이면 셀 밴드갭 이상의 광자 수는 증가하지만, 광전지를 가열할 수 있는 서브 밴드갭 광자 수는 최소화되어야 합니다.

이는 초평탄 표면과 금속 후면 반사체를 가진 박막 TPV 셀을 제작함으로써 달성되었습니다. 셀 밴드갭 이상의 광자는 미크론 두께 반도체에서 효율적으로 흡수되고, 밴드갭 미만의 광자는 실리콘 이미터로 반사되어 재활용됩니다.

연구자들은 두꺼운 반도체 기판 위에 박막 인듐 갈륨 비소 광전지를 성장시킨 다음, 셀의 매우 얇은 반도체 활성 영역을 박리하여 실리콘 기판으로 전사했습니다. 연구자들은 또한 각 온도와 간격 크기에서 광전지 성능을 추정하기 위한 이론적 계산을 수행했고, 실험과 계산 예측 간의 좋은 일치를 보였습니다.