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45.7퍼센트 효율을 달성한 집광형 ....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-01-05 22:28
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    극도로 효율적인 3-5족 다중접합 태양전지가 태양에너지 변환의 한계를 넓히고 있다.

    234배 집광된 4접합 태양전지에서 45.7퍼센트의 변환효율을 입증했다고 미 에너지부 소속 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)가 발표했다. 이 업적은 모든 종류의 태양전지에서 달성된 가장 높은 효율 중 하나이다. NREL의 새 태양전지는 1,000배 이상 집광된 햇빛을 받을 수 있는 집광형 태양발전(CPV) 시스템에서 운영되도록 설계되었으며 극도의 효율성을 달성하기 위해 추가로 고품질 흡수 층을 통합함으로써 이전 디자인보다 크게 개선되었다.

    다중접합 태양전지는 태양광의 스펙트럼을 특정한 파장 범위에 맞춰진 밴드갭(bandgap)을 가진 재료에 의해 흡수되는 부분으로 나눔으로써 햇빛을 수확한다. 최적의 밴드갭을 가진 재료들을 결합시키는 것은 높은 효율을 얻는데 있어서 결정적으로 중요하다. 문제는 재료들의 우수한 품질을 유지하면서 그 재료들을 효율적인 광변환이 가능한 합성 태양전지로 통합하는 것이다. “이 다중접합 소자의 우수성은 격자부정합 서브셀(subcells)의 매우 높은 품질이다. 격자부정합 재료는 변위(dislocation)라고 불리는 결함을 소자에 도입해야 하는데, 변위는 소자의 성능을 크게 방해한다. NREL은 이러한 변위들을 조절하고 소자의 비활성 영역으로 제한하는 방법을 알아냄으로써, 부정합이 큰 재료를 다중접합 태양전지에 사용할 수 있었다.”고 이 태양전지의 설계자인 NREL 과학자 라이언 프랑스(Ryan France)는 말했다.

    NREL은 이러한 도전들을 염두에 두고 고성능 4JIMM(four-junction inverted metamorphic) 태양전지를 발명하고 개발했다. 이 새로운 디자인은 갈륨인듐인화물(GaInP) 접합, 갈륨비소 접합, 그리고 기판에 격자부정합된 2개의 갈륨인듐비소 접합들로 이루어져 있다. 45.7±2.3퍼센트라는 이 태양전지의 최대 효율은 234배 집광 AM1.5 직접 스펙트럼 조건에서 측정되었지만, 훨씬 더 높은 집광에서도 거의 마찬가지의 성능을 나타내며, 700배 집광에서는 45.2퍼센트 효율을 가진다. 이 소자는 이전 디자인에 비해서 많은 부분이 개선되었으며, 광대역 4층 무반사 코팅, 새로운 메타몰픽 터널접합 상호접속, 그리고 GaInP 상부 전지의 뛰어난 성능이 그것이다. 일반적인 GaInP 서브셀에 비해서, 이 서브셀은 전압이 더 높고 직렬저항이 작다. 이러한 특성은 높은 집광도에서 높은 효율을 얻는데 필수적이다.

    효율은 NREL의 태양전지측정실험실에서 확인되었다. 눈길을 끄는 것은 높은 집광도에서의 측정값이 새로운 섬광 시뮬레이터를 이용하여 얻어졌다는 점이다. T-HIPSS(Tunable High Intensity Pulsed Solar Simulator)라는 이 시뮬레이터는 집속된 빛의 스펙트럼을 더욱 정확하게 제어한다. 이 도구는 소자의 각각의 접합이 태양 스펙트럼의 전형적인 광량을 받도록 보장함으로써 측정 오차를 크게 줄여준다. 이 태양전지는 추가 시험과 확인을 위해서 외부 공인 실험실로 보내질 예정이다. 이번 연구는 2010년대 말까지 태양 에너지가 전통적인 에너지원과 가격경쟁을 할 수 있도록 만들기 위한 국가적 노력인 에너지부의 선샷 이니셔티브(SunShot Initiative)로부터 지원을 받았다. 선샷 이니셔티브를 통해서, 에너지부는 태양전기의 가격을 킬로와트-시간당 0.06달러로 낮추기 위해서 연구하고 있는 사기업, 대학 및 국립연구소들을 지원하고 있다.

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