완벽한 태양전지

태양에너지를 열로 변환시키는 이상적인 물질을 만들기 위한 핵심은 물질의 흡수 스펙트럼을 정확히 튜닝하는 것이다. 

MIT 과학자들은 태양광 흡수를 위하여 열을 저장할 수 있는 이상적인 물질을 개발했다. 이 물질은 2차원 금속 유전체 광결정인데 다양한 각도에서 광흡수을 할 수 있고 매우 높은 온도에서 견딘다. 특히 이 물질은 싸게 대량으로 만들 수 있다. 

이 물질은 태양-열광전지(solar-thermophotovoltaic, STPV) 소자의 부분으로 작동한다. 

STPV 소자의 동작 원리는 태양광 에너지가 우선 열로 변환되고 이 열이 물질을 빛나게 하고 이 빛이 전기에너지를 만든다. 

MIT가 한 일은 STPV 소자를 이루는 나노 크기의 빈 동공 내에 유전체 물질(반사 방지 목적)을 형성한 것이다. 그들은 빈 동공의 크기를 제어함으로써 2차원 광결정 물질의 광흡수 특성을 매우 정밀하게 제어할 수 있었다. 

이 새로운 물질의 또 다른 중요한 점은 6인치 Si 웨이퍼 위에 제조될 수 있다는 것이다. 

 STPV 소자는 성능 극대화를 위해 거울을 이용해서 집광시키는데 이때 광결정은 고온에서 손상없이 견뎌야 한다. 그들의 광결정은 1000 °C, 24 시간 동안 심각한 열화 없이 잘 견뎠다. 

참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37550.php 

태양광 에너지의 열 뿐아니라 광을 이용하는 방법

MIT 연구원이 개발한 태양 에너지를 수확하는 새로운 접근은 고온 물질을 가열하여 적외선 방출에 태양광을 이용함으로써 태양전지의 효율을 향상시키는 것이다. 

이 기술은 나중을 위해 에너지를 저장하기에 쉽다. 열을 저장하는 것이 전기를 저장하는 것보다 용이하기 때문이다. 

상용 Si 기반 태양전지는 태양광 스펙트럼 전체를 이용하지 못한다. 왜냐하면 밴드갭이라고 불리는 광전지 물질의 특정 에너지 준위와 포톤 에너지 준위가 매칭이 되어야 광전기변환이 일어나기 때문이다. 사실 Si 밴드갭은 태양광의 많은 파장에 반응하지만 많은 다른 파장은 그렇지 않다. 

이 한계를 극복하기 위해 그들은 탄소 나노튜브와 광결정으로 구성된 2층 흡수체 이미터를 태양광과 광전지 사이에 끼워 넣었다. 

이 중간층(intermediate layer)은 태양광의 광범위한 스펙트럼으로 부터 에너지를 모아 가열되고 특정한 파장의 광을 방출한다. 

열광전지(thermophotovoltaic, TPV) 시스템은 Shockley-Queisser 한계를 피해 갈 수 있는 길을 제공할 수 있다. 하지만 열광전지의 현 수준은 초기 테스트 소자에서 효율 3.2%이기 때문에 해결해야하는 과제들이 많다. 

2층 흡수체 이미터 디자인이 효율 향상에 핵심이다. 외곽층(태양광이 입사되는)은 다중벽 탄소 나노튜브의 어레이인데 태양 에너지를 매우 효율적으로 흡수하여 열로 바꾼다. 외곽층은 광결정층과 단단히 결합된다. 외곽층이 가열되면 광결정층에 의해 인근의 광전지 물질의 밴드갭 보다 높은 피크 강도를 갖는 광이 발생한다. 

실험에서 그들은 인공 태양광을 사용했는데 열광전지의 피크 효율은 태양광을 750배 만큼 집광시켰을 때와 동등한 강도로 인공 태양광을 쪼였을 때이다. 이 빛은 흡수체 이미터를 962 °C로 가열시켰다. 

이 집광 수준은 이전의 수천배에 비해 이미 훨씬 낮아졌지만 열광전지 시스템을 더 쉽게 동작시키기 위해서는 태양광의 집광 수준을 낮출 필요가 있다. 

본 열광전지 시스템의 중간층은 높은 온도을 필요로 하기 때문에 크기가 결정적이다: 크기를 증가시키면 열손실이 급격히 감소한다. 초기 테스트은 1 cm 칩에서 이루어졌지만 앞으로 10 cm 칩에서 이루어질 것이다. 

참고: https://newsoffice.mit.edu/2014/how-to-tap-the-suns-energy-through-heat-as-well-as-light-0119 

달궈진 탄소 나노튜브가 더 많은 광을 포획하도록 도운다

MIT의 과학자들은 보통 버려지는 빛의 파장을 이용하기 위해 탄소 나노튜브 층이 있는 콤팩트하고 평면의 열광전지를 연구하고 있다. 

그들의 열광전지의 효율은 3.2%였다. 

그들은 다중벽 탄소 나노튜브와 Si/SiO2 광결정을 결합한 "흡수체-이미터(absorber-emitter)"을 입사광과 태양전지 셀 사이에 만들었다.

흡수체-이미터는 탄소 나노튜브의 바깥 층에 광결정 층이 단단히 붙어있는 구조이다.  

나노튜브가 집광된 태양광을 흡수하면 흡수체-이미터는 962 °C로 벌겋게 가열된다. 이 때 광결정은 적외선을 방출하고 태양전지는 그 빛을 전기로 바꾼다. 

참고: http://www.bloomberg.com/news/2014-01-20/hot-nanotubes-helping-solar-panels-capture-more-sunlight.html

"cold" 포톤을 달궈서 태양전지 효율 한계를 높이다

저가의 고효율 태양전지를 위한 탐구는 근본적인 것과 기술적인 한계에 직면하게 된다. 이 중 근본적인 것은 1) 물질의 밴드갭 에너지 보다 낮은 에너지의 포톤을 사용할 수 없는 것과 2) 물질의 밴드갭 에너지 보다 높은 에너지의 포톤 흡수에 의해 발생하는 전하 캐리어의 열중성화(thermalization) 3) 광에 의해 생성된 전하 캐리어의 재결합이 야기하는 손실이다. 

MIT의 과학자들은 전기적 up-conversion과 열광전지(thermophotovoltaic, TPV)의 변환 과정을 결합한 thermal up-conversion을 이용하여 저에너지의 포톤을 활용하면 Shockley-Queisser 한계를 넘어설 수 있다고 말한다. 

그들의 태양전지는 단일 접합 태양전지와 thermal up-converter을 결합한 하이브리드 형태이다. 

광활성 물질의 밴드갭 보다 낮은 에너지의 포톤이 up-converter에 의해 흡수되면 열이 발생되고 그 열이 더 높은 에너지의 포톤을 생성시켜 태양전지 셀 쪽을 보낸다. 

이 과정이 가능하려면 up-converter의 전면과 후면 모두 각도와 주파수 선택 이미턴스(emittance) 특성이 세심하게 설계되어야 한다. 

그들은 비집광하에서 이 하이브리드 소자의 최대 효율이 73%에 도달 할 수 있다고 한다. 

높은 up-conversion 효율에 도달하려면 up-converter 온도를 올릴 필요가 있다. 그 온도는 현실적으로 달성 할 수 있는 900 ~ 1600K 이다. 

http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=33568.php

열로 태양전지의 효율 증가시키다

MIT의 연구자들이 최근에 1차원 구조의 Si/SiO2 광결정 이미터와 InGaAsSb 태양전지와 결합한 열광전지를 만들었는데 5%이상의 효율을 달성했다.

이 결과는 광결정을 이용한 최초의 열광전지에 대한 성능이다.

이론적 모델에 의하면 이미터/흡수체로써 2차원 Ta(tantalum) 광결정과 간단한 평면 텐덤 필터를 이용하면 열광전지의 효율은 10%가 넘을 것이라고 한다.

나노구조의 광결정 Si 이미터에 의한 효율이 그라파이트 흑체에 의한 효율에 비해 2배 이상이었다.

그들은 광소스로 Xe 아크를 이용했는데 일상의 태양광의 세기의 100 배로 흡수체에 집광시킬 수 있었다.

광결정 흡수체-이미터 구조의 능력은 태양광의 전 스펙트럼을 열로 변환시키는 능력이고 태양전지의 밴드갭 에너지 보다 큰 에너지의 포톤의 방출 최대화하는 것이다.

흡수체와 이미터를 동일한 재료로 만들 수 있는데 2차원 구조의 Ta 광결정의 주기적인 공동 어레이에서 공동의 크기를 달리하면 된다.

열광전지가 효과적으로 작동할려면 1000 °C가 필요하다. 

참고: http://mpc-www.mit.edu/component/k2/item/339-enhancing-solar-cells-with-heat

새로운 내열 물질이 태양전지의 효율을 엄청나게 향상시킨다

열광전지(thermophotovoltaics) 소자는 태양광을 바로 태양전지 셀에 보내 전기를 생산하는 것이 아니라 중간물이 광을 흡수하여 뜨거워지면 적외선을 방출하게 되는데 이 광이 태양전지에 비쳐져 전기가 생산된다. 여기서 중간물은 광을 흡수해서 열을 생성시키는 흡수체와 열을 적외선으로 변환시키는 이미터로 구성되어 있다. 

(세라믹이 코팅된 텅스텐은 1400 °C 에서 1시간 동안 놓여진 후에도 구조적 짜임새를 유지한다.)

지금까지 열광전지 시스템은 단지 8% 정도의 효율을 갖고 있다. 좋지 못한 특성은 주로 텅스텐으로 만들어지는 중간물에서 발생한 문제때문이다.  

이번에 개발된 열이미터는 복잡한 3차원 나노구조를 갖고 있으며 1000 °C 이상에서 견딘다. 이는 실사용에서 문제없는 수준이다.

고온에서 견디는 열이미터를 위해 연구자들은 텅스텐 이미터를 HfO2(hafnium dioxide) 나노층으로 감쌌다. 이렇게 해서 만들어진 세라믹이 코팅된 이미터를 1000 °C에 놓아 두었을 때 이미터의 구조적 짜임새가 12시간 넘게 유지되었다. 2500 °C에서는 이 이미터는 최소한 1시간 동안 열적으로 안정을 유지했다. 

또한 이 이미터가 태양전지을 동작시키기에 이상적인 적외선을 낸다는 것을 확인했다. 

참고: https://energy.stanford.edu/news/scientists-develop-heat-resistant-materials-could-vastly-improve-solar-cell-efficiency