태양전지 효율

Solar cell efficiency
1976년 이후 연구용 태양전지 에너지 전환 효율 보고 일정(국립 재생 에너지 연구소)

태양전지 효율은 태양광 발전을 통해 태양전지에 의해 전기로 전환될 수 있는 태양광 형태의 에너지 부분을 말한다.

태양광 발전 시스템에 사용되는 태양 전지의 효율은 위도 및 기후와 결합하여 시스템의 연간 에너지 출력을 결정합니다.예를 들어, 20% 효율과 1m2 면적의 태양 전지판은 표준 시험 조건의 일조 강도 값인 1000 W/m에2 하루 2.74시간 동안 노출될 경우 표준 시험 조건에서 200 kWh/yr를 생성한다.보통 태양 전지판은 주어진 날보다 더 오랫동안 햇빛에 노출되지만, 대부분의 날 동안 태양 복사 강도는 1000 W/m2 미만이다.태양 전지판은 태양이 하늘에 있을 때 더 많이 생산할 수 있고 흐린 날씨나 태양이 하늘에 낮을 때 더 적게 생산할 수 있다.겨울에는 태양이 하늘에 더 낮다.연간 2000 kWh/m2/[1]년의 일사량을 받는 콜로라도 중심부와 같은 높은 수율 태양광 지역에서는 이러한 패널이 연간 400 kWh의 에너지를 생산할 것으로 예상된다.그러나 연간 [1]1400 kWh/m2/m만 공급받는 미시건에서는 동일한 패널에 대해 연간 에너지 수율이 280 kWh로 떨어집니다.북유럽 위도에서는 생산량이 현저히 낮다. 같은 조건에서 [2]영국 남부의 연간 에너지 생산량은 175kWh이다.

태양 전지에 의한 전하 수집의 개략도.빛은 투명 전도성 전극을 통해 전달되며 전자 구멍 쌍은 두 전극에 의해 수집됩니다.태양 전지의 흡수 및 수집 효율은 투명 도체와 활성 층 [3]두께의 설계에 따라 달라집니다.

셀의 변환 효율 값에는 반사율, 열역학 효율, 전하 캐리어 분리 효율, 전하 캐리어 수집 효율 및 전도 효율 값 [4][3]등 몇 가지 요인이 영향을 미칩니다.이러한 파라미터는 직접 측정하기 어려울 수 있으므로 양자효율, 개방회로전압(VOC)비, δ충전률(아래 설명) 등 다른 파라미터가 대신 측정됩니다.반사율 손실은 "외부 양자 효율성"에 영향을 미치기 때문에 양자 효율성 값으로 설명된다.재조합 손실은 양자 효율, VOC 비율 및 채우기 계수 값으로 설명됩니다.저항성 손실은 주로 충전율 값에 의해 설명되지만 양자 효율 및 VOC 비율 값에도 기여합니다.2019년 미국 [5]콜로라도 골든 소재 국립 재생 에너지 연구소에서 개발한 다접합 집광기 태양 전지를 사용하여 47.1%의 태양 전지 효율 세계 기록을 달성했다.

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인은 1961년 [6]윌리엄 쇼클리와 한스 케이서의 획기적인 논문에서 설명되었습니다.자세한 내용은 Shockley-Queiser 제한을 참조하십시오.

열역학적 효율성 제한 및 무한 스택 제한

주요 기사:열역학적 효율 한계
273K의 무농축 태양광 아래에서 단일 접합 태양 전지의 효율성에 대한 쇼클리-퀴저 한계.이 계산된 곡선은 실제 태양 스펙트럼 데이터를 사용하기 때문에 곡선은 대기 중 적외선 흡수 대역에서 꿈틀거린다.이 효율 한계치인 최대 34%는 다연결 태양 전지가 초과할 수 있습니다.

온도s T에서 열원을 사용하고 온도c T에서 열제거원을 냉각하는 경우 공급되는 열에 대한 작업(또는 전력) 비율의 이론상 가능한 최대값은 Carnot 열 엔진이 제공하는 1-Tc/T입니다s.만약 우리가 태양의 온도를 6000 K로 하고 지구의 주변 조건을 300 K로 측정한다면, 이것은 95%가 된다.1981년 Alexis de Vos와 Herman Pauwels는 이것이 무한대(입입광자가 만나는 첫 번째 셀)에서 0까지 밴드 갭을 가진 무한대 셀의 스택과 각 셀의 전압이 개방 회로 전압에 매우 가깝고 셀의 밴드 갭의 95%와 동일하며 6000 K 블랙으로 달성 가능하다는 것을 보여주었다.모든 방향에서 오는 신체 방사선이요단, 효율이 95%라는 것은 전력이 흡수되는 순광량의 95%라는 것을 의미합니다.스택은 온도가 0이 아니기 때문에 방사선을 방출합니다.이 방사선은 전달되는 열의 양과 효율을 계산할 때 들어오는 방사선에서 빼야 합니다.그들은 또한 6000K의 흑체 방사선에 의해 모든 방향에서 조명되는 스택의 전력 출력을 최대화하는 보다 적절한 문제를 고려했다.이 경우 전압은 밴드 갭의 95% 미만으로 낮춰야 합니다(모든 셀에서 백분율이 일정하지는 않습니다).무한대 셀 스택의 이론상 최대 효율은 들어오는 집중 태양광 [7]방사선을 사용하여 86.8%입니다.들어오는 방사선이 태양 크기의 하늘 영역에서만 오는 경우, 효율 한계는 68.7%[8]로 떨어집니다.

궁극의 효율성

그러나 일반 태양광 발전 시스템은 하나의 p-n 접합부만을 가지고 있기 때문에 쇼클리와 키서가 "최종 효율성"이라고 부르는 낮은 효율 한계를 적용한다.흡수체 재료의 밴드갭보다 낮은 에너지를 가진 광자는 전자-공쌍을 생성할 수 없기 때문에 에너지가 유용한 출력으로 변환되지 않고 흡수된 경우에만 열을 발생시킨다.밴드 갭 에너지 위에 에너지가 있는 광자의 경우 밴드 갭 위의 에너지의 일부만 유용한 출력으로 변환할 수 있습니다.더 큰 에너지의 광자가 흡수되면 밴드 갭 위의 초과 에너지는 반송파 조합의 운동 에너지로 변환됩니다.과도한 운동 에너지는 운반체의 운동 에너지가 평형 속도로 느려짐에 따라 포논 상호작용을 통해 열로 변환됩니다.태양 스펙트럼에 대해 최적의 밴드 갭을 갖는 기존의 단일 접합 셀은 최대 이론 효율인 33.16%(쇼클리-퀴저 한계)[9]를 가진다.

다중 밴드 갭 업소버 소재를 가진 태양전지는 [10]각 빈에 대해 열역학 효율 한계가 높은 작은 빈으로 태양 스펙트럼을 분할하여 효율을 향상시킵니다.

양자 효율

주요 기사:양자 효율

위에서 설명한 바와 같이, 광자가 태양 전지에 흡수되면 전자-공 쌍이 생성될 수 있다.캐리어 중 하나는 p-n 접점에 도달하여 태양 전지에 의해 생성되는 전류에 기여할 수 있다. 이러한 캐리어들은 수집된다고 한다.또는 셀 전류에 대한 순 기여 없이 캐리어가 재결합합니다.

양자 효율은 셀이 단락 조건에서 작동할 때 전류로 변환되는 광자의 백분율(즉, 수집 캐리어)을 의미한다.실리콘 태양 전지의 "외부" 양자 효율은 투과와 반사 같은 광학 손실의 효과를 포함한다.

특히, 이러한 손실을 줄이기 위해 몇 가지 조치를 취할 수 있다.총 입사 에너지의 최대 10%를 차지할 수 있는 반사 손실은 평균 광로를 [11]수정하는 광 포착 방법인 텍스처라이제이션(texturization)이라는 기법을 사용하여 극적으로 감소할 수 있다.

양자 효율은 스펙트럼 측정(즉, 광자 파장 또는 에너지의 함수)으로 가장 유용하게 표현된다.일부 파장은 다른 파장보다 더 효과적으로 흡수되기 때문에 양자 효율의 스펙트럼 측정은 반도체 부피와 표면의 품질에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다.양자 효율은 태양 전지에 의해 변환되는 전력 비율에 대한 정보를 전달하지 않기 때문에 전체 에너지 변환 효율과 같지 않습니다.

최대 전력점

먼지는 종종 태양 전지에 들어가는 빛의 양을 줄여주는 태양 모듈의 유리에 쌓입니다(이 부정적인 이미지에서는 검은 점으로 강조 표시됨).

태양전지는 광범위한 전압(V) 및 전류(I)에 걸쳐 작동할 수 있다.조사 셀의 저항부하를 0(단락)에서 매우 높은 값(단선)으로 연속적으로 증가시킴으로써 최대전력점, 즉 V×I를 최대화하는 점, 즉 셀이 그 조사 수준에서 최대전력을 공급할 수 있는 부하를 결정할 수 있다.(단락 및 개방 회로 극단 모두 출력 전력은 0입니다).

태양 전지의 최대 전력점은 온도의 영향을 받는다.특정 태양전지의 기술적 데이터를 알고 있기 때문에 특정 온도에서의 출력은P ( T + ( l - ) ( \ P ( T ) =P _ { STC } + { \ { P _ D } { D } { } } 。는 표준 테스트 조건에서 발생하는 전력이며, e { 은 태양전지의 실제 온도입니다.

25°C 셀 온도에서 고품질의 단결정 실리콘 태양 전지는 0.60V 개방 회로(VOC)를 생성할 수 있습니다.25°C의 공기 온도에서도 완전한 햇빛의 셀 온도는 아마도 45°C에 가까울 것이며, 이는 셀당 개방 전압을 0.55V로 감소시킬 것이다.이 유형의 셀에서는 단락 전류에 도달할 때까지 전압이 약간 떨어집니다(ISC).최대 전력(45°C 셀 온도)은 일반적으로 개방 전압의 75 - 80%(이 경우 0.43V)와 단락 전류의 90%에서 생성됩니다.이 출력은 VOC xSC I 제품의 최대 70%가 될 수 있습니다.셀의 단락 전류(ISC)는 조도에 거의 비례하지만 개방 회로 전압(VOC)은 조도가 80% 하락할 때 10%만 떨어질 수 있습니다.저품질 셀은 전류가 증가함에 따라 전압 강하가 빨라지고 1/2SC I에서 1/2OC V만 발생할 수 있습니다.따라서 사용 가능한SC 전력 출력이OC V x I 제품의 70%에서 50% 또는 25%로 떨어질 수 있습니다.부하 곡선을 제시하지 않고 태양 전지의 "전력"을OC V x I로만SC 평가하는 벤더는 실제 성능을 심각하게 왜곡할 수 있습니다.

태양광 발전의 최대 전력점은 입사 조명에 따라 달라진다.예를 들어, 태양광 발전 패널에 먼지가 쌓이면 최대 전력점이 [12]감소합니다.추가 비용을 정당화할 수 있을 만큼 큰 시스템의 경우, 최대 전력점 트래커는 전압과 전류(따라서 전력 전송)를 지속적으로 측정하여 순간 전력을 추적하고, 이 정보를 사용하여 최대 전력이 조명의 변화에 관계없이 항상 전송되도록 부하를 동적으로 조정합니다.

성토율

태양 전지의 전체 거동에 대한 또 다른 정의 용어는 채우기 계수(FF)이다.이 인자는 태양전지의 품질에 대한 척도이다.최대 전력점(Pm)에서 사용 가능한 전력을 개방 회로 전압(VOC)과 단락 전류(ISC)로 나눈 값입니다.

채우기 계수는 IV 스위프로 그래픽으로 나타낼 수 있으며, 여기서 다양한 직사각형 [13]영역의 비율입니다.

충전 계수는 셀의 직렬, 션트 저항 및 다이오드 손실에 의해 직접 영향을 받습니다.션트 저항(Rsh)을 증가시키고 직렬 저항s(R)을 감소시키면 채우기 계수가 높아져 효율성이 향상되고 셀의 출력 전력이 이론상 [14]최대치에 가까워집니다.

일반적인 채우기 계수는 50% ~ 82%입니다.일반 실리콘 PV 셀의 충전율은 80%입니다.

비교

주요 기사:태양광 발전

에너지 변환 효율은 전기 출력을 입사 광전력으로 나누어 측정한다.출력에 영향을 미치는 요인에는 스펙트럼 분포, 전력의 공간 분포, 온도 및 저항 부하가 포함됩니다.IEC 표준 61215는 셀의 성능을 비교하는 데 사용되며 표준(지상, 온대) 온도 및 조건(STC)에 따라 설계된다. 즉, 1kW/m의2 조사 강도, 1.5의 AM(공기량) 및 25°C의 셀 온도를 통한 태양 방사선에 가까운 스펙트럼 분포이다.저항부하는 피크 또는 최대전력점(MPP)에 도달할 때까지 변화합니다.이 때의 전력은 와트 피크(Wp)로 기록됩니다.PV 모듈의 전력 및 효율 측정에도 동일한 표준이 사용됩니다.

기단은 출력에 영향을 미칩니다.대기가 없는 우주에서는 태양의 스펙트럼이 상대적으로 여과되지 않는다.하지만 지구에서는 공기가 들어오는 빛을 걸러 태양 스펙트럼을 변화시킨다.필터링 효과는 공간의 공기량 0(AM0)에서 지구의 공기량 1.5에 이르기까지 다양합니다.스펙트럼 차이에 해당 태양 전지의 양자 효율을 곱하면 효율이 나온다.일반적으로 지상 효율은 공간 효율보다 더 높습니다.예를 들어, 우주에 있는 실리콘 태양 전지의 효율은 AM0에서는 14%이지만, AM 1.5에서는 16%입니다.단, 우주에서 입사 광자의 수는 상당히 많기 때문에 포착된 총 입사 에너지의 비율 감소로 나타나는 낮은 효율성에도 불구하고 태양 전지는 우주에서 상당히 더 많은 전력을 생산할 수 있다.

태양 전지 효율은 비정질 실리콘 기반 태양 전지의 경우 6%에서 다중 접합 생산 셀의 경우 44.0%, 다중 다이가 하이브리드 [15][16]패키지로 조립된 경우 44.4%로 다양합니다.상업적으로 이용 가능한 다결정 Si 태양 전지의 태양 전지 에너지 변환 효율은 약 14-19%[17]이다.가장 효율이 높은 셀이 항상 가장 경제적인 것은 아닙니다. 예를 들어, 저용량으로 생산된 갈륨 비소나 인듐 셀레늄과 같은 이국적인 물질에 기반한 30% 효율의 다중 접합 셀은 대량 생산 시 8% 효율의 실리콘 셀보다 100배 비용이 더 들 수 있습니다. 단 4개만 제공합니다.출력에 곱합니다.

하지만, 태양 에너지를 "증강"할 수 있는 방법이 있습니다.광도를 높임으로써 일반적으로 광생성 캐리어가 증가하여 효율이 최대 15% 향상됩니다.이러한 이른바 "집중기 시스템"은 고효율 GaAs 셀의 개발로 인해 비용 경쟁력이 생기기 시작했습니다.강도 증가는 일반적으로 집중 광학 장치를 사용하여 이루어집니다.일반적인 콘센트레이터 시스템은 태양의 6~400배의 광도를 사용하여 AM 1.5에서 35%로 1개의 태양 GaAs 셀의 효율을 높일 수 있습니다.

경제적 비용 표현에 사용되는 일반적인 방법은 전달된 킬로와트시(kWh)당 가격을 계산하는 것입니다.이용 가능한 조사와 함께 태양전지 효율은 비용에 큰 영향을 미치지만, 일반적으로 전체 시스템 효율성은 중요하다.상업적으로 이용 가능한 태양 전지(2006년 기준)는 5 - 19%의 시스템 효율에 도달했다.

비도프 결정 실리콘 소자는 이론적인 한계 효율인 29.43%[18]에 근접하고 있습니다.2017년에는 셀 [19][20]뒷면에 양극과 음극 접점을 모두 배치하는 비정질 실리콘/결정 실리콘 헤테로 접합 셀에서 26.63%의 효율을 달성했습니다.

에너지 회수

다음 항목도 참조하십시오.테크놀로지 및 장소에 따른 에너지 회수 시간

에너지 회수 시간은 최신 태양광 모듈 제조에 소비된 에너지 생성에 필요한 회수 시간으로 정의됩니다.2008년에는 모듈의 종류와 위치에 따라 1~4년[21][22] 정도 걸릴 것으로 추정되었습니다.이는 일반적인 수명이 20년에서 30년인 현대의 태양 전지가 순수 에너지 생산자가 될 것이라는 것을 의미한다. 즉,[21][23][24] 태양 전지를 생산하는 데 소비되는 에너지보다 평생 더 많은 에너지를 생산하게 될 것이다.일반적으로 박막 테크놀로지는 변환 효율이 비교적 낮지만 기존 시스템보다 에너지 회수 시간이 대폭 단축됩니다(종종 1년 [25]미만).

2013년에 발표된 연구에 따르면 기존 문헌에서는 박막 셀이 하단부에 있고 멀티 시 셀이 1.5-2.[26]6년인 경우 에너지 회수 시간이 0.75년에서 3.5년 사이였습니다.2015년 검토에서는 태양광 발전의 에너지 회수 시간과 EROI를 평가했다.1,700 kWh/m2/년의 일사량과 30년의 시스템 수명을 사용한 이 메타 연구에서 8.7과 34.2 사이의 평균 조화 ELOI가 발견되었다.평균 조화 에너지 회수 시간은 1.0년에서 4.1년 [27]사이였습니다.결정성 실리콘 소자는 평균 2년의 [21][28]에너지 회수 기간을 달성합니다.

다른 기술과 마찬가지로, 태양 전지 제조는 복잡한 글로벌 산업 제조 시스템의 존재에 의존합니다.여기에는 제조 에너지 추정에서 전형적으로 고려되는 제조 시스템, 우발 채굴, 정제 및 글로벌 운송 시스템 및 기타 에너지 집약적 지원 시스템(금융, 정보 및 보안 시스템 포함)이 포함됩니다.이러한 에너지 오버헤드를 측정하기 어렵기 때문에 [29]투자 회수 시간의 추정치는 다소 불확실합니다.

효율성 향상을 위한 기술적 방법

최적의 투명 도체 선택

일부 유형의 태양 전지인 박막의 조명 측면에는 빛이 활성 물질로 들어가 생성된 전하 캐리어를 모을 수 있도록 투명한 전도막이 있습니다.일반적으로 인듐 주석 산화물, 고분자 전도성 또는 나노와이어 네트워크 전도성 등 투과율이 높고 전기 전도성이 높은 필름을 사용한다.높은 투과율과 전기 전도율 사이에는 균형이 있기 때문에 고효율성을 [3]위해 나노와이어 또는 네트워크 구조의 전도 밀도를 최적화할 필요가 있습니다.

가시 스펙트럼에서의 빛 산란 촉진

셀의 수광면을 나노 크기의 금속 스터드로 라이닝하면 셀 효율을 크게 높일 수 있다.빛은 세포에 대한 비스듬한 각도로 스터드에 반사되어 세포를 통과하는 빛의 길이를 증가시킵니다.이것은 셀이 흡수하는 광자의 수와 생성되는 [30]전류의 양을 증가시킨다.

나노 연구에 사용되는 주요 재료는 은, 금, 알루미늄입니다.금과 은은 햇빛에 존재하는 에너지의 대부분을 포함하는 가시 스펙트럼의 많은 빛을 흡수하여 [30]세포에 도달하는 빛의 양을 감소시키기 때문에 매우 효율적이지 않습니다.알루미늄은 자외선만 흡수하고 가시광선과 적외선을 모두 반사하므로 에너지 손실이 최소화됩니다.알루미늄은 셀 효율을 최대 22%까지 높일 수 있습니다(실험실 환경에서).[31]

복사 냉각

태양 전지 온도가 약 1°C 상승하면 효율이 약 0.45% 감소합니다.이를 방지하기 위해 태양 전지판에 투명한 실리카 결정층을 적용할 수 있다.실리카 층은 열을 적외선 방사선으로 우주로 방출하여 셀을 최대 13°[32]C까지 냉각하는 열흑체 역할을 합니다.

반사방지 코팅 및 텍스처

반사 방지 코팅은 [33]태양으로부터의 입사 광파의 더 파괴적인 간섭을 초래할 수 있다.그러므로, 모든 햇빛은 태양광 발전으로 전달될 것이다.반사된 빛이 다시 표면에 닿도록 태양전지의 표면을 바꾸는 텍스처라이징도 반사를 줄이기 위해 사용되는 기술이다.이러한 표면은 식각 또는 리소그래피를 사용하여 생성할 수 있습니다.전면을 텍스쳐화하는 것 외에 평평한 뒷면을 추가하면 빛을 셀 내에 가두는 데 도움이 되며, 따라서 광로가 길어집니다.

후면 패시베이션

다음 항목도 참조하십시오.표면 패시베이션

표면 수동화는 태양전지 [34]효율에 매우 중요하다.대량 생산된 태양 전지의 전면에는 많은 개선이 이루어졌지만, 후면 알루미늄은 효율 개선을 [35]방해하고 있습니다.많은 태양 전지의 효율은 소위 PERC(passivated emiter and rear cells)라고 불리는 것을 만들어냄으로써 이익을 얻었다.실리콘 질화막 위에 얇은 실리카 또는 알루미늄 산화막으로 만들어진 후면 유전체 패시베이션 층 스택의 화학적 퇴적은 실리콘 태양 전지의 효율을 개선하는 데 도움이 됩니다.이를 통해 상용 Cz-Si 웨이퍼 재료의 셀 효율은 2010년대 [36]중반까지 17%에서 21%로, 준단일화 재료의 셀 효율은 19.9%로 증가했습니다.

실리콘 태양 전지의 후면 수동화 개념은 CIGS 태양 [37]전지에 대해서도 구현되었다.후방 표면 패시베이션은 효율을 개선할 수 있는 가능성을 보여줍니다.패시베이션 재료로는 AlO와23 SiO가2 사용되었습니다.AlO23[38] 층의 나노 크기 점 접점과 SiO2[39] 층의 라인 접점은 후면 전극 Molybdenum에 CIGS 흡수기를 전기적으로 연결합니다.AlO23 층의 점 접점은 e-빔 리소그래피로 생성되며 SiO2 층의 선 접점은 포토 리소그래피로 생성됩니다.또한, 패시베이션 층의 구현은 CIGS 층의 형태를 바꾸지 않는다.

Tot heat flux z.png

박막 재료

박막 재료는 낮은 비용과 기존 구조 및 [40]기술 프레임워크에 대한 적응성 측면에서 태양 전지에 대한 많은 가능성을 보여준다.물질이 너무 얇기 때문에, 그들은 벌크 물질의 태양 전지의 광학적 흡수가 부족하다.이를 수정하려는 시도가 시도되었으며, 더욱 중요한 것은 박막 표면 재조합입니다.나노급 박막 태양전지의 주요 재조합 과정이기 때문에 효율에 매우 중요하다.패시브 얇은 이산화규소 층을 추가하면 재결합을 줄일 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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