고효율 태양전지를 향해

(큰 구가 Si 나노결정이고 작은 구가 Er 이온이다)

SiO2, Si 나노결정 그리고 Er 이온으로 이루어진 층이 태양전지의 효율 향상을 위해 태양광 스펙트럼의 자외선을 이용할 수 있게 도와줄 수 있다. 

기존의 Si 기반의 태양전지가 자외선을 흡수하면 대부분의 에너지는 열의 형태로 소실된다. 연구자들은 이 초과 에너지가 다수의 Er 이온을 여기시켜 적외선을 방출할 수 있다는 것을 보였다.  

Si 나노결정은 초과 에너지가 열로 소실되기 전에 Er 이온으로 전달한다. 이것이 흡수 포톤당 몇몇 저에너지 적외선 포톤의 방출을 이끌어 여분의 전기를 생산할 수 있다. 

하지만 이 기술은 실험적으로 증명되었지만 태양전지 아키텍처에 아직 사용되지 않고 있다. 

앞으로 일은 Si 나노결정의 크기와 간격, 희토류의 종료와 농도, 그리고 두께를 최적화하여  변환층의 좀 더 개선하는 일이다.  그리고 이 층이 반산방지층 역할을 하는지 알아보는 것이다.  

참고: http://phys.org/news/2014-08-efficient-solar-cells.html

태양전지가 열복사선을 이용하다

단지 태양 복사선의 일부만이 태양전지에 이용 되고 있는데 Si의 경우 적외선의 일부을 사용하지 못한다.

연구자들은 지금 최초로 up-converter의 도움으로 이 적외선을 사용할 수 있게 했다.

태양 복사선이 태양전지에 떨어지면, 가시광과 근적외선은 셀에 흡수지만 적외선은 흡수되지 않고 곧장 셀을 통과한다.

통과된 복사선은 뒷쪽에 있는 up-converter을 작동시킨다. Up-converter는 본질적으로 폴리머 안에 임베디드된 sodium yttrium fluoride로 만들어진 마이크로 결정 분말인데 yttrium이 erbium에 의해 대체되어 있다. Erbium(Er)은 광학 파장 범위에서 반응성이 좋고 up-conversion을 일으킨다.

광이 up-converter에 떨어지면 Er 이온은 여기되면서 더 높은 에너지 상태로 단계적으로 올라간다. 이는 사다리를 타고 올라가는 것과 같다.

이런 식으로 여기된 이온은 가장 높은 에너지 상태에서 아래로 떨어질수 있는데 이때 전자가 뛰어오르게 할 수 있는 에너지를 갖는 광을 방출한다. Up-converter는 이 광들을 모아 태양전지로 보낸다.

Up-converter을 태양전지에 실제로 채용하기 위해 셀 앞 뒷면에 금속 격자를 형성해서 적외선이 셀을 통과하도록 했다. 게다가 셀의 양면에서 광이 흡수될 수 있게 했다. 셀의 양면에 특별하게 설계된 반사방지 코팅이 있어 표면 반사를 없앤다.

참고: http://www.rdmag.com/news/2013/11/solar-cells-utilize-thermal-radiation