"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

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