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열광기전력 응용을 위한 고성능 선택방사체의 개발(The challenge of high-performance selective emitters for thermophotovoltaic applications)

전문가 제언
□ 광 기전(PV) 전지를 사용하여 IR방사로부터 전류의 생성에 기초하여 열광기전(TPV) 전력 변환의 새로운 아이디어가 인정되었다. 태양에너지변환과의 주된 차이점은 단위면적당 에너지원에 의해 방출되는 방사에너지의 아주 더 큰 밀도(태양변환기에서 1kWm-2, TPV변환기에서 300kWm-2)이다. 이제까지 나타난 PV 전지들과 SEs 사이의 가장 의미 있는 결합들은 Si전지와 이트리아, GaSb와 전이금속-도프 된 MgO 등 많이 있다.

□ 희토류원소들(REs)은 브라운관, 디스플레이, 레이저 및 빛증폭기들에 대한 인광물질들과 같은 많은 다양한 응용들을 위해 탐구해왔던 그들의 유일한 광학적 성질들 때문에 대단히 흥미를 자아내는 원소들이다. RE 양이온들의 f-궤도함수들의 에너지준위들 간 어떤 복사전이들은 레이저들과 모든 세 개 IR 통신 창들의 광섬유 증폭기들로 적당하다.

□ 가장 일반적인 RE-기초된 SEs의 이론과 응용을 위해 f-준위전자들을 갖는 도핑 종들 Yb, Er, Tm, Ho 및 다중 도핑을 예를 들어 PV 전지에서 주 피크의 파장, FWHM 등을 설명하였다. 대단히 흥미 있는 흡수성질들은 전이원소들(TEs)에 의하여 세라믹에서 유도된다. 실제로 유약들과 세라믹들에서 TEs는 그들의 착색을 초래한다는 것은 잘 알려졌다.

□ 흡수는 주로 두 가지 다른 메커니즘들의 탓으로 돌리는데, 즉 양이온들로부터 리간드로의 전하이동과 세라믹격자에서 전이금속의 팔면체 또는 사면체배위에 의한 그들의 축퇴가 제거된 d-준위들의 갈라짐(splitting)이다. TE-함유한 세라믹에서 최적에너지에서 연속적이고 강한 방출을 갖는 좋은 SEs를 얻는 방법들이 여러 가지 물질을 예를 들어 결정장 이론과 리간드장 이론으로 연구되었다.

□ 최근 특허에서 Fraas 등은 SiC 같은 오래 견디는 고온기질 위에 표착된 TaSi2와 같은 내화성 금속 간 코팅을 사용하였다. 그 금속규소화물 코팅은 Ta2O5와 같은 내화성 산화물 코팅에 의해 기질로부터 화학적으로 고립되며 그래서 그 코팅은 기질과 반응하지 않는다. 내화성 산화물 코팅은 안티-반사(AR) 코팅으로 사용된다. 산화물 코팅의 두께는 TPV 전지 변환 파장 띠에서 흡수(방출)를 생성하도록 특별히 조정된다.

□ 현재 많은 경쟁적 아이디어들, 물질들 및 기술들이 TPV 전력 발전기들에서 SEs로서 제시되었다. REs 포함된 세라믹들은 그중 첫째로 탐구되었고 마이크로구조와 물질들 결합의 최적화에 많은 노력을 경주해 왔다. 몇몇 저자들은 REs에 기초한 작은-크기와 중간-크기의 TPV 발전기에 대한 SEs의 성공적인 생산과 시험에 관해 보고했다. 현재의 노력들은 수명의 연장과 크고 믿을 수 있는 구조적 구성성분들을 제조하는데 집중되고 있다.

□ TE-도프 된 세라믹들과 내화 금속 간 코팅들의 개발은 높은 내화성과 좋은 열구조적 성질들을 갖는 세라믹들에서 근적외선과 가시광선 방출을 맞추도록 추가적인 기회들을 제공할 것이다. IR반사 코팅들은 더욱더 긴 파장에서 방출을 조절하고 감소시키는 또한 흥미로운 도구이다. 끝으로 2D와 3D 광자결정들은 그 스펙트럼 방출의 고효율과 고도의 조절 탓에 흥미가 계속 증가 되어 가고 있다.

□ d-궤도함수(3d~6d)들에 전자를 포함하는 TEs와 f-궤도함수(4f~5f)들에 전자를 포함하는 REs가 도프 된 세라믹들과 유리들의 복합물질의 결합은 너무나 방대하다. 그 중에 열광기전 응용을 위한 고성능 SEs의 기능적 특성들의 최적화와 최고온도 응용에 부과되는 엄격한 열구조적 요건들의 성취에 이 리뷰가 길잡이가 될 것으로 확신하며 이 분야 연구개발에 활용을 기대한다.
저자
Licciulli, A.; Diso, D.; Torsello, G.; Tundo, S.; Maffezzoli, A.; Lomascolo, M.; Mazzer, M.
자료유형
원문언어
영어
기업산업분류
화학·화공
연도
2003
권(호)
18(5)
잡지명
Semiconductor Science and Technology
과학기술
표준분류
화학·화공
페이지
174~183
분석자
여*현
분석물
담당부서 담당자 연락처
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