스펙트럼 집광을 통한 태양전지 효율 향상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-02

실리콘 태양전지(silicon solar cell)는 전세계 태양전지 시장의 90% 이상을 점유하고 있다. 이것은 부분적으로는 태양 스펙트럼 파장의 많은 부분을 수확할 수 있는 1100nm인 실리콘의 적절한 밴드갭(bandgap) 때문이다. 그러나 이 밴드갭보다 짧거나 긴 파장은 수확하지 못함을 의미하기도 한다. 이론적인 효율의 한계는, 태양의 전체 스펙트럼을 전류로 전환했을 때의 값인 1000W/m2의 30% 수준에 불가하다. 따라서 태양 스펙트럼의 근적외석 에너지의 20% 정도는 손실되는데, 이 정도 파장은 반도체를 통과해 버리기 때문이다. 영국, 스페인, 프랑스 및 독일 과학자들로 이루어진 국제연구팀은 다른 방식을 제안하고 있다. 그것은 업컨버젼 층(upconversion layer)을 사용하는 것이다. 이런 광학물질은 두 개의 장파장 광자의 에너지를 흡수하고 통합시켜, 태양전지가 흡수할 수 있을 정도의 높은 에너지를 갖는 단일 광자를 생성해 낼 수 있다. 이런 방식으로, 실리콘 태양전지의 뒤편에 업컨버젼 물질을 포함하는 층을 단순히 부가함으로써, 이전에 수확하지 못했던 태양스펙트럼의 부분을 활용할 수 있다. 에르븀(Erbium) 기반의 업컨버터가 이런 기능을 제공하며, 1470∼1580nm 파장 범위의 빛(24.5 W/m2에 해당)을 흡수하고 980nm로 전환된 광자를 방출한다. 이 광자는 실리콘 장치에 의해 효율적으로 흡수된다. 그러나 여전히 1100∼1470nm의 파장에 해당하는 빛은 수확되지 못하고 있다. 만약 이 범위의 에너지를 좀 더 장파장쪽으로 이동시킬 수 있다면, 업컨버터가 활용할 수 있는 에너지는 87.7 W/m2까지 증가하게 된다. 연구팀은 이 스펙트럼 집광(spectral concentration)을 위해 양자점(quantum dots, QDs)과 광결정(photonic crystals, PCs)을 통합하여 사용하는 방법을 이용하였다. 양자점은 발광 장파장 이동(luminescent red-shifting)을 제공하고, 광결정은 양자점 방출을 재형성하여 업컨버터의 흡수스펙트럼에 적합하도록 조정하는데 중요한 역할을 담당한다. 광결정은 양자점의 발광분포를 좁혀 빛의 농도를 67%까지 향상시킨다.  게다가, 양자점의 발광을 변위시켜 중복시킴으로써, 업컨버터에 의한 흡수를 최대 158%까지 향상시킨다. 또한 양자점의 재흡수에 의한 손실도 감소시켜 준다. 마지막으로, 이차원 광결정에 의해 형성된 평면에 국한되기 때문에, 수직 발광은 약 680% 향상된다. 이 부가적인 에너지의 활용성은 업컨버젼이 비선형 과정을 거치며, 이것의 효율은 초기 전력에 선형적으로 증가하지 않고 2차식(quadratically)으로 증가하기 때문이다. 따라서 3.6배의 빛의 증가는 업컨버젼 방출을 13배로 크게 증가시킨다. 이런 점에서 보면, 스펙트럼 집광은 향후 업컨버젼 광전지분야의 주요한 전력 중 하나로 활용될 수 있을 것이다. 그림> 태양 스펙트럼 집광의 메커니즘. (a) AM1.5G 태양 스펙트럼 빛(흑샌 선) 및 실리콘 태양전지에서의 최고 이론 전자-홀 생성 영역(음영처리된 부위). 적색 부위는 NaYF4:Er3+에 의해 흡수되는 영역이며, 청색 부위는 업컨버터에 의해 형성되는 주요 피크에 해당한다. (b) 업컨버젼 층 및 양자점이 포함된 광결정 스펙트럼 집광을 가진 실리콘 태양전지의 구성도. 단파장 광자는 실리콘(1)에 의해 직접 흡수되거나, 직접 업컨버젼(2) 되거나 스펙트럼 집광기에서 down-shifting(3) 된다. (c) 1100∼1350 nm의 에너지를 가진 입사 광자가 양자점에 의해 down-shifting되는 메커니즘. 업컨버젼 과정을 거치기 전에 Er3+에 의해 먼저 흡수된다. 원문정보: Photonic Crystal-Driven Spectral Concentration for Upconversion Photovoltaics, Advaced Optical Materials, DOI: 10.1002/adom.201400402 1-upconversion.jpg http://www.materialsviews.com/spectral-concentration-improves-solar-cell-efficiency/