This dissertation focuses on the development of application technology to improve the practicality of thermoelectric power generator and the implementation of new concept hybrid devices to overcome limitation in power conversion efficiency. The purpose of this study is to verify the feasibility of thermoelectric generator in real industrial environment through the output power optimization process by implementing a self-powered wireless sensor node using thermoelectric generator. In addition, by hybridizing the thermoelectric generator with photovoltaic module, propose a breakthrough that can overcome limitation in power conversion efficiency problems that energy harvesters faces.
As industrial environments expand and become more automated, wireless sensor networks are attracting attention as an essential technology for efficient operation and safety. A wireless sensor node (WSN), self-powered by an energy harvester, can significantly reduce maintenance costs as well as the manpower costs associated with the replacement of batteries. Among the many studies on energy harvesting technologies for self-powered WSNs, however, the harvest-ed power has been too low to be practically used in industrial environments. In this work, we demonstrate a self-powered WSN driven by a flexible thermoelectric generator (f-TEG) with a significantly improved degree of practicality. A study was conducted to optimize the performance of the f-TEG for a particular WSN application, and an f-TEG fabricated with an area of 140 × 113 mm$^2$ harvested 272 mW of energy from a heat pipe at a temperature of 70℃. We also tested a complete self-powered WSN system capable of the remote monitoring of the heat pipe temperature, ambient temperature, humidity, CO2 and volatile organic compound concentrations via LoRa communication. The fabricated self-powered WSN system can wirelessly transmit the data at distances as long as 500 m.
The second study is to fabricate a high-performance photovoltaic-thermoelectric hybrid generator by hybridized a thermoelectric generator and a photovoltaic module for the advancement of new and renewable energy technology and improvement of commercial feasibility. First, a high-performance monolithic photovoltaic-thermoelectric hybrid generator with a light-to-heat conversion layer was implemented. The layer, a thin acrylic film dyed with black colored AZO dye, effectively absorbs photons in the near-infrared region. The AZO dye supports an exothermic reaction through non-radiative relaxation. The hybrid generator was fabricated through monolithic integration. A thermoelectric (TE) module was fabricated directly on the back surface of the photovoltaic (PV) module without using the ceramic substrate typically employed in conventional TE modules, so that thermal resistance between the PV module and TE module could be minimized. The 51.35 cm$^2$ fabricated hybrid generator showed a power conversion efficiency of about 22.5% with an open-circuit voltage of 0.94 V and a maximum power of 1.15 W under standard AM 1.5G illumination. The hybrid power generator with the photo-thermal conversion layer showed about 40% higher output power compared to the control PV only, about 16% higher than an acrylic control film, and about 7.4% higher than a common black dyed interface layer. Furthermore, a series/parallel reconfigurable hybrid generator was also successfully implemented to supplement the passive aspect of thermoelectric generator. A series/parallel reconfigurable thermoelectric generator composed of several unit devices actively reconfigures the electrical configuration according to the output of the photovoltaic module. This means that the maximum output can be generated under all solar irradiation environments, unlike the conventional hybrid generators which have an optimal driving point only under the AM 1.5G environment. As a result, the cumulative harvested energy during the day was 3.3 times higher than that of the conventional hybrid generator in a area of 100 cm$^2$ and 4.3 times higher in 14,640 cm$^2$.
The second hybrid generator deals with the successful implementation of a new concept high-performance hybrid generator by material-level hybridization of a dye-sensitized solar cell and a thermoelectric generator. Unlike conventional devices, charge generation and transport occur within one element by combining an N-type dye-sensitized solar cell and a P-type thermoelectric element. It excites electrons through photon absorption from sunlight and controls the movement of holes by using thermal energy generated by photons in the near-infrared region. In addition, the P-type thermoelectric element was able to generate a synergistic effect to further increase the power conversion efficiency by supplying electrons to the electrolyte of the dye-sensitized solar cell to promote the reduction of the dye. As a result, the hybrid generator achieved 10.8% of power conversion efficiency under the AM 1.5G environment, which in-creased by 33% compared to the dye-sensitized solar cell. It has achieved the highest level among the existing tandem-type devices and material synthesis-type devices.
The third hybrid generator deals with the successful implementation of a wearable organic solar cell-thermoelectric hybrid generator by hybridizing a flexible thermoelectric generator and a flexible organic solar cell. The fabricated hybrid generator is flexible therefor, it can be worn on the human body and it is suitable for outdoor activities for a long time because it uses sunlight during the day and body temperature at night. In addition, the open-circuit voltage loss, a chronic problem of organic solar cells, could be minimized through the hybridization with thermoelectric generator. It was confirmed that the fabricated organic solar cell-thermoelectric hybrid generator had a higher circuit open circuit voltage, carrier recombination lifetime, and carrier concentration under all solar irradiation environments compared to organic solar cells. The increase in the open-circuit voltage of the hybrid generator was larger than the arithmetic sum of the open-circuit voltages of the organic solar cell and the thermoelectric generator. This could be interpreted as minimizing voltage loss due to non-radiative recombination of organic solar cells. The fabricated wearable hybrid generator was stable even after repeated bending 1,000 times and was able to generate up to 34 mWh during 30 minutes of outdoor activity during the day and 5.9 mWh at night.
본 논문은 열전 발전 소자의 실용성 향상을 위한 응용기술 개발과 한계 발전 효율을 극복하기 위한 새로운 개념의 융합 소자 구현을 주제로 한다. 본 연구의 첫번째 목적은 열전 발전 소자를 이용한 자가 발전형 무선 센서 노드를 구현함으로써 전력 출력 최적화 과정을 통해 실제 산업 환경에서 열전 발전 소자의 실용성을 확인하고, 열전 발전 소자를 태양광 발전 소자와 융합함으로써 두 에너지 하베스터가 직면한 한계 발전 효율 문제를 극복할 수 있는 돌파구를 제안하는 것이다. 산업 환경이 거대화되고 자동화됨에 따라 무선 센서 네트워크는 효율적인 작동 및 안전을 위한 필수 기술로 주목 받고 있다. 에너지 하베스터에 의해 자체적으로 전원을 공급받는 무선 센서 노드는 유지 보수 비용과 배터리 교체와 관련된 인력 비용을 크게 줄일 수 있다. 그러나 자가 발전형 무선 센서 노드를 위한 에너지 하베스팅 기술에 관한 연구들 중에서 발전 전력은 산업 환경에서 실제 사용하기에는 너무 낮다. 이에 유연한 열전 발전 소자에 의해 구동되는 실용성이 크게 향상된 자가 발전형 무선 센서 노드를 구현했다. 그 결과 70℃의 온도의 히트 파이프에서 140×113 mm$^2$ 면적의 유연 열전 발전 소자는 272 mW의 전력을 수확하였다. 또한 LoRa 통신을 통해 히트 파이프 온도, 주위 온도, 습도, CO2 및 휘발성 유기 화합물 농도를 원격 모니터링 할 수 있는 완벽한 자체 전원 공급형 무선 센서 노드 시스템을 구현했다. 제작된 자가 발전형 무선 센서 노드 시스템은 500 m의 거리에서 무선으로 데이터를 전송할 수 있었다.
신재생 에너지 기술 분야의 고도화와 상업성 향상을 위해 열전 발전 소자와 태양광 발전 소자를 융합하여 고성능 태양광·열전 융합 발전 소자를 제작한 것이 두번째 연구이다. 그 첫번째로 광-열 변환 층을 가진 고성능 모노리식 태양광·열전 융합 발전 소자를 구현하였다. 흑색 AZO 염료로 염색한 얇은 아크릴 필름은 근적외선 영역의 광자를 효과적으로 흡수한다. AZO 염료는 비 방사성 이완을 통해 발열 반응을 한다. 열전 발전 소자는 상용 소자에 사용되는 세라믹 기판을 사용하지 않고 태양광 발전 소자의 후면에 직접 제작되어 태양광 발전 소자와 열전 발전 소자 간의 열 저항을 최소화 할 수 있었다. 51.35 cm$^2$ 면적의 제작한 태양광·열전 융합 발전 소자는 표준 AM 1.5G 조명 하에서 0.94 V의 개방 회로 전압 및 1.15 W의 최대 전력으로 약 22.5 %의 전력 변환 효율을 나타냈다. 광-열 변환 층을 갖는 태양광·열전 융합 발전 소자는 상용 단결정 실리콘 태양광 발전 소자와 비교하여 약 40% 더 높은 출력 전력을 수확했으며, 일반 아크릴 필름을 사용한 샘플보다 약 16%, 일반 흑색 염료로 염색된 계면 층보다 약 7.4% 높았다. 더 나아가 융합에 있어서 열전 발전 소자의 수동적인 측면을 보완하고자 구현한 직/병렬 재구성 융합 발전 소자 또한 성공적으로 구현하였다. 여러 단위 소자로 이루어진 직/병렬 재구성 열전 발전 소자는 태양광 발전 소자의 출력에 따라 소자의 전기적 구성을 능동적으로 재구성한다. 이는 기존의 대부분의 연구 들에서 융합 소자의 최적 구동점이 AM 1.5G 환경에 존재하는 것과 달리 모든 태양광 조사 환경에서 최대의 출력을 발전할 수 있음을 의미한다. 그 결과 하루동안 누적 발전 에너지는 소자 면적 100cm$^2$에서 기존 융합 소자 대비 3.3배 높고 14,640cm$^2$에서 4.3배 높았다.
두번째 융합소자로는, 단가가 저렴하고 공정이 비교적 간단하며 건축, 산업 등 다양한 분야에서 적용성을 인정받았지만 아직까지 낮은 발전 효율로 실용성이 검증되지 않은 염료 감응형 태양광 발전 소자와 열전 발전 소자를 재료적으로 융합하여 신개념의 고성능 융합 발전 소자를 성공적으로 구현한 내용을 다룬다. 기존의 융합 소자와는 달리 N형 염료 감응 태양광 소재와 P형 열전 반도체 소재를 결합하여 하나의 요소 내에서 태양광 포톤 흡수를 통해서는 전자를 여기시키고 근적외선 영역의 포톤으로 인해 생성된 열에너지를 이용해서는 홀의 이동을 제어하는 융합 발전 소자다. 또한 P형 열전 반도체 소재는 염료 감응형 태양광 발전 소자의 전해질에 전자를 공급하여 염료의 환원을 촉진시켜 발전 효율을 더욱 상승시키는 시너지 효과를 발생시킬 수 있었다. 그 결과 AM 1.5G 환경에서 융합 발전 소자는 전력 변환 효율 10.8%를 달성하여 염료 감응형 태양광 발전 소자 대비 33% 증가하였다. 기존의 텐덤형 융합 소자들과 재료 합성형 융합 소자들 중 최고치를 달성하였다.
세번째 융합소자로는, 유연 열전 발전 소자와 유연 유기 태양 전지를 융합하여 웨어러블 유기 태양 전지·열전 융합 발전 소자를 성공적으로 구현한 내용을 다룬다. 에너지 하베스터 연구의 본질인 응용 기술 개발을 목적으로, 헬스케어 분야에서 오랜 기간 각광받아온 웨어러블 에너지 하베스터를 융합 발전 소자를 이용하여 구현했다. 두 유연 소자의 융합으로 제작된 융합 소자 역시 유연하여 인체에 착용 가능할 뿐 아니라 낮에는 태양광을 이용하고 밤에는 체온을 이용하기에 장시간 외부 활동에 적합하다. 또한 유기 태양 전지의 고질적인 문제였던 회로 개방 전압 손실을 열전 발전 소자와의 융합을 통해 최소화할 수 있었다. 제작한 유기 태양 전지·열전 융합 발전 소자는 유기 태양 전지에 비해 모든 태양광 조사 환경에서 더 높은 회로 개방 전압과 캐리어 재결합 수명, 농도를 가지는 것으로 확인했다. 융합 소자의 회로 개방 전압 증가폭은 유기 태양 전지와 열전 발전 소자의 회로 개방 전압의 산술합보다 컸다. 이는 융합으로 인해 유기 태양 전지의 비방사성 재결합에 따른 전압 손실이 최소화된 것으로 해석할 수 있었다. 제작한 웨어러블 융합 발전 소자는 1,000회의 반복 굽힘에도 안정적이었으며, 낮에는 30분간의 외부 활동으로 최대 34mWh의 전력을, 밤에는 5.9mWh의 전력을 발전할 수 있었다.
