수정된 태양전지는 밤에도 전력을 생산한다

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게시일: 2023년 6월 8일 2023년 5월 26일 작성자: Melisa Yashinski

태양광 패널은 점점 더 보편화되는 재생 에너지원이며, 전력망에 접근할 수 없는 세계 지역에 전기를 공급합니다. 태양광 패널은 태양광을 전기로 변환하는 수십 개의 소형 장치로 구성됩니다. 이를 광전지, 줄여서 PV 셀이라고 합니다. 일반적인 PV 셀은 약 5제곱인치(또는 13제곱센티미터) 크기이며 저렴한 반도체 재료인 실리콘으로 만들어집니다. 실리콘은 햇빛으로부터 에너지를 흡수하고, 이것이 전자를 자극하여 세포의 바닥에서 위로 이동하여 전기를 생성합니다. 이 과정에는 태양에너지가 필요하기 때문에 PV 셀은 밤에 전력을 생산하지 않으며, 그 시간 동안 전력망이 없는 곳에서는 전기가 공급되지 않습니다.

최근 연구자들은 복사 냉각이라는 과정을 통해 물체에서 방출되는 열에서 생성된 전력을 활용하는 데 관심을 갖게 되었습니다. 지구는 낮에는 태양에 의해 따뜻해지고, 밤에는 장파 복사를 우주 공간으로 다시 방출하여 냉각됩니다. 이것이 바로 따뜻한 낮이 지나고 훨씬 더 시원한 밤이 이어질 수 있는 이유입니다. 특히 하늘이 맑을 때 더욱 그렇습니다.

일반적인 PV 셀은 복사 냉각으로 인해 강한 열 방출이 있는 이산화규소로 덮여 있습니다. 이는 PV 셀이 주변으로 열을 잃어 밤에 주변 공기보다 몇 도 더 시원하다는 것을 의미합니다. 현재 PV 셀은 이러한 온도 변화를 전기로 변환할 수 없습니다. 과학자들은 이 에너지를 수확하는 PV 전지 설계를 제안했습니다. 그러나 이를 위해서는 실리콘과 전기적 특성이 다른 반도체가 필요합니다. 즉, 밤에 전력을 생산하려면 실리콘 기반 태양광 패널을 교체해야 합니다.

새로운 PV 셀을 설계하는 대신 스탠포드 대학의 과학자들은 열을 전기 에너지로 변환하기 위해 기존 PV 셀을 수정했습니다. 그들은 온도 변화를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전기(TEG)라는 장치를 통합했습니다. TEG는 움직이는 부품이 없는 고체 장치이며, 두 가지 다른 온도에 노출될 때 반응하는 독특한 재료로 만들어졌습니다. 더 뜨거운 온도에 노출된 물질의 원자는 여기되어 더 낮은 온도에 노출된 물질의 측면으로 흐르는 전자를 방출합니다. 과학자들은 더 차가운 PV 셀과 더 따뜻한 주변 공기 사이에 TEG를 부착할 계획이었습니다.

이 수정된 PV 전지를 설계할 때 과학자들은 열역학적 계산을 사용하여 TEG가 언제 가장 많은 전기를 생산하는지 알아냈습니다. 그들은 주변 공기, TEG 주변 및 PV 셀로 흐르는 열의 양을 최소화해야 한다고 판단했습니다. 왜냐하면 TEG의 발전에 기여하지 않기 때문입니다. 따라서 그들은 주변 공기와의 연결을 수용할 수 있는 개구부가 있는 절연 플라스틱 챔버에 장치를 둘러쌌습니다.

과학자들은 또한 TEG의 뜨거운 면과 주변 공기의 접촉을 최대화해야 한다고 계산했습니다. 이를 위해 그들은 TEG의 이쪽을 방열판이라고 불리는 열 에너지를 전달하는 표준 컴퓨터 부품과 베이스 지지대에 연결했습니다. 방열판은 주변 공기가 거의 저항 없이 TEG에 도달할 수 있는 경로를 제공했습니다. 그들은 또한 열 전달을 개선하기 위해 PV 셀과 TEG 사이에 알루미늄 시트를 연결했습니다. 그런 다음 각 구성 요소에 실리콘 그리스를 도포하여 열 흐름을 향상시켰습니다.

수정된 PV 전지를 테스트하기 위해 과학자들은 이를 4일 밤낮 동안 하늘에 장애물 없이 접근할 수 있는 옥상에 배치했습니다. 그 기간 동안 그들은 TEG, PV 셀에서 생산되는 전력, PV 셀, 방열판 및 주변 공기의 온도를 지속적으로 모니터링했습니다.

과학자들은 PV 셀이 낮 동안 가열되는 것을 관찰했으며, 온도는 한낮에 주변 기온보다 약 15°C(59°F) 더 높았습니다. 밤에는 PV 셀 온도가 주변 기온보다 낮아졌는데, 이는 맑은 밤에 가장 두드러졌으며 약 3°C(37°F) 더 낮았습니다. TEG는 낮과 밤의 온도차로부터 전력을 추출했습니다.