다접합 태양전지

다중 접합(MJ) 태양 전지는 서로 다른 반도체 물질로 구성된 다중 p-n 접합을 가진 태양 전지이다.각 물질의 p-n 접합은 다른 파장의 빛에 반응하여 전류를 발생시킵니다.여러 개의 반도체 재료를 사용하면 광범위한 파장을 흡수할 수 있어 전지의 태양광을 전기 에너지 변환 효율로 개선할 수 있습니다.

기존의 단일 접합 셀은 이론적으로 최대 효율이 33.16%^[2]입니다.이론적으로, 무한한 수의 접합부는 고농도 ^[3]햇빛 아래에서 86.8%의 제한 효율을 가진다.

2008년 현재 기존의 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지의 최선의 실험 예는 20~25%^{[4][obsolete source]}의 효율을 가지고 있으며, 다접합전지의 실험 예는 집중된 ^[5][6][7]햇빛 아래에서의 46% 이상의 성능을 보여 주고 있습니다.탠덤 셀의 상업적인 예는 일광 ^[8][9]조명에서는 30%로 널리 이용 가능하며, 집중된 햇빛에서는 약 40%로 개선됩니다.그러나 이 효율성은 복잡성과 제조 가격을 증가시켜 얻을 수 있습니다.지금까지 높은 가격과 높은 가격 대비 성능비로 인해 특히 높은 동력 대 중량 비율이 바람직한 항공우주 분야에서 특별한 역할로 사용이 제한되었습니다.지상 애플리케이션에서 이러한 태양 전지는 집광기 태양광 발전(CPV)에 등장하고 있지만,^[10] 더 높은 전력 밀도가 요구되지 않는 한 단일 접합 태양 전지판과 경쟁할 수 없다.

기존 설계의 성능을 개선하기 위해 탠덤 제작 기술이 사용되었습니다.특히 기존 결정 실리콘과 달리 비정질 실리콘을 이용한 저비용 박막 태양전지에 적용돼 가볍고 유연한 10% 정도의 효율을 가진 셀을 만들 수 있다.이 접근방식은 여러 상업용 ^[11]벤더에 의해 사용되어 왔지만, 현재 이러한 제품은 지붕재와 같은 특정 틈새 역할에 한정되어 있습니다.

묘사

태양전지의 기초

전통적인 광전지는 일반적으로 도프된 실리콘으로 구성되어 있으며 금속 접점은 위와 아래에 부착되어 있습니다.도핑은 일반적으로 세포 상부의 얇은 층에 적용되어 특정 밴드갭 에너지 E와_g p-n 접합을 생성합니다.

태양전지의 꼭대기에 닿는 광자는 반사되거나 세포 안으로 전달된다.투과된 광자는 전자-공 ^[13]쌍을 생성하면서 h gener e_g ≥ E일 경우 전자에 에너지 h,를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.공핍 영역에서 드리프트 전계 E는_drift 전자와 홀을 각각 n도프 영역 및 p도프 영역(각각 상하)으로 가속한다.생성된 전류 I를 생성된_g 광전류라고 합니다.준중립 영역에서는 산란 전계_scatt E가 p도프(n도프) 영역을 향해 홀(전자)을 가속시켜 산란 광전류_pscatt I(I_nscatt)를 얻는다.그 결과 전하가 축적되어 전위 V와 광전류_ph I가 나타난다.이 광전류에 대한 식은 광전류를 더하고 산란함으로써 얻을 수 있습니다.I_ph = I_g + I_nscatt + I_pscatt

조명 대상 태양전지의 J-V 특성(J는 전류 밀도, 즉 단위 면적당 전류)은 어두운 곳의 다이오드의 J-V 특성을 I만큼 아래로_ph 이동시켜 구한다.태양 전지는 전력을 공급하고 흡수하지 않도록 설계되었기 때문에 전력 P = VI는_ph 음수여야 합니다.따라서 동작점(V_m, J_m)은 V > 0과_ph I < 0의 영역에 있으며,^[14] P의 절대값을 최대화하기 위해 선택됩니다.

손실 메커니즘

태양 전지의 이론적 성능은 1960년대에 처음으로 깊이 연구되었고, 오늘날 쇼클리-퀴저 한계로 알려져 있다.이 한계는 태양전지 설계에 내재된 몇 가지 손실 메커니즘을 설명한다.

첫 번째는 절대 영점 이상의 모든 물질 물체에 영향을 미치는 손실 메커니즘인 흑체 방사선에 의한 손실이다.표준 온도와 압력에 있는 태양 전지의 경우, 이 손실은 전력의 약 7%를 차지한다.두 번째는 "재결합"으로 알려진 효과로, 광전 효과에 의해 생성된 전자가 이전의 들뜸에 의해 남겨진 전자 구멍과 만나는 것입니다.실리콘에서는 이것이 전력의 10%를 차지합니다.

하지만, 주된 손실 메커니즘은 태양 전지가 빛에 있는 모든 전력을 추출할 수 없다는 것과 특정 광자에서 어떠한 전력도 추출할 수 없다는 것과 관련된 문제이다.이는 광자가 물질의 밴드갭을 극복하기에 충분한 에너지를 가지고 있어야 하기 때문입니다.

만약 광자가 밴드갭보다 적은 에너지를 가지고 있다면, 그것은 전혀 수집되지 않는다.이것은 대부분의 적외선 스펙트럼에 민감하지 않은 전통적인 태양 전지에 대한 주요 고려 사항입니다. 비록 그것은 태양으로부터 오는 에너지의 거의 절반을 차지하지만요.반대로, 밴드갭보다 더 많은 에너지를 가진 광자는, 예를 들어 푸른 빛은, 처음에는 밴드갭보다 높은 상태로 전자를 방출하지만, 이 여분의 에너지는 "완화"라고 알려진 과정에서 충돌을 통해 손실됩니다.이 손실된 에너지는 셀에서 열로 바뀌며, 이는 흑체 ^[15]손실을 더욱 증가시키는 부작용을 낳습니다.

이러한 요소를 모두 합치면 기존 실리콘 셀과 마찬가지로 단일 밴드갭 소재의 최대 효율은 약 34%입니다.즉, 태양빛이 세포에 닿는 66%의 에너지가 손실됩니다.실제적인 우려로 인해 전면 또는 금속 단자에서 반사되는 현상이 더욱 감소합니다. 현대의 고품질 셀은 약 22%입니다.

폭이 좁다고 불리는 밴드갭 물질은 더 긴 파장과 더 낮은 에너지 광자를 변환합니다.밴드갭 소재가 높거나 넓을수록 파장이 짧고 에너지 빛이 높아집니다.AM1.5 스펙트럼의 분석에 따르면 실리콘 및 기타 유용한 반도체의 자연 밴드갭에 매우 가까운 약 1.1eV(근적외선에서는 약 1100nm)에서 최적의 밸런스가 달성되었습니다.

다접합 셀

여러 재료 층으로 이루어진 셀은 여러 개의 밴드갭을 가질 수 있으며, 따라서 여러 개의 광파장에 반응하여 위에서 설명한 바와 같이 손실되었을 에너지의 일부를 포착하고 변환합니다.

예를 들어 한쪽에는 2개의 밴드갭이 있고 다른 한쪽에는 빨간색 빛과 녹색으로 조정된 셀이 있다면 녹색, 시안 및 파란색 빛의 여분의 에너지는 녹색에 민감한 물질의 밴드갭에만 손실되는 반면 빨간색, 노란색 및 주황색의 에너지는 빨간색에 민감한 물질의 밴드갭에만 손실됩니다.싱글 밴드갭디바이스에 대해 수행된 것과 유사한 분석 결과, 2갭디바이스에 대한 완벽한 밴드갭은 0.77eV와 1.^[16]70eV라는 것을 증명할 수 있습니다.

편리하게도 특정 파장의 빛은 밴드갭이 큰 물질과 강하게 상호작용하지 않습니다.즉, 서로 다른 재료를 겹겹이 쌓고, "상부"에 가장 짧은 파장(가장 큰 밴드갭)을 가지며, 셀 본체를 통해 증가시킴으로써 다중 접합 셀을 만들 수 있습니다.광자는 흡수되는 적절한 층에 도달하기 위해 셀을 통과해야 하므로 각 층에서 생성되는 전자를 모으기 위해 투명 도체를 사용해야 합니다.

탠덤 셀을 생산하는 것은 재료의 얇음과 층간 전류 추출의 어려움으로 인해 쉽지 않은 작업입니다.쉬운 해결책은 기계적으로 분리된 두 개의 박막 태양 전지를 사용한 후 전지 밖에서 그것들을 따로 배선하는 것이다.이 기술은 비정질 실리콘 태양 전지에 널리 사용되며, 유니솔라 제품은 이러한 3개의 층을 사용하여 약 9%의 효율성을 달성합니다.보다 이국적인 박막 재료를 사용한 랩 사례에서 30% ^[17]이상의 효율성을 입증했습니다.

더 어려운 해결책은 "단석 일체형" 셀로, 셀은 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된 여러 층으로 구성됩니다.각 층의 전기적 특성이 신중하게 일치해야 하기 때문에 이러한 셀은 생산하기가 훨씬 더 어렵습니다.특히 각 층에서 발생하는 광전류가 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 전자가 층 간에 흡수됩니다.따라서 III-V ^[17]반도체가 가장 잘 충족되는 특정 물질에 대해서만 구조할 수 있습니다.

재료 선택

각 서브셀의 재료 선택은 격자 매칭, 전류 매칭 및 고성능 광전자 특성에 대한 요건에 따라 결정됩니다.

최적의 성장과 그에 따른 결정 품질을 위해서는 각 재료의 결정 격자 상수 a가 밀접하게 일치해야 하며, 그 결과 격자 매칭 장치가 생성되어야 한다.이러한 제약은 격자 불일치가 적은 최근 개발된 변성 태양 전지에서 다소 완화되었다.그러나 미스매치 정도가 크거나 다른 성장불량이 크면 결정결함이 전자특성 저하를 일으킬 수 있다.

각 서브셀은 전기적으로 직렬로 연결되어 있기 때문에 각 접점에 동일한 전류가 흐릅니다.소재는 밴드갭이 감소하는_g E로 주문되어 서브밴드갭 라이트(hc/θ < eE_g)를 하부 서브셀로 전송할 수 있습니다.따라서, 설계 스펙트럼이 각 서브 셀에서 현재 세대의 균형을 유지하여 전류 매칭을 달성하도록 적절한 대역 간격을 선택해야 한다.그림 C(b)는 주어진 파장 θ에서의 선원 전력 밀도인 스펙트럼 조사 강도 E(θ)를 나타낸다.이 값은 파장의 함수로 모든 접점에 대한 최대 변환 효율과 함께 표시되며, 이는 광전류로 변환할 수 있는 광자의 수와 직접 관련이 있습니다.

마지막으로 레이어는 하이 퍼포먼스를 위해 전기적으로 최적이어야 합니다.따라서 흡수계수α(θ), 소수점 반송파 수명θ_minority,^[18] 이동도θ가 높은 재료를 사용해야 한다.

아래 표의 유리한 값은 일반적으로 다중 접합 태양 전지에 사용되는 물질의 선택을 정당화한다.상위 서브셀의 InGaP(E_g = 1.8–1.9 eV), 중간 서브셀의 InGaAs(E_g = 1.4 eV), 하위 서브셀의 게르마늄(E_g = 0.67 eV).Ge의 사용은 주로 격자 상수, 견고성, 저비용, 풍부성, 생산 용이성 등에 기인한다.

서로 다른 층이 밀접하게 격자 매칭되어 있기 때문에, 이 장치의 제작에는 일반적으로 금속 유기 화학 증착(MOCVD)이 사용됩니다.이 기술은 높은 결정 품질과 대규모 ^[14]생산을 보장하므로 MBE(Molecular Beam 에피택시)보다 선호됩니다.

재료.	Eg (eV)	a (nm)	흡수율, δ = 0.8μm(1/1μm)	µn (cm2/V·s)	τp (스위치)	경도 (모)	α (µm/K)	S (m/s)
c-Si	1.12	0.5431	0.102	1400	1	7	2.6	0.1–60
InGaP	1.86	0.5451	2	500	–	5	5.3	50
GaAs	1.4	0.5653	0.9	8500	3	4–5	6	50
ge	0.65	0.5657	3	3900	1000	6	7	1000
InGaAs	1.2	0.5868	30	1200	–	–	5.66	100–1000

구조 요소

금속 접점

금속 접점은 반도체 층과 접촉하는 저저항 전극입니다.그것들은 종종 알루미늄입니다.이것은 부하나 태양전지 어레이의 다른 부분에 전기적인 연결을 제공합니다.그들은 보통 세포의 양쪽에 있다.그리고 조명 표면의 그림자를 줄이기 위해 뒷면에 있는 것이 중요합니다.

반사 방지 코팅

반사 방지(AR) 코팅은 일반적으로 MJ 태양 전지의 경우 여러 층으로 구성됩니다.상단 AR 층은 투과 계수 T, 재료 내 빛의 포획(피라미드로 인해 광자가 MJ 구조에서 쉽게 빠져나오지 못하기 때문에)^[12]을 증가시키기 위해 일반적으로 여러 개의 피라미드로 이루어진 NaOH 표면 텍스처레이션을 가지고 있다.한편, 파괴적인 간섭을 얻기 위해 각 AR 층의 두께를 선택합니다.따라서 반사 계수 R은 1%로 감소합니다.두 AR계층 L1(상위 레이어, 보통 SiO2)과 L2(보통 TiO2)의 경우, L2)nAlInP 12와 L1{\displaystyle n_{\text{L2}}=n_{\text{AlInP}}^{\frac{1}{2}}n_{\text{L1}}}반영되는 들판, 그리고 nL1dL1을 위해 같은 진폭)4λmin, nL2dL2)λmin/4 반영되어 필드에 대해 역상해야 한 n야 한다..[19]한편 각 AR층의 두께도 광전류가 가장 낮은 파장에서의 반사율을 최소화하기 위해 선택된다.이것에 의해, 3개의 서브 ^[20]셀의 전류를 일치시켜 J를 최대화한다_SC.예를 들어 바닥 셀에 의해 발생하는 전류가 다른 셀에 의해 발생하는 전류보다 크기 때문에 자외선 투과(상층 셀에 대응하는)를 업그레이드하면서 적외선 투과(IR) 투과(상층 셀에 대응하는)가 저하되도록 AR층의 두께를 조정한다.특히 AR 코팅은 저파장에서는 T가 70%까지 크게 감소하기 때문에 매우 중요합니다.

터널 분기점

터널 접합의 주요 목표는 2개의 서브셀 ^[21]간에 낮은 전기저항과 광학적으로 낮은 손실 연결을 제공하는 것입니다.이것이 없다면, 상단 셀의 p-도프 영역은 중간 셀의 n-도프 영역과 직접 연결됩니다.따라서 상단 셀과 중간 셀 사이에 다른 방향과 반대 방향의 pn 접합부가 나타난다.따라서 광전압은 기생 다이오드가 없는 경우보다 낮아집니다.이 영향을 줄이기 위해 터널 접합이 사용됩니다.^[22]단순히 광대역 갭, 높은 도프 다이오드일 뿐입니다.높은 도핑은 고갈 영역의 길이를 줄여줍니다. 왜냐하면

${\displaystyle l_{\text{flac {2\silon(\phi_{0}-V)}{q}}{\frac {N_{\text{\text}}A}}+N_{\text{D}}{N_{\text{A}}N_{\text{\text}D}}}}}}}}}}}$

그러므로, 전자는 쉽게 고갈 영역을 통과할 수 있다.터널 접합부의 J-V 특성은 터널 접합부를 사용하여 두 PN 접합부 사이의 전기 저항이 낮은 연결을 가질 수 있는 이유를 설명하기 때문에 매우 중요하다.그림 D는 터널링 영역, 부차저항 영역 및 열확산 영역의 세 가지 영역을 나타냅니다.전자가 장벽을 통해 터널을 뚫을 수 있는 영역을 터널링 영역이라고 합니다.여기서, 전압은 터널링 중인 일부 전자의 에너지가 장벽의 다른 쪽에서 사용 가능한 에너지 상태와 동일하도록 충분히 낮아야 합니다.그 결과 터널 접점을 통과하는 전류밀도는 높고($최대값{\displaystyle {}_{}}$ $({$ 피크 전류밀도)), 원점 부근의 경사가 가파르다.그러면 저항이 매우 낮아지고 결과적으로 전압도 ^[23]낮아집니다.이것이 터널 접합부가 전압 강하를 하지 않고 2개의 PN 접합부를 연결하는 데 이상적인 이유입니다.전압이 높을 때, 전자는 더 이상 전자에 대한 에너지 상태를 이용할 수 없기 때문에 장벽을 넘을 수 없습니다.따라서 전류 밀도가 감소하고 차동 저항은 음이 됩니다.열확산 영역이라고 불리는 마지막 영역은 일반적인 다이오드의 J-V 특성에 해당합니다.

$\displaystyle J=J_{S}\left(\exp \leftflac\frac {qV}{kT}}\right)-1\right)}$

MJ 태양전지 성능 저하를 방지하기 위해 터널 접합부는 다음 광전지, 즉 중간 셀이 흡수하는 파장에 투명해야 한다(예_gTunnel: E > E_gMiddleCell).

창 레이어 및 후면 필드

표면 재조합 속도 S를 저감하기 위해 창층을 이용한다.마찬가지로 Back-Surface Field(BSF; 백 서페이스 필드) 레이어는 터널 접점을 향한 반송파의 산란을 줄입니다.이 두 층의 구조는 같다: 이것은 전자(구멍)를 잡는 헤테로 접합이다.실제로 이들은 그림 E와 같이 에너지가 부족하기 때문에 전기장_d E에도 불구하고 헤테로 접합에 의해 형성된 장벽을 뛰어넘을 수 없다.따라서 전자(구멍)는 구멍(전자)과 재결합할 수 없으며 장벽을 통해 확산되지 않습니다.참고로 창과 BSF 층은 다음 pn 접합에 의해 흡수되는 파장, 즉_gWindow E > E_gEmittergBSF 및 E_gEmitter > E에 투명해야 합니다.또한 격자상수는 InGaP에 가까워야 하며, 층은 높은 도프(n¹⁸ ≤ 10⁻³ cm)^[24]가 되어야 한다.

J-V 특성

방사 결합이 발생하지 않고 각 셀이 다이오드 방정식에 의해 주어진 JV 특성을 갖는 2개의 셀 스택에서 스택의 JV 특성은 다음과 같이 주어진다^[25].

${\displaystyle J=param frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1})+J_{\text{\text}SC,2}}\right)-{\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{\text}SC}}^{2}+J_{0}^{2}\mathrm {e}^{\frac {qV}{kT}}}}}}},}$

${\displaystyle {\text{여기}}_{}}$서 J SC,${\displaystyle {\text{1}}_{}}${\$displaystyle J_{\text{SC,1}}$ $및$ J ${\displaystyle {\text{SC,}}_{}}$ {\$displaystyle J_{\text{}$$SC,2}}}$는 스택 내의 각 셀의 단락 전류(${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\text{J}}_{}}$ SC$\$입니다.$SC}}}$는 이들 단락전류의 ${\displaystyle {차이}_{}^{}}$이며, ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ $=$ ${\displaystyle {\mathrm{J0},}_{}}$ $,$ ${\displaystyle 2_{}{}_{}}$ {{$displaystyle J_{0$}^{2}=J_${\mathrm {0,1}}$는 두 셀의 열재조합전류의 곱이다.단락 전류 및 열재조합 전류에 대해 삽입된 값은 다중 접합 스택에 배치되었을 때 셀에 대해 측정되거나 계산된 값입니다(각 셀 유형의 단일 접합 셀에 대해 측정된 값이 아님).발광 교환이 가능하고, 따라서 방사적으로 결합되는 두 개의 이상적인(방사선 한계에서 작동) 셀에 대한 JV 특성은 다음과^[25] 같다.

${\displaystyle J=param frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1})+J_{\text{\text}SC,2}}\right)+{\frac {1}{2}}T^{-}\Delta J_{\text{\text}SC}-\left(1-T^{+}\오른쪽){\sqrt {\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{\text}SC}}^{2}+{\tilde {J}}_{0}^{2}\mathrm {e}^{\frac {qV}{k}T}}}}}}}.$

여기서 T${\displaystyle {}^{}}$-$${\$displaystyle$ T$^{-}},$ $T$ + {\$displaystyle$ T$^{+}}$ $파라미터$는 세포간의 광자교환을 나타내는 전달계수이다.전달 계수는 셀의 굴절률에 따라 달라집니다.${\displaystyle {\stackrel{}{}J}_{\mathrm{}}^{\stackrel{}{}}}$~ $({$도 세포의 굴절률에 따라 달라집니다.각 셀의 $굴절률{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ $r(\$displaystyle $n_{\text{r$이 같으면 $J{\displaystyle {\stackrel{~}{}}_{\mathrm{}}^{}}$ 2 $=$ (${\displaystyle 1\mathrm{}}$+ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$(${\displaystyle {J\mathrm{}}_{}}$0 ,${\displaystyle {}_{}{2}_{}}$ + ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ r ${\displaystyle {}_{}^{}{}_{}}$ ${\displaystyle {J\mathrm{}}_{}}$0 ,${\displaystyle {}_{}{1}_{}}$) ${\displaystyle {J\mathrm{}}_{}}$0 ,$$ (\$displaystyle {J} _$ {$0}$ =\$left ($1$$+ 2 $n_right$ {r})^{$r})$$J_{0,1}\오른쪽)$$J_{0,1$

효율을 최대화하기 위해 각 서브셀은 최적의 J-V 파라미터로 동작해야 합니다.이것은 각 서브셀에 대해 반드시 동일하다고는 할 수 없습니다.만약 그들이 다르다면, 태양 전지를 통과하는 총 전류는 세 개 중 가장 낮다.MJ 태양전지의 단락전류에 대해 근사적으로 ^[26]J = min(J_SC1, J_SC2, J_SC3)의 관계가_SC 동일하며, 여기서_SCi J(di)는 서브셀 i의 소정 파장 θ에서의 단락전류밀도이다.

전체 J-V 특성에서 직접 J, J_SC2, J를_SC3 얻을_SC1 수 없기 때문에 양자 효율 QE(θ)를 이용한다.주어진 파장 θ에서 전자-공 쌍 생성량과 입사 광자의 비율을 측정한다.서브셀 i에서 대응하는 입사광의 광자속 δ_i(θ)를 서브셀 i의 양자효율 QE_i(θ)로 한다.이는 정의상 다음과 같습니다.^[27]

${\displaystyle QE_{i}(\lambda)=blac {J_{\text}SC}i}(\lambda)}{q\phi _{i}(\lambda)}}}}\오른쪽 화살표 J_{\text{\text}SC}i}=\int _{0}^{\paramda2}q\phi _{i}(\paramda)QE_{i}(\lambda),d\lambda}$

${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle E_{}}$i ( ${\displaystyle )}$ )$$（ \ $displaystyle QE$_ { $i$${\displaystyle \}}$ （ \ $lambda$） ） ${\displaystyle (}$ ( ( ( ( ( ( ( ( 、 ( （ \ $displaystyle$\$alpha$( \ $lambda$)$$） the$$ the ${\displaystyle \mathrm{the}}$ ${\displaystyle \mathrm{the}}$ the the $the{\displaystyle }$ the 。서브셀에 의해 흡수된 각 광자가 전자/공 쌍을 만든다고 가정하면 (좋은 근사치이다) 이는 다음과 ^[24]같이 이어진다.

${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle E_{}}$i ( ${\displaystyle {)}^{}}$ ) ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 1}$-${\displaystyle e^{}}$ -${\displaystyle {\alpha }^{}}$ ( ${\displaystyle {)}^{}}$ ) ${\displaystyle {{di}_{}}^{}}$ $($ \ $displaystyle QE$_ { $i$} ( \ $lambda$ ) =$$1 - e^ { - \ $alpha$( \ $lambda$) d$$$$${\displaystyle {{\_}_{}}^{}}$ { $}$$$。 d는_i 서브셀 i의 두께$,$ $e{\displaystyle {}^{}}$ -${\displaystyle {\alpha }^{}}$ (${\displaystyle {}^{}}$( ) ${\displaystyle {{}_{}}^{}}$ ( \ $displaystyle$ e^ { \ $alpha$} $da$ } da } $da$ _ da _ da _ da _ da _ da _ da _ da _ da _ da _ da _ d

마찬가지로

$displaystyle$$}V_$i}}, 다음 근사치를 $사용$할 수 있습니다. ${\displaystyle {\text{V}}_{}}$ OC${\displaystyle {}_{}\underset{}{\overset{}{}}}$ ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{i}}}$i = ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{\mathrm{}}}}$ ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{}}{}_{}}$ ${\displaystyle {\text{V}}_{}}$ i { \ $display V$ _ {$$\ text }$OC}=\sum _{i=1}^{3$$}V_{\$$text{$$OC}}i$

${\displaystyle {\text{V}}_{}}$ ${\displaystyle {OC}_{}}$i의 값${\text${\$style$ V_{\$text}$OC$}}i}}$는 다음으로 J-V 다이오드 방정식으로 구한다.

${\displaystyle J_{i}=J_{0i}\left(e^{\frac {qV_{i}}}{k})T}}-1\right)-J_{\text{\text}SC}}i}\오른쪽 화살표 V_{\text{\text}OC}i}\약 {frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {J_{\text{\text})SC}i}}{J_{0i}}\right)}$

이론적인 제한 효율

C가 발명한 그래피컬 양자 효율(QE) 분석을 사용하여 이상적인 무한 다접합 태양 전지의 한계 효율을 추정할 수 있다.H.^[28] 헨리헨리의 방법을 최대한 활용하려면 AM1.5 스펙트럼 조사 강도의 단위를 광자속 단위로 변환해야 한다(즉, 광자 수/m²·s).이를 위해서는 광자 에너지당 단위 면적당 전자파 입사 전력에서 광자 에너지당 광자속(즉, [W/m²·eV]에서 [광자/m²·s·eV 수])으로 중간 단위 변환을 수행해야 한다.이 중간 단위 변환에서는 다음 사항을 고려해야 합니다.광자는 다음과 같이 정의되는 뚜렷한 에너지를 가지고 있다.

(1): E_ph = hf = h(c/diam)

여기서_ph E는 광자 에너지, h는 플랑크의 상수(h = 6.626×10⁻³⁴ [Jµs]), c는 빛의 속도(c = 2.998×10⁸ [m/s]), f는 주파수 [1/s], θ는 파장 [nm]이다.

특정 조사강도 E [W/m²·eV]에 대한 광자 에너지 당_ph 광자속 dn/dh,를 다음과 같이 계산할 수 있다.

(2): ${\displaystyle \frac{{\text{dn}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ d ${\displaystyle \frac{h}{}}$ ${\displaystyle \frac{v}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{ph}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle E\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{\frac{h}{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\frac{}{}}{}\frac{}{}}${\ { $displaystyle${$dn$ _ { \$text$ { $ph$} } { $dhv$ } =$flac${ $E _$ { \ $text${ $ph }}$=$flac$ { $E$} { \ $frac$ { E } { \ $frc$=$$ E / mW² $=$

이 중간 단위 변환의 결과, AM1.5 스펙트럼 조사 강도는 그림 1과 같이 광자 에너지당 광자속 단위, [no. of photon²/m·s·eV]로 주어진다.

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  그림 1표준 태양 에너지 스펙트럼의 광자 에너지당 광자속(1.5 AM).

중간 단위 변환에 의한 상기 결과에 근거해, 광자 에너지 마다 광자속을 수치적으로 적분하는 것으로 광자속을 도출할 수 있다.수치적으로 통합된 광자속은 다음과 같이 사다리꼴 규칙을 사용하여 계산됩니다.

($3{\displaystyle {}_{}}$) :${\displaystyle {}_{}{\text{n}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ (${\displaystyle {}_{}{E}_{}}$ g ) ${\displaystyle ={}_{e{}_{}}^{}}$ ${\displaystyle {E_{}}_{}^{}}$ g${\displaystyle {{}_{}}_{\mathrm{}}^{}\frac{{\text{n}}_{}}{}}$ d n ${\displaystyle \frac{\mathrm{ph}}{}}$ d ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle v\frac{}{}}$ v ${\displaystyle =\underset{i}{\overset{}{}}}$ ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{{}_{}}}}$ ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{=}}}$ ${\displaystyle \underset{}{\overset{}{E_{}}}}$ ${\displaystyle g\underset{}{\overset{}{}}\underset{\mathrm{}}{\overset{}{{}_{}}}}$ ( ${\displaystyle h_{}}$v ${\displaystyle {\mathrm{i}}_{}}$ +${\displaystyle {}_{}1}$ - ${\displaystyle h_{}v\frac{\mathrm{}}{}}$ i )${\displaystyle \frac{1}{}2\frac{}{}}$ [ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{n}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{ph}}{}}$ d${\displaystyle \frac{}{}}$h ${\displaystyle v}$ ( ${\displaystyle h_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{\mathrm{i}}_{}}$+${\displaystyle }$1 ) + ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{n}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ ${\displaystyle \frac{h}{}v}$ (${\displaystyle {}_{}{h}_{}}$ v${\displaystyle }$i )${\displaystyle }$]{ $style$n _ ${$ text } = { ph$（ ph$ ）$_{\text{g}}^{\infty}(frac_{i+1}-frac_{2}}\left[{\frac {dn_{\text{ph}}{dhv}}(frac_{i+1})+{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}{dhv}{{{{i}}}}}{{{{right}}}}}}}}{{{\i}}}}}}}}{\light}}}}}}}}$

이 수치 통합의 결과로 AM1.5 스펙트럼 조사 강도는 그림 2와 같이 광자속 단위인 [광자 수/m2/s]로 주어진다.

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  그림 2표준 태양 에너지 스펙트럼의 광자속(AM 1.5).

hµ < 0.31 eV에 대한 표준(AM1.5) 태양 에너지 스펙트럼을 이용할 수 없기 때문에 작은 광자 에너지 범위인 0–0.3096 eV에는 광자속 데이터가 없다.그러나 이 데이터 사용 불가능에 관계없이 반도체가 밴드갭 에너지보다 큰 광자 에너지에 대해서는 불투명하지만 밴드갭 에너지보다 작은 광자 에너지에 대해서는 투명하다는 합리적인 가정 하에 사용 가능한 유일한 데이터를 사용하여 그래픽 QE 분석을 수행할 수 있다.이러한 가정은 태양 전지의 효율성에 있어 첫 번째 내재적 손실을 설명하는데, 이는 단일 접합 태양 전지가 넓은 태양 에너지 스펙트럼과 적절히 일치시키지 못하기 때문에 발생한다.그러나 현재의 그래픽 QE 분석은 여전히 태양 전지의 효율에서 두 번째 본질적 손실인 복사 재결합을 반영할 수 없다.복사 재조합을 고려하기 위해 먼저 복사 전류 밀도 J를_rad 평가할 필요가 있다.쇼클리와 키서의 ^[29]방법에 따르면

J는_rad 다음과 같이 근사할 수 있다.

(4) : ${\displaystyle {\text{J}}_{}}$ rad ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle A}$ exp ${\displaystyle (}$ ( ${\displaystyle e\frac{V}{}}$ - ${\displaystyle \frac{E_{}}{}}$ g ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}\frac{T}{}}$) { $displaystyle$J _ { \$text$ { $rad$ } $=$$A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{k$$})$$T}}\right),$

($5{\displaystyle }$) : A ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 2\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mu }{}}$ exp ${\displaystyle \frac{(}{}}$ ( ${\displaystyle \frac{{n\mathrm{}}^{}}{}}$2 +${\displaystyle \frac{1}{}}$) ${\displaystyle \frac{{\mathrm{}}_{}^{}}{}}$ 2 ${\displaystyle \frac{k}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$ h ${\displaystyle \frac{{}^{}{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{c\mathrm{}}^{}}{}\frac{{}^{}}{}}$2 ( \ $displaystyle$ A =$sn$ frac ${ 2$ \ $pi$} , \$exp$ \ left ( $n^$ {$2}$ +$1$ \$$$right$ )$E_{\text{g}}^{2}k$$T}{h^{3}c^{2}},}$

여기서_g E는 전자 볼트 단위이고 n은 GaAs 값인 3.6으로 평가됩니다.입사 흡수 열방사선_th J는 V = 0인 J에 의해_rad 주어진다.

(6) : ${\displaystyle J_{}}$ t ${\displaystyle h_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle A}$ exp ${\displaystyle (\frac{}{}}$( - ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ k${\displaystyle \frac{}{}\frac{T}{}}$) { $displaystyle J_{th$ } $= A$\ $exp$ \ left $flac${ - E _ { \$text$ { g } } { $k$ }$T}}\right),$

부하에 전달되는 전류 밀도는 흡수된 태양 및 열 복사에 의한 전류 밀도와 상단 표면에서 방출되거나 기판에 흡수된 방사선의 전류 밀도의 차이이다.J_ph = en을 정의하면_ph 다음과 같이 됩니다.

(7) : J = J_ph + J_th - J_rad

두 번째 항인_th J는 위의_th J 방정식의 평가에서 알 수 있듯이 E ≤ 0.3 eV의_g 모든 반도체에 대해 J에_ph 비해 무시할 수 있다.따라서 다음 논의를 간소화하기 위해 이 용어를 무시합니다.그러면 J를 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

(8) : $J{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle {}_{}{\text{ph}}_{}}$ - ${\displaystyle A}$ exp ${\displaystyle (}$ ( ${\displaystyle \frac{e}{}}$V - ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ k${\displaystyle \frac{}{}\frac{T}{}}$) \ $display style$ J $= en$ _ { \ $text$ { ph } - A $\ exp$ \ $frac${ $eV$ - E _ { \$text$ { $g$} { $k$$$}$T}}\right),$

개방 전압은 J = 0으로 설정하여 구합니다.

(9): ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\text{V}}_{}}$ OC ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle E_{}g}$ - ${\displaystyle k}$ T ${\displaystyle \ln }$( ${\displaystyle \frac{A}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{e}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ph $display$ style $eV_{\text{$$OC}}=E_{\text{g}}-kT\ln \leftfac {A}{en_{\text{ph}}}\right},$

최대 전력점(J_m, V_m)은 $도함수{\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{dJ}}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ d ${\displaystyle \frac{V}{}}$ $=$을 설정하여 구합니다. 이 계산의 익숙한 결과는 다음과 같습니다.

(10): ${\displaystyle {}_{}}$ V ${\displaystyle m_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle {}_{}\mathrm{OC}}$ - ${\displaystyle k}$ T ${\displaystyle \ln }$( ${\displaystyle 1\mathrm{}}$+ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{V_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{mk}}{}}$T ${\displaystyle )\{}$ $displaystyle eV_{\text{m$}$}}=eV_{\$$text{$$OC}-kT\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{k$$})$$T}}\right),$

(11): ${\displaystyle J_{}}$ m ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle e\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{n}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{\mathrm{}}}$1 + ${\displaystyle \frac{k}{}}$T / ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ V${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}{\displaystyle \frac{m_{}}{}}$ \ $displaystyle J_{$ \$text$ { $m$$}}=paramfrac {en_{\text{ph}}{1+kT$$/e$$V_{\text{m}}}}}}},$

마지막으로 흡수된 광자당 수행된 최대 작업_m(W) Wm은 다음과 같다.

(12): ${\displaystyle W_{}}$ m ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{J_{}}{}}$ m ${\displaystyle \frac{{}_{}{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{n}}_{}}{}}$ ph ${\displaystyle =\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle e\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{V_{}}{}}$ m${\displaystyle \frac{}{{}_{}}}$ + ${\displaystyle \frac{k}{}}$T / ${\displaystyle \frac{e}{}}$ ${\displaystyle \frac{V_{}}{}}$ m ${\displaystyle =\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ V${\displaystyle {}_{}{m}_{}}$ - ${\displaystyle k}$ { \ $display style$ W$_$ { \ text { $m$ }$}} = flac {J_{\text{$$m}}$$V_{\text{m}}{n_{\text{ph}}}},=snfrac {eV_{\text{m}}}{1+kT/e$$V_{\text{m}}}},=eV_{\text{m}}-kT}$

마지막 세 개의 방정식을 조합하면

(13): ${\displaystyle W_{}}$ m $=$ ${\displaystyle E_{}g}$ - k${\displaystyle T}$ [ ${\displaystyle in\frac{}{}}$ ${\displaystyle (}$ ( ${\displaystyle \frac{A}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{n}}_{}}{}}$ph${\displaystyle }$) + ${\displaystyle \ln }$ ${\displaystyle }$ ( ${\displaystyle 1\mathrm{}}$+ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{V_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{k}{}}$T${\displaystyle }$) + ${\displaystyle 1}$](\$displaystyle W_{\text{g$}=$E_{\text{g}-kT\$left$[\ln\default\fracA}{en_{\ph})$$T}}\right)+1\right],$

위 방정식을 사용하여 그림 3에 E(또는_ph n)의_g 다른 값에 대해 W(빨간색 선)를 표시합니다_m.

• 

  그림 3표준 AM1.5 스펙트럼 조사 강도 하에서 이상적인 무한 다접합 태양 전지에 의한 최대 작업.

이제 헨리의 QE그래픽 분석을 완전히 사용할 수 있습니다. 태양전지 효율의 두 가지 주요 본질적 손실을 고려합니다.두 가지 주요 본질적 손실은 복사 재조합과 단일 접합 태양 전지가 넓은 태양 에너지 스펙트럼과 적절하게 일치할 수 없다는 것이다.빨간색 선 아래의 음영 영역은 이상적인 무한 다접합 태양 전지에 의해 수행된 최대 작업을 나타냅니다.따라서 적색선에 의해 정의된 음영면적과 흑색선에 의해 결정된 총광자-플럭스면적을 비교하여 이상적인 무한 다접합 태양전지의 제한효율을 68.8%로 평가한다.(이 때문에, 이 방법을 「그래픽」QE 분석이라고 부릅니다).이 제한 효율 값은 1979년 Parrott와 Vos가 각각 ^[30][31]64%와 68.2%로 발표한 값과 일치하지만, 이 보고서의 추정 값과 문헌 값 사이에는 약간의 차이가 있다.이러한 사소한 차이는 0–0.3096 eV에서 광자속을 근사하는 방법이 다르기 때문일 가능성이 높다.여기서는 0.31eV에서 광자속과 동일한 광자속을 0.3096eV로 근사했다.

자재

현재까지 생산된 대부분의 다중 접합 셀은 3개의 레이어를 사용합니다(다수는 tandem a-Si:H/mc-Si 모듈이 생산되었으며 널리 사용 가능합니다.그러나 3중 접합 셀은 특정 주파수에 맞춰 조정할 수 있는 반도체를 사용해야 하며, 이로 인해 대부분은 갈륨 비화물(GaAs) 화합물로 만들어졌으며, 종종 바닥은 게르마늄, 중간은 GaAs, 그리고 상단 셀은 GaInP로₂ 만들어졌습니다.

비화 갈륨 기질

이중 접합 셀은 비화 갈륨 웨이퍼에 만들 수 있습니다.InGaP_.5.5~InGaP_.53.47 범위의 인듐 갈륨 인화합금이 고대역 갭 합금으로 기능한다.이 합금 범위는 1.92 ~ 1.87 eV 범위에서 밴드 갭을 가질 수 있는 기능을 제공합니다.하부 GaAs 접합부의 밴드 갭은 1.42eV입니다.^{[citation needed]}

게르마늄 기질

게르마늄 웨이퍼 상에 인듐갈륨(InGaP), 비화 갈륨(GaAs) 또는 비화 갈륨(InGaAs) 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 삼중 접합 셀을 제조할 수 있다.초기 세포들은 중간 접합부에 곧은 갈륨 비소를 사용했다.이후 셀은 Ge와 격자 매치가 ^{[citation needed]}더 좋아 결점 밀도가 더 낮기 때문에 InGaAs를_0.0150.985 활용했습니다.

GaAs(1.42 eV)와 Ge(0.66 eV)의 밴드 갭 차이가 크기 때문에 현재 매칭은 매우 열악하며 Ge 접합부 작동 전류는 상당히 ^{[citation needed]}제한적입니다.

상업용 InGaP/GaAs/Ge 셀의 전류 효율은 햇빛이 ^[32][33]집중된 상태에서 40%에 도달합니다.연구실 셀(일부 GaAs와 Ge 접합부 사이의 추가 접합부 사용)은 40% ^[34]이상의 효율성을 보였습니다.

인화 인듐 기질

인화인듐은 1.35eV에서 0.74eV 사이의 밴드갭을 가진 세포를 제조하기 위한 기질로 사용될 수 있다.인화인듐은 밴드갭이 1.35eV이다.Indium Galium Arsenide(InGaAs)는_0.530.47 Indium Phosphide와 0.74 eV의 밴드 갭으로 격자 매치됩니다.인화인듐 갈륨 갈륨 4차 합금은 둘 사이의 ^{[citation needed]}밴드 갭에 대해 격자 매칭할 수 있다.

인화인듐 기반 세포는 비화갈륨 세포와 함께 작동할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.두 셀은 광학적으로 직렬로(GaAs 셀 아래에 InP 셀이 있음) 연결되거나 이색 ^{[citation needed]}필터를 사용하여 스펙트럼 분할을 통해 병렬로 연결될 수 있다.

질화 인듐 갈륨 기질

질화인듐갈륨(InGaN)은 질화인듐(GaN)과 질화인듐(InN)이 혼합된 반도체 재료입니다.삼원족 III/V 다이렉트 밴드갭 반도체입니다.밴드갭은 합금 내 인듐의 양을 0.7eV에서 3.4eV로 바꿔 조정할 수 있어 태양전지에 ^[35]이상적인 재료다.그러나 밴드갭과 무관한 기술적 요인으로 인해 변환효율이 ^[36][37]여전히 시장에서 경쟁력을 갖출 만큼 높지 않다.

퍼포먼스 향상

구조.

많은 MJ 광전지는 III-V 반도체 재료를 사용합니다.GaAsSb 기반의 헤테로 접합 터널 다이오드는 위에서 설명한 기존의 InGaP 하이도핑 터널 다이오드가 아닌 터널링 거리가 짧습니다.실제로 GaAsSb 및 InGaAs에 의해 형성된 헤테로구조에서 GaAsSb의 원자가대가 인접한 p도프층의 ^[22]원자가대보다 높다.이것에 의해 터널링 거리_tunnel d가 단축되어 d에 기하급수적으로_tunnel 의존하는 터널링 전류가 증가한다.따라서 전압이 InGaP 터널 접점보다 낮다.GaAsSb 헤테로 접합 터널 다이오드는 다른 이점을 제공합니다.더 낮은 ^[38]도핑을 사용해도 동일한 전류를 얻을 수 있습니다.둘째, GaAsSb는 Ge보다 격자상수가 크기 때문에 ^[22]Ge보다 GaAsSb에 격자 매칭되는 재료가 많아 바닥 셀에 더 넓은 범위의 재료를 사용할 수 있다.

일부 층에 화학 성분을 추가할 수 있습니다.각 층에 약 1%의 인듐을 추가하면 여러 ^[39]층의 격자 상수와 더 잘 일치합니다.그렇지 않으면 레이어 간 불일치가 0.08% 정도 발생하므로 성능이 저하됩니다.상단 셀에 알루미늄을 추가하면 밴드 갭이 1.96 ^[39]eV로 증가하여 태양 스펙트럼의 더 큰 부분을 커버하고 더 높은 개방 전압_OC V를 얻는다.

MJ 태양 전지의 이론적 효율은 무한 개수의 ^[14]결합에 대해 86.8%로, 결합이 많을수록 효율이 증가한다는 것을 의미한다.이론적으로 최대 효율은 1, 2, 3, 36의 추가 pn 접합에 대해 각각 37, 50, 56, 72%이며, 접합의 수는 기하급수적으로 증가하여 동일한 효율성 ^[24]증가를 달성한다.기하급수적 관계는 셀이 효율의 한계에 가까워짐에 따라 비용 증가 및 복잡성이 빠르게 증가함을 의미합니다.톱셀의 두께를 줄이면 투과계수 ^[24]T가 증가한다.

P-Ge층과 InGaAs층 사이에 InGaP 헤테로층을 부가하여 MOCVD 성장 중에 산란함으로써 n-Ge층을 자동으로 생성하고 바닥 ^[39]셀의 양자효율 QE(θ)를 크게 높일 수 있다.InGaP는 Ge에서 산란계수가 높고 용해도가 낮기 때문에 유리하다.

현재 탠뎀과 일반적으로 III에서 V 반도체를 사용하는 트리플 및 쿼드러플 접합 모듈을 비롯한 여러 상용(비페로브스카이트) 다중 접합 기술이 있으며, 표준 실리콘 태양 ^[40][41]전지에 필적하고 심지어 성능을 능가하는 전력 변환 효율성을 제공합니다.

스펙트럼 변동

지구 표면의 태양 스펙트럼은 날씨와 태양의 위치에 따라 끊임없이 변화합니다.이로 인해 θ(θ), QE(θ), α(θ)의 변화가 발생하고, 결과적으로_SCi 전류 밀도 J가 반드시 일치할 필요는 없으며, 총 전류는_i 낮아진다.이러한 변화는 스펙트럼 조사 강도 G(θ)(특정 파장 θ에서 광원의 전력 밀도)와 총 광자속 밀도 사이의 비율인 평균 광자 에너지(APE)를 사용하여 정량화할 수 있다.APE의 값이 높으면(낮으면) 파장의 스펙트럼 조건이 낮고(높으면) ^[42]효율이 높다는 것을 알 수 있습니다.따라서 APE는 성능에 대한 태양 스펙트럼 변동의 영향을 수량화하는 데 좋은 지표이며 장치 구조와 ^[42]장치의 흡수 프로필로부터 독립적이라는 추가적인 이점이 있다.

광집광기 사용

광콘센트레이터는 효율을 높이고 비용 대비 효율을 낮춥니다.사용되는 세 가지 유형의 광집광기는 프레넬 렌즈와 같은 굴절 렌즈, 반사 접시(포물선 또는 카세그라인), 광도관 광학입니다.이 장치들 덕분에, 큰 표면에 도달한 빛은 작은 셀에 집중될 수 있다.강도 집중비(또는 "태양")는 집중된 빛의 평균 강도를 1kW/m²(태양 상수와 관련된 합리적인 값)로 나눈 값이다.값이 X일 경우 MJ 전류는 집중 ^[43][44]조명 하에서 X가 됩니다.

500~1000 정도의 농도를 사용하면 1cm² 셀이 0.1m²(1m는² 10000cm와² 동일)에서 채집한 빛을 사용할 수 있으므로 지금까지 본 것 중 가장 높은 효율을 얻을 수 있습니다.3층 셀은 기본적으로 63%로 제한되지만, 기존 상용 프로토타입은 이미 40%^[45][46] 이상을 입증했습니다.이러한 셀은 이론적인 최대 성능의 약 2/3를 캡처하기 때문에 동일한 설계의 비농축 버전에 대해서도 마찬가지라고 가정하면 효율이 30%인 3층 셀을 기대할 수 있습니다.이는 기존 실리콘 설계에 비해 추가 생산 비용을 보충하기에 충분하지 않습니다.이러한 이유로 지상용 다접합 세포 연구는 대부분 집광기 시스템 전용으로, 보통 거울이나 플레넬 렌즈를 사용한다.

콘센트레이터를 사용하면 특정 접지 면적을 커버하는 데 필요한 셀 수를 크게 줄일 수 있다는 이점도 있습니다.1m를² 덮는 기존 시스템에서는 625개의 16cm² 셀이 필요하지만 콘센트레이터 시스템의 경우 콘센트레이터와 함께 하나의 셀만 필요합니다.집중 다중 접합 셀에 대한 주장은 셀 자체의 높은 비용이 셀의 총 수 감소에 의해 상쇄될 수 있다는 것이었다.그러나 콘센트레이터 접근법의 단점은 낮은 조명 조건에서는 효율성이 매우 빠르게 떨어진다는 것입니다.기존의 셀에 비해 이점을 극대화하고 비용 경쟁력을 갖추기 위해 집광 장치 시스템은 빛을 셀에 집중시키고 최대한 오랫동안 효율을 유지하기 위해 이동하는 동안 태양을 추적해야 합니다.이를 위해서는 태양광 추적기 시스템이 필요하며, 이는 생산량을 증가시키지만 비용도 증가시킵니다.

제조

2014년 현재 다중 접합 셀은 일반적으로 금속 유기 기상 에피택시이지만 "칩" 크기인 반도체 장치 제작과 유사한 기술을 사용하여 제작하는 데 비용이 많이 들었습니다.

그 해, 이러한 셀이 기존의 실리콘 ^[47]셀에 비해 경쟁력 있는 비용을 제공할 수 있는 저비용 증기인 유리 또는 강철 기판을 사용할 수 있는 새로운 기술이 발표되었습니다.

다른 테크놀로지와의 비교

광전지에는 네 가지 주요 범주가 있습니다: 기존의 단결정 및 다결정 실리콘(c-Si), 박막 태양전지(a-Si, CIGS 및 CdTe), 다중 접합(MJ) 태양전지입니다.네 번째 범주인 신흥 태양광 발전은 아직 연구 또는 개발 단계에 있으며 아래 표에 나열되지 않은 기술을 포함한다.

분류	테크놀로지	§ (%)	VOC(V)	ISC(A)	W/m2	t(140m)	레퍼런스
결정성 실리콘 셀	단결정	24.7	0.5	0.8	63	100	[검증 필요]
	폴리실리콘	20.3	0.615	8.35	211	200
박막 태양전지	비정질 실리콘	11.1	0.63	0.089	33	1
	CDTe	16.5	0.86	0.029	–	5
	시가	19.5	–	–	–	1
다접합 셀	MJ	40.7	2.6	1.81	476	140

MJ 태양 전지와 기타 태양광 발전 장치는 상당한 차이가 있다(위 표 참조).물리적으로 MJ 태양전지의 주요 특성은 더 큰 광자 에너지 스펙트럼을 포착하기 위해 두 개 이상의 pn 접합을 갖는 것이며, 박막 태양전지의 주요 특성은 비용 효율성 비율을 낮추기 위해 두꺼운 층 대신 박막을 사용하는 것이다.2010년 현재^[update], MJ 태양 전지판은 다른 것보다 비싸다.이러한 차이는 다른 응용 프로그램을 의미합니다.MJ 태양 전지는 우주에서, c-Si 태양 전지는 지상 용도로 선호된다.

태양전지와 Si태양광기술의 효율은 비교적 안정적이며, 태양모듈과 다접합기술의 효율은 진보하고 있다.

MJ 태양 전지에 대한 측정은 보통 광 집중기를 사용하여(다른 전지의 경우 그렇지 않은 경우가 많다) 표준 시험 조건(STC)에 따라 수행된다.STC는 지상파 애플리케이션의 경우 AM1.5 스펙트럼을 참조로 규정한다.이 기단(AM)은 48°의 하늘에서 태양의 고정 위치와 833 W/m의² 고정 전력에 해당합니다.따라서 입사광과 환경 파라미터의 스펙트럼 변화는 STC에 ^[48]따라 고려되지 않는다.

따라서 지상환경에서의 MJ태양전지 성능은 실험실에서의 성능보다 떨어진다.또한 MJ 태양전지는 STC 하에서는 전류가 일치하도록 설계되지만 현장 조건에서는 그렇지 않다.QE())를 사용하여 다른 테크놀로지의 성능을 비교할 수 있지만 QE())에는 서브셀의 전류 매칭에 대한 정보가 포함되어 있지 않습니다.중요한 비교 포인트는 같은 입사광으로 발생하는 단위 면적당 출력 전력입니다.

적용들

2010년 현재, MJ 태양 전지의 비용은 너무 높아 특수 용도 이외에서 사용할 수 없었다.고비용은 주로 복잡한 구조와 높은 재료 가격 때문이다.그럼에도 불구하고 최소 400개의 태양 빛을 받는 광 집광기를 사용하면 MJ 태양 전지판이 ^[24]실용화된다.

저렴한 다중 접합 재료를 사용할 수 있게 되면서 다른 응용 분야에서는 다양한 대기 ^[49]조건을 가진 마이크로 기후를 위한 밴드갭 엔지니어링이 필요합니다.

MJ 세포는 현재 화성 탐사선 ^[50]임무에 사용되고 있다.

우주의 환경은 상당히 다르다.대기가 없기 때문에 태양 스펙트럼이 다르다(AM0).셀은 1.87 eV와 1.42 eV 사이의 광자에 비해 1.87 eV 이상의 광자속 때문에 전류가 잘 맞지 않는다.이로 인해 GaAs 접점에 전류가 너무 적고 InGaP 접점이 MPP 전류보다 낮게 작동하고 GaAs 접점이 MPP 전류보다 높게 작동하므로 전체적인 효율이 저하됩니다.현재 일치 상태를 개선하기 위해 InGaP 레이어는 추가 광자가 하위 GaA ^{[citation needed]}레이어에 침투할 수 있도록 의도적으로 얇아졌습니다.

지상 집중 애플리케이션에서 대기에 의한 푸른 빛의 산란으로 광자속이 1.87 eV 이상으로 감소하여 접합 전류의 균형을 더 잘 맞춘다.더 이상 여과되지 않은 방사선 입자는 세포를 손상시킬 수 있습니다.손상에는 이온화와 원자 ^[51]치환의 두 종류가 있습니다.그러나 MJ 셀은 높은 방사선 저항성, 높은 효율성 및 낮은 온도 ^[24]계수를 제공합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 반도체 재료 목록
• 유기 광전지
• PIN 다이오드
• 마이크로몰프(a-Si/μc-Si 탠덤셀)

레퍼런스

추가 정보

• Luque, Antonio; Hegedus, Steven, eds. (2003). Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-49196-5.

• Yarris, 린(711월 2011년).버클리 연구소 연구 스파크스 Record-Breaking 태양 전지 성능.뉴스 센터.로렌스 버클리 국립 연구소.1012월 2011년 Retrieved.과학자들에 의해 미국 에너지부와 이론적 연구(DOE는)의 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소)태양 전지에 기록적인 sunlight-to-electricity 변환 효율로 이어졌다.(휴가에;DMagazine발간되)