지금까지 발명된 가장 효율적인 태양 전지! 에너지 변환 효율 47.1% 초과

2023/05/10

최근 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)은 최대 에너지 전환 효율이 47.1%에 달하는 세계 최고 효율의 태양전지를 개발했다. 이러한 효율 기록은 종종 깨지지만 변환 효율이 47.1%인 태양 전지는 현재 세계에서 가장 효율적인 태양 전지라고 할 수 있습니다. 최신 연구 결과는 4월 13일 Nature Energy에 게재되었습니다.

태양 전지는 변환 효율을 개선하는 과정에서 계속 발전하고 있으며 올바른 재료 조합을 통해 태양 전지가 태양광을 전기로 변환하는 능력을 향상시킬 수 있습니다. NREL의 고효율 결정 광전지 팀의 수석 과학자인 John Geisz는 "이 새로운 장치는 다중 접합 태양 전지의 엄청난 잠재력을 보여줍니다."라고 말했습니다.

다중접합 태양전지는 고효율 태양전지의 일종이다. 각 셀에는 분자 빔 에피택시 또는 유기 금속 화학 증착에 의해 만들어진 여러 개의 박막이 있으며, 서로 다른 특성 밴드 갭을 가진 이러한 서로 다른 반도체는 스펙트럼에서 전자기파의 특정 주파수에서 에너지를 흡수할 수 있습니다.

지금까지 연구를 통해 규소가 태양전지 효율의 금본위제라는 사실이 입증되었으며, 규소만 사용하는 단일접합 태양전지의 효율은 현재 33%로 가장 높은 효율을 보인다. 33%의 효율성 제한은 재료를 변경하고 더 많은 절점을 추가하고 두 절점 사이에 일련의 엔지니어링 기술을 구현하여 해결할 수 있습니다. 예를 들어, 일부 3접합 태양 전지의 변환 효율은 태양광 집중 조건에서 45%를 초과할 수 있습니다.

NREL이 새롭게 개발한 태양전지는 III-V형 6접합 구조로, 여기서 "III-V"는 주기율표에서 광흡수 원소의 위치를 의미하며, III-V 물질은 광흡수 범위가 넓다. 형질. 셀의 6개 연결 지점은 각각 특별히 설계되었으며 태양 스펙트럼의 특정 부분에서 빛을 포착할 수 있는 6가지 유형의 광활성층으로 구성됩니다.

현대 공학 및 나노 기술을 통해 이 장치는 이러한 연결 지점의 성능을 지원하기 위해 총 약 140개의 서로 다른 III-V 재료 레이어를 포함하지만 너비는 사람 머리카락의 1/3에 불과합니다.

이 III-V 유형 6접합 태양전지의 성능을 탐구하기 위해 NERL 과학자들은 자연광보다 143배 더 강한 집중광으로 테스트했습니다. 테스트 결과 그들의 새로운 태양 전지는 집중된 빛 아래에서 47.1%의 기록적인 변환 효율을 가졌습니다.

비록 실사용에서 달성될 수 있는 것보다 낮은 효율에 해당하는 집중된 빛 아래에서 테스트가 수행되었지만, 팀은 반사체를 사용하여 태양광을 셀에 집중시키는 장치를 구성할 수 있다고 말했습니다. 팀은 또한 정상적인 햇빛 노출로 이 새로운 유형의 셀을 테스트했으며 변환 효율은 여전히 39.2%에 도달했습니다. 39.2%의 변환 효율이 뛰어나지 않은 것처럼 보일 수 있지만 여전히 햇빛 노출에서 변환 효율에 대한 새로운 세계 기록을 세웠습니다.

NREL의 John Geisz에 따르면 효율 50% 한계를 돌파하기 위해서는 태양 전지의 전류 흐름을 방해하는 내부 저항을 줄이는 것이 주요 장애물이라고 합니다.

본 연구의 의의는 일반 태양광과 집중광에서의 변환 효율의 차이를 통해 이러한 6접합 III-V형 태양전지를 경제적인 방식으로 배치할 수 있는 가능성이 있다는 점이다. 상대적으로 저렴한 새로운 태양 전지에 빛을 집중시키는 거울을 사용하면 이 기술을 사용하는 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 집중하면 더 적은 반도체가 사용됩니다. 동시에 태양광을 집중시키면 셀의 효율성도 향상될 수 있습니다.

다중 접합 전지의 공동 개발자이자 NREL의 과학자인 Ryan France에 따르면 태양 전지의 효율 잠재력을 50% 이상 초과하는 것이 가능하다고 합니다. 사실, 동일한 효과를 달성하려면 궁극적으로 원래 반도체 재료의 크기 또는 NREL 연구에 사용된 재료와 비교하여 1/1000만 필요할 수 있습니다. 이것은 태양광 발전을 모두에게 더 저렴하게 만들 것입니다.

또한 이러한 태양 전지 기술의 돌파구는 고효율 태양 전지가 우주선에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있는 항공 우주와 같은 다른 산업에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

전반적으로 NREL에 의한 세계에서 가장 효율적인 태양 전지 개발은 재생 에너지 산업에서 중요한 진전입니다. 50% 효율 한계를 초과할 가능성이 있으므로 태양 에너지의 미래는 그 어느 때보다 밝아 보입니다.

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