태양에너지를 최대 50% 수준까지 전기에너지로 전환할 수 있는 태양에너지 신기술이 개발돼 주목받고 있다.

미국 스탠포드대 재료공학과 니콜라스 멜로시 교수 연구팀은 태양빛과 태양열을 모두 활용하는 장치를 고안함으로써 태양빛이 전기에너지로 전환될 때 발생하는 에너지 손실을 극복했다. 이번 연구결과는 과학저널 ‘Nature Materials’ 8월호에 게재됐다.

태양전지는 태양빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 태양전지에 태양빛이 비춰지면 내부에 전자가 생성되면서 전기 에너지가 형성된다. 기존 실리콘 태양전지는 태양빛 에너지가 전기에너지로 전환되는 과정에서 열손실이 발생하는 한계를 안고 있다.

태양빛 에너지 최대 50% 전기에너지로 전환

멜로시 교수 연구팀은 태양빛으로 전자를 야기하고, 태양열이 야기된 전자가 진공관을 가로질러 다른 전극으로 이동할 수 있게 도와줌으로써 전류를 발생시키는 장치를 개발했다. 이 장치는 낭비되는 열을 스팀 엔진으로 보내 최대 태양빛 에너지의 50%를 전기에너지로 전환할 수 있도록 고안됐다. 기존 태양전지는 태양열을 활용하지 않으며 태양빛만을 이용한다.

이번 연구 결과는 기존 실리콘 태양전지가 태양빛 에너지의 15% 수준만을 전기로 전환한 것에 비해 효율성을 크게 늘린 것으로 평가받고 있다. 태양전지는 태양 빛의 특정한 파장만을 활용하기 때문에 태양 에너지의 절반 이상은 열로써 손실된다.

이 같은 단점을 극복하기 위한 한 가지 방법으로 그간 보다 넓은 파장의 태양빛 에너지를 활용해 열로써 손실되는 에너지를 전기로 전환하는 방법이 적용됐다. 이 방법은 효율성을 40% 까지 높일 수 있지만 태양전지 제작이 복잡하고 비싸다는 단점이 있다.

연구팀은 태양의 열을 최대한 활용하기 위한 방법을 모색하던 중 연소가스로 터빈을 돌리고 연소실로부터 발생하는 열을 이용해 증기기관(스팀 엔진)을 작동하는 에너지시스템에서 ‘아이디어’를 얻었다. 하지만 이 같은 열에너지 전환은 기존의 태양전지에는 적합하지 않은 한계가 있다. 온도가 높으면 높을수록 열에너지의 효율이 높아지는데 태양전지는 온도가 높을수록 효율이 떨어지기 때문이다. 대략 섭씨 100˚C이면 실리콘 전지는 잘 작동하지 않으며 섭씨 200˚C 이상이면 전혀 작동하지 않는다.

연구팀은 열이온 에너지 전환기라는 장치에서 이에 대한 해결의 실마리를 찾았다. 열이온 전환기는 2개의 전극으로 구성되는데 양극에 열을 가해주면 전자가 음극으로 이동하면서 전류가 발생한다. 열이온 에너지 전환기를 이용한 기술은 러시아 인공위성에 적용된 기술인 데 효과적으로 작동하기 위해서 섭씨 1천500도 이상의 매우 높은 온도를 요구한다. 때문에 아직 지상에서는 적용된 사례는 없다. 이 장치의 양극은 보통 세슘 같은 금속으로 만들어진다.

연구팀은 세슘 양극을 반도체 웨이퍼로 교체함으로써 높은 온도를 요구하는 단점을 극복했다. 이 기술을 적용하면 태양빛으로 발생한 전자를 음극으로 보내는데 많은 열이 필요하지 않다. 때문에 기존의 열이온 전환 장치보다는 낮은 온도에서 태양전지보다는 높은 온도에서 작동할 수 있다. 연구팀은 이 새로운 장치를 PETE(photon enhanced thermionic emission) 라고 명명했다.

반도체로 gallium nitride를 사용한 아직 실험단계인 이 장치는 섭씨 200도에서 태양빛 에너지의 25%를 전기로 전환하며 에너지 효율은 온도에 비례해 상승한다. 과학계는 “기존의 태양전지에 비해 태양빛 에너지와 열에너지를 모두 사용한다는 점에서 장점이 있다”고 평가했다. 물론 연구팀의 결과는 아직 실험실 수준이기 때문에 실제 상용화까지는 보다 많은 연구와 시간이 필요하다.

연구팀은 섭씨 400도~600도 범위에서도 작동할 수 있는 방안을 연구 중이다. 멜로시 교수는 “이 기술은 최대 50%까지 에너지 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대 한다”면서 “향후 3년 이내에 대규모 농장 적용 등 상용화를 목표로 하고 있다”라고 덧붙였다.