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30배 집중을 보인 양자점 태양 전지

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-09-07 11:48
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    디자이너가 스펙트럼적으로 일치된 포토닉 거울들을 가진 양자점 발광장치와 결합하여, 버클리 연구소와 일리노이스 대학 과학자팀은 지금까지 기록된 최고의 방사 집중인 일반적인 태양 전지들의 집중을 30배까지 증가시켜 청색 광자들을 수집하는 태양 전지를 개발했다. 이 놀라운 결과는 태양 스펙트럼의 높은 에너지 부분을 효율적으로 이용하는 저가 태양 전지의 미래 개발을 위한 길을 열 것이다. 

    버클리 소재 캘리포니아 대학 나노과학과 나노기술 교수이며 카블리 에너지 나노과학 연구소(ENSI)의 소장이고 이 연구의 공동 리더인 버클리 연구소 소장 폴 알비사토스 박사는 우리가 청색 광자들에 대하여 82퍼센트의 광학 효율로 30배 이상의 방사 집중 비율을 얻었다고 말했다. 또한 그는 지금까지, 이 결과는 가장 높은 방사 집중률이라고 덧붙여 말했다. 

    알리비사토스 박사와 일리노이스 대학 랄프 노쪼 박사는 “Quantum Dot Luminescent Concentrator Cavity Exhibiting 30-fold Concentration”이라는 제목의 ACS 포토닉스 논문의 교신 저자들이다. 알리비사토스 연구그룹의 멤버인 노아 브론스타인은 유안 야오와 루 시우와 함께 주저자이다. 다른 공동저자들은 에린 오브리엔, 알렌산더 파워스와 비비안 페리이다. 

    미국 내 태양 에너지 산업은 미국 에너지부에 따르면 2008년 1.2기가와트의 전기를 발전하기 시작하여 현재 20기가와트 이상 발전시키며 성장시키기 위해 발광 설비의 수를 증가시키고 있다. 하지만 여전히 이 나라에서 발전되는 전기의 약 70퍼센트가 화석 연료를 여전히 이용하고 있다. 현재의 광전 태양 패널들의 저가 대체소자들은 실현가능성을 높이기 위해 태양 전력의 엄청난 장점들을 얻기 위해 요구되고 있다. 하나의 유망한 대체소자는 방사 태양 집중기(LSC)이다. 

    태양광을 직접 흡수하고 이를 전기로 전환하는 일반적인 태양 전지들과 달리, LSC는 광을 이후 더 긴 파장에서 흡수된 광을 재방출하는 발색단이라 불리는 매우 효율적인 광방출기를 포함한 판상에서 광을 흡수한다. 이 과정은 스토크스(Stokes) 이동으로 알려져 있다. 이 재방출 광은 전기로 전환하기 위해 마이크로 태양전지로 향하게 된다. 이 판이 마이크로 태양전지에 비해 훨씬 더 크기 때문에 이 전지에 부딪히는 태양 에너지는 매우 집중된다. 

    충분한 집중 비율을 가지고 적은 양의 고가 III-V 포토닉 물질만이 저가 방사 도파로에서 광을 수집하는데 요구된다. 그러나, 현재까지 발색단으로 이용되어 온 분자 염료들의 집중 비율과 수집 효율은 발색단의 비균일 양자 수율, 도파로 내 포획하는 불완전한 광, 전파 광장들의 재흡수와 산란 등 기생 손실들에 의해 제한되고 있다. 

    브론스타인은 그들이 광자 재흡수를 줄이지만 스토크스 이동을 증가하는 카드뮴 세레나이드(CdSe) 코어와 카드뮴 황화물(CdS) 쉘로 구성된 코어/쉘 나노입자들로 이전 LSC 시스템 내 분자 염료들을 대체했다고 말했다. 

    CdSe/CdS 나노입자들은 최적화된 나노입자를 얻기 위해 흡수와 산란을 교대로 균형을 이룰 수 있는 방출 에너지와 부피에서 흡수를 분리시킬 수 있었다. 양자점 발색단의 좁은 밴드폭에 조심스럽게 일치된 포토닉 거울들의 이용은 전체 내부 반사에 의해 강제된 제한을 초과하는 도파로 효율을 얻을 수 있게 했다. 

    ACS 포토닉스 논문에서, 동료들은 미래 LSC 소자들이 방사 양자 수율, 도파로 지형, 포토닉 거울 디자인의 개성을 통해 훨씬 더 높은 집중 비율을 얻을 것으로 기대하고 있다. 

    그림 설명: 양자점과 포토닉 거울들을 특색으로 하는 방사 태양 집중기는 발색단으로 분자 염료들을 이용하여 LSC에 비해 광자들의 기생 손실을 훨씬 덜 가진다. 

     

    키워드 : 양자점,태양전지,집중기,청색,발색단

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