태양전지 연구

Solar cell research
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1976년 이후 연구용 태양전지 에너지 전환 효율 보고 일정(국립 재생 에너지 연구소)

현재 세계 각지의 대학이나 연구기관에는 태양광 발전 분야에서 활동하고 있는 연구 그룹이 많이 있다.이 연구는 세 가지 영역으로 분류될 수 있다: 현재의 기술 태양전지를 더 저렴하게 만들고/또는 더 효율적으로 다른 에너지원과 경쟁할 수 있도록; 새로운 태양전지 아키텍처 설계에 기초한 새로운 기술 개발; 그리고 빛 에너지에서 더 효율적인 에너지 변환기 역할을 하는 새로운 재료 개발.전류 또는 광흡수기 및 전하 캐리어.

실리콘 가공

비용을 절감할 수 있는 한 가지 방법은 충분히 순수한 실리콘을 얻을 수 있는 저렴한 방법을 개발하는 것입니다.실리콘은 매우 일반적인 원소이지만 일반적으로 실리카 또는 실리카 모래에 결합되어 있습니다.실리콘을 생산하기 위해 실리카(SiO2)를 처리하는 것은 매우 높은 에너지 과정입니다. 현재의 효율로 볼 때, 기존의 태양 전지가 실리콘을 함유하는 것을 만드는데 사용된 만큼의 에너지를 생산하는 데는 1년에서 2년이 걸립니다.에너지 효율이 높은 합성 방법은 태양광 산업뿐만 아니라 실리콘 기술을 둘러싼 산업 전반에 도움이 됩니다.

현재 실리콘의 산업적 생산은 약 1700°C 온도에서 탄소(목탄)와 실리카 간의 반응을 통해 이루어집니다.탄화수소 환원이라고 알려진 이 과정에서 각 톤의 실리콘(금속 수술 등급, 순도 약 98%)이 약 1.5톤의 이산화탄소를 배출하면서 생성됩니다.

고체 실리카는 비교적 온화한 온도(800~900°[1][2]C)의 용융 염탕에서 전기 분해하여 직접 순수한 실리콘으로 변환(감소)할 수 있습니다.이 새로운 과정이 원칙적으로 1996년 말에 처음 발견된 FFC 캠브리지 공정과 동일하지만, 흥미로운 연구 결과는 그러한 전해 실리콘이 입자 크기가 몇 마이크로미터인 미세한 분말로 쉽게 변하는 다공질 실리콘의 형태이며, 따라서 새로운 기회를 제공할 수 있다는 것입니다.태양 전지 기술의 발전

또 다른 접근법은 실리콘 사용량을 줄여 웨이퍼를 매우 얇고 사실상 투명한 층으로 미세 가공하여 투명한 아키텍처 [3]피복으로 사용하는 것입니다.이 기술은 일반적으로 1~2mm 두께의 실리콘 웨이퍼를 가져다가 웨이퍼에 걸쳐 다수의 평행한 횡단 슬라이스를 만들어 두께가 50마이크로미터이고 폭이 원래 웨이퍼 두께와 동일한 다수의 슬라이스를 만듭니다.이러한 슬라이스는 90도 회전하므로 원래 웨이퍼의 면에 해당하는 표면이 슬라이버의 가장자리가 됩니다.그 결과, 예를 들어 면당 약 175cm의2 노출된 실리콘 표면적을 가진 150mm 직경의 2mm 두께 웨이퍼를 100mm × 2mm × 0.1mm 크기의 약 1000개의 은으로 변환하여 면당 총 노출된2 실리콘 표면적을 약 2000cm로 만듭니다.이 회전에 의해 웨이퍼 표면에 있던 전기적 도핑이나 접점은 기존의 웨이퍼 셀과 같이 전후가 아닌 슬라이버의 가장자리에 배치된다.이것은 세포의 전면과 후면 모두에서 세포를 민감하게 만드는 흥미로운 효과를 가지고 있습니다([3]양면성으로 알려져 있습니다).이 기술을 사용하면 140와트 패널을 만들 수 있는 실리콘 웨이퍼 한 개면 충분합니다. 반면, 동일한 출력의 기존 모듈에 필요한 웨이퍼는 약 60개입니다.

나노결정 태양전지

주요 기사:나노결정 태양전지

이러한 구조는 동일한 박막 광흡수 재료 중 일부를 사용하지만 내부 반사를 증가시키기 위해 표면적이 매우 높은 전도성 폴리머 또는 메소폴러스 금속 산화물의 지지 매트릭스 위에 극도로 얇은 흡수체로 중첩됩니다.나노크리스탈을 사용하면 전형적인 여기자 확산 길이인 나노미터 길이의 아키텍처를 설계할 수 있습니다.특히 전극 사이의 단일 p-n 접합 배열로 약 확산 길이로 분리된 단일 나노결정('채널') 소자는 태양전지의 새로운 아키텍처와 잠재적으로 높은 효율성을 나타낸다.

박막 처리

주요 기사:박막

박막형 태양광 전지는 웨이퍼 기반 태양 전지에 비해 고가의 원료(실리콘 또는 기타 광흡수제)의 1% 미만을 사용할 수 있어 와트당 피크 용량이 크게 감소합니다.전 세계에는 다양한 박막 접근법 [4]및/또는 재료를 적극적으로 연구하는 많은 연구 그룹이 있습니다.

특히 유망한 기술 중 하나는 유리기판 위의 결정 실리콘 박막입니다.이 기술은 태양전지 재료로서의 결정성 실리콘의 장점(풍부, 무독성, 고효율, 장기적인 안정성)과 박막 [5][6]접근법을 사용하는 비용 절감 효과를 결합합니다.

박막 태양 전지의 또 다른 흥미로운 측면은 플렉시블 기판(PET)을 포함한 모든 종류의 물질에 전지를 퇴적시킬 수 있는 가능성이다. 이것은 새로운 [7]응용 분야를 위한 새로운 차원을 열어준다.

변성 다접합 태양전지

2014년 12월 현재 태양전지 효율 세계 기록은 독일 [8]Fraunhofer ISE와 프랑스 CEA-Leti의 Soitec이 공동으로 개발한 다접합 집광기 태양전지를 사용하여 달성되었습니다.

국립재생에너지연구소(NREL)는 태양에너지를 기록적인 [9]효율로 변환하는 초경량 및 유연한 전지인 '변성 다접합 광전지'로 R&D 매거진의 R&D 100 어워드 중 하나를 수상했다.

이 초경량, 고효율 태양전지는 NREL에서 개발되었으며 미국 앨버커키의 [10]엠코어사가 앨버커키에 있는 커틀랜드 공군기지의 공군 연구실 우주차량 책임자와 협력하여 상용화하고 있다.

성능, 엔지니어링 설계, 운영 및 비용 면에서 분명한 이점을 가진 새로운 종류의 태양 전지를 나타냅니다.수십 년 동안 기존 셀은 유사한 결정 구조를 가진 반도체 물질의 웨이퍼를 특징으로 해 왔습니다.셀을 수직 구성으로 성장시키는 것에 의해서, 퍼포먼스와 코스트 효율은 저하됩니다.한편, 세포는 게르마늄으로 만들어진 바닥층과 함께 단단하고 무겁고 두껍다.

새로운 방법에서는 세포가 거꾸로 성장한다.이러한 층은 특히 대부분의 전력이 생산되는 셀의 상부 층에서 매우 고품질의 결정을 가진 고에너지 물질을 사용합니다.모든 레이어가 원자 간격의 격자 패턴을 따르는 것은 아닙니다.대신, 셀은 원자간격의 전체 범위를 포함하므로 햇빛의 흡수와 사용이 향상됩니다.두껍고 단단한 게르마늄 층이 제거되어 셀 비용과 무게의 94%가 감소합니다.기존의 머리 세포에 대한 접근 방식을 바꾸면 태양 에너지를 기록적인 효율로 변환하는 초경량 및 유연한 셀(326 태양 농도 이하 40.8%)을 얻을 수 있습니다.

폴리머 가공

전도성 고분자의 발명 (알란 히거, 알란 G. 맥디아미드, 그리고 시라카와 히데키가 노벨상을 수상)은 저렴한 플라스틱을 기반으로 한 훨씬 더 저렴한 전지의 개발로 이어질 수 있다.그러나 유기 태양 전지는 일반적으로 자외선에 노출되면 열화되기 때문에 수명이 너무 짧아서 생존할 수 없다.폴리머의 결합은 짧은 파장으로 방사될 때 항상 분해되기 쉽습니다.또한 전하를 전달하는 고분자 중의 켤레 이중결합계는 빛 및 산소와 보다 쉽게 반응한다.따라서 대부분의 전도성 고분자는 매우 불포화 및 반응성이 높기 때문에 대기 중의 수분과 산화에 매우 민감하기 때문에 상업적 응용이 어렵습니다.

나노 입자 처리

실험적인 비실리콘 태양 전지판은 전도성 고분자 또는 메소폴러스 금속 산화물에 내장된 탄소 나노튜브 또는 양자 닷과 같은 양자 헤테로 구조로 만들 수 있다.또한, 기존의 실리콘 태양 전지에 이러한 재료의 많은 박막을 사용하면 실리콘 셀에 대한 광결합 효율이 증가하여 전체적인 효율이 향상될 수 있습니다.양자 닷의 크기를 변화시킴으로써 서로 다른 파장을 흡수하도록 셀을 동조시킬 수 있다.연구는 아직 초기 단계에 있지만, 양자 도트 변형 광전지는 다중 들뜸 발전(MEG)[11]으로 인해 최대 42%의 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.

MIT 연구원들은 태양 전지 효율을 3분의 1로 향상시키기 위해 바이러스를 사용하는 방법을 발견했다.

투명 도체

주요 기사:투명 전도 필름

많은 새로운 태양 전지는 전하의 전도체이기도 한 투명한 박막을 사용한다.현재 연구에 사용되는 주요 전도성 박막은 투명한 전도성 산화물("TCO")이며, 불소 도프 주석 산화물(SnO2:F 또는 "FTO")과 도프된 산화 아연(예: ZnO:Al) 및 인듐 주석 산화물(예: "ITO")이 포함됩니다.이러한 도전성 필름은 LCD 업계에서도 플랫 패널 디스플레이에 사용됩니다.TCO의 이중 기능을 통해 빛이 기판 창을 통해 아래의 활성 광흡수 물질로 전달되며, 또한 광흡수 물질로부터 광생성 전하 캐리어를 운반하는 오믹 접점 역할을 합니다.현재의 TCO 재료는 연구에 효과적이지만, 아직 대규모 태양광 발전 생산에는 최적화되지 않았을 수 있다.고진공에서 매우 특별한 퇴적 조건이 필요하며, 때로는 기계적 강도가 저하될 수 있으며, 대부분 스펙트럼의 적외선 부분에서 투과율이 낮다(예:ITO 박막은 비행기 유리창에서 적외선 필터로도 사용할 수 있다.이러한 요인들로 인해 대규모 제조 비용이 더 많이 듭니다.

탄소나노튜브망을 유기태양전지의 투명도체로 사용하는 비교적 새로운 영역이 등장했다.나노튜브 네트워크는 유연하고 다양한 방법으로 표면에 퇴적될 수 있습니다.나노튜브 필름은 적외선에서 매우 투명하게 처리되어 효율적인 저대역간 태양전지를 가능하게 할 수 있습니다.나노튜브 네트워크는 p형 도체인데 반해 기존의 투명 도체는 n형 도체입니다.P형 투명 도체의 가용성은 제조를 단순화하고 효율성을 향상시키는 새로운 셀 설계로 이어질 수 있습니다.

실리콘 웨이퍼 기반 태양전지

새롭고 이국적인 소재를 사용해 더 나은 태양전지를 만들려는 수많은 시도에도 불구하고, 태양전지 시장은 여전히 실리콘 웨이퍼 기반의 태양전지(1세대 태양전지)가 장악하고 있는 것이 현실이다.이것은 대부분의 태양전지 제조사들이 현재 이런 종류의 태양전지를 생산할 수 있는 장비를 갖추고 있다는 것을 의미한다.이에 따라 실리콘 웨이퍼 기반의 태양전지를 저비용으로 제조하고, 생산원가를 크게 높이지 않고 변환효율을 높이기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다.웨이퍼 기반 및 대체 태양광 발전 개념의 궁극적인 목표는 태양광을 선도적인 1차 에너지원으로 만들기 위해 현재 시장 지배적인 석탄, 천연 가스 및 원자력에 버금가는 비용으로 태양광 전기를 생산하는 것입니다.이를 위해 설치된 태양 시스템의 비용을 현재 약 1.80달러(벌크 Si 기술의 경우)에서 최대 전력당 [12]약 0.50달러로 줄여야 할 수 있다.전통적인 벌크 실리콘 모듈의 최종 비용 중 대부분은 태양 등급 폴리실리콘 공급 원료의 높은 비용(와트당 약 0.4달러)과 관련이 있기 때문에, Si 태양 전지를 얇아지게 하거나(재료 절약), 더 저렴한 금속 실리콘으로 태양 전지를 만드는('더러운 Si'라고 불립니다) 상당한 추진력이 존재합니다.

IBM은 특수 패턴 제거 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼를 실리콘 기반 태양 전지판 제조에 사용되는 형태로 용도 변경하는 반도체 웨이퍼 재활용 공정을 보유하고 있습니다.이 새로운 과정은 최근 The National Pollution Prevention Roundtable (NPPR)[13]로부터 "2007 Most Value Pollution Prevention Award"를 받았다.

적외선 태양전지

아이다 호 국립 연구소에서 연구자들은 Lightwave 전력에서 파트너들과 함께캠브리지, MA및 패트릭 Pinhero 미주리 대학에서[14]는 값싼 방법을 플라스틱 시트 nanoantennas의 열 에너지는 태양과 22007년 Nano50도 다른 소식통에 의해 수집하는 수십억달러를 생산하기 위해 고안하였으나.이 회사는 2010년에 영업을 중단했다.에너지를 사용 가능한 전기로 변환하는 방법이 여전히 개발되어야 하지만, 언젠가는 시트가 하이브리드 자동차에서 컴퓨터, 휴대폰에 이르기까지 모든 것을 기존의 태양 전지보다 더 효율적으로 구동하는 경량 "스킨"으로 제조될 수 있을 것이다.나노안테나는 지구가 낮 동안 태양으로부터 에너지를 흡수한 후 열로 계속 방출하는 중적외선을 목표로 하고 있으며, 양면 나노안테나 시트는 태양 스펙트럼의 여러 부분에서 에너지를 수집할 수 있다.반대로, 전통적인 태양 전지는 가시광선만 사용할 수 있어 어두워진 후에 유휴 상태가 된다.

2012년부터 이탈리아 나폴리의 Promete s.r.l.[15]의 Roberto Germano 그룹은 예를 들어 [16][17]Nafion과 같은 강한 친수성 폴리머로 인해 액체 물에서 물리적(화학이 아닌) 비대칭성을 만든 후 순수한 액체 물에서 전압과 전류를 생성하는 옥스히드로전 효과에 대해 연구하고 있다.

자외선 태양 전지

일본 산업과학기술원(AIST)이 자외선(UV)을 이용해 전기를 발생시키지만 가시광선은 통과할 수 있는 투명 태양전지 개발에 성공했다.대부분의 전통적인 태양 전지는 가시광선과 적외선을 이용하여 전기를 발생시킨다.기존 윈도우 글라스를 대체하기 위해 사용되므로 설치 표면적이 넓을 수 있으므로 발전, 조명 및 온도 제어 기능을 모두 활용할 수 있습니다.

이 투명한 자외선 흡수 시스템은 p형 반도체 폴리머 PEDOT로 만들어진 유기-무기 헤테로 구조를 사용하여 달성되었습니다.Nb 도프된 티탄산 스트론튬 기판 위에 퇴적된 PSS 필름.PEDOT:PSS는 공기 중 안정성과 물 중 용해성으로 인해 박막으로 쉽게 제작됩니다.이러한 태양 전지는 UV 영역에서만 활성화되며 16%의 전자/광자의 비교적 높은 양자 수율을 산출합니다.이 기술의 향후 연구는 저비용의 대규모 [18]제조를 달성하기 위해 스트론튬 티탄산염 기판을 유리 기판 위에 퇴적된 스트론튬 티탄산염 필름으로 교체하는 것을 포함한다.

그 이후로, 태양 전지 발전에서 자외선을 포함하는 다른 방법들이 발견되었다.일부 회사들은 자외선을 [19]가시광선으로 바꾸기 위해 나노인광을 투명 코팅으로 사용한다고 보고하고 있다.다른 사람들은 GaN과 같은 광대역 갭 투명 반도체를 [20]망간과 같은 전이 금속으로 도핑함으로써 단일 접합 광전지의 흡수 범위를 넓혔다고 보고했다.

유연한 태양전지 연구

주요 기사:유연한 태양전지 연구

플렉시블 태양전지 연구는 화학증착 기술을 이용해 일반 종이 등 [21]플렉시블 기판에 광전지를 증착해 제조하는 매사추세츠공과대학에서 만든 연구 수준의 기술이다.종이로 태양전지를 제조하는 기술은 국립과학재단과 Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Program의 지원을 받아 매사추세츠 공과대학의 연구진에 의해 개발되었다.

3차원 태양전지

3차원 태양전지는 빛을 거의 다 포착하여 태양광 발전 시스템의 효율성 향상과 동시에 크기, 무게 및 기계적 복잡성을 줄일 수 있는 개발이 진행 중이다.조지아 기술 연구소에서 만들어진 새로운 3D 태양 전지는 도시 [22][23][24]가로망에 있는 고층 건물과 비슷한 일련의 작은 "타워" 구조물을 사용하여 햇빛으로부터 광자를 포착합니다.솔라3D는 이러한 3D 셀을 상용화할 계획이지만, 그 기술은 현재 특허 [25]출원 중이다.

발광 태양 집광 장치

주요 기사:발광 태양 집광 장치

발광 태양 집광기는 햇빛이나 다른 광원을 선호하는 주파수로 변환합니다; 그들은 전기와 같은 바람직한 형태의 전력으로 변환하기 위해 출력을 집중시킵니다.적절한 코팅이나 도판트로 처리된 액체, 유리 또는 플라스틱과 같은 매체의 발광(일반적으로 형광)에 의존합니다.이 구조는 큰 입력 영역의 출력을 작은 변환기로 유도하도록 구성되어 있으며, 여기서 집중된 에너지가 [26][27][28]광전기를 생성합니다.목표는 넓은 영역에서 저비용으로 빛을 모으는 것입니다. 발광 집광기 패널은 유리나 플라스틱과 같은 재료로 저렴하게 만들 수 있지만, 광전지는 고정밀, 첨단 기술 장치이므로 대규모로 건설하는 데 비용이 많이 듭니다.

Radboud University Nijmegen, Delft University of Technology 등의 대학에서 연구가 진행 중입니다.예를 들어 Massachusetts Institute of Technology의 연구원들은 발전용 창문을 태양광 집광기로 변환하는 방법을 개발했습니다.그들은 유리나 플라스틱 판에 염료의 혼합물을 칠한다.염료들은 햇빛을 흡수하고 그것을 유리 안에서 형광으로 다시 방출하는데, 내부 반사에 의해 제한되며, 유리의 가장자리에서 나타나며, 그곳에서 그러한 집중된 햇빛의 변환에 최적화된 태양 전지와 마주친다.농도계수는 약 40으로 광학설계는 렌즈형 집광기와 달리 태양을 정확히 향할 필요가 없고 확산광에서도 출력을 낼 수 있는 태양집광기를 만들어낸다.공유 솔라는 공정의 [29]상용화에 힘쓰고 있다.

메타물질

주요 기사:메타물질

메타물질은 많은 미세원소를 병치한 이종물질로 일반 고형물에서는 볼 수 없는 성질을 발생시킨다.이를 이용하면 좁은 파장에 걸쳐 뛰어난 흡수력을 가진 태양전지를 제작할 수 있을 것이다.마이크로파 영역에서 높은 흡수가 입증되었지만,[30][31] 300-1100-nm 파장 영역에서는 아직 입증되지 않았다.

태양광 발전용 열 하이브리드

주요 기사:태양광 발전 열 하이브리드 태양열 집열기

일부 시스템은 광전지를 열태양광과 결합하여 열태양광 부품이 열을 흡수하고 광전지를 냉각시킨다는 것이다.온도를 낮게 유지하면 저항이 낮아지고 셀 [32]효율이 향상됩니다.

펜타 기반 태양광 발전

펜타센 기반 광전지는 에너지 효율 비율을 최대 95%까지 향상시켜 오늘날 가장 효율적인 [33]기술의 효율성을 효과적으로 두 배로 높인다고 주장되고 있다.

중간 대역

주요 기사:중간 대역 태양광 발전

태양전지 연구의 중간 대역 광전지는 셀 효율의 쇼클리-퀴저 한계를 초과하는 방법을 제공한다.원자가 대역과 전도 대역 사이에 중간 대역(IB) 에너지 레벨을 도입합니다.이론적으로 IB를 도입하면 밴드갭보다 적은 에너지를 가진 2개의 광자가 원자가 대역에서 전도 대역으로 전자를 들뜨게 할 수 있습니다.이로 인해 유도 광전류가 증가하여 [34]효율이 향상됩니다.

Luque와 Marti는 먼저 상세 밸런스를 사용하여 중간 에너지 레벨 1개의 IB 장치에 대한 이론적 한계를 도출했습니다.그들은 IB에서 어떤 캐리어도 수집되지 않았으며 장치가 완전히 집중되어 있다고 가정했다.연구진은 1.95eV의 밴드갭에 대해 최대 효율이 63.2%인 것을 확인했으며, IB는 원자가 또는 전도 대역에서 0.71eV를 사용했습니다.1개의 태양 조명으로 제한 효율은 47%[35]입니다.

레퍼런스

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