쇼클리-퀴서 한계

물리학에서 복사 효율 한계(상세균형 한계, 쇼클리-퀴서 한계, 쇼클리 케이서 효율 한계 또는 SQ 한계라고도 한다)는 태양 전지 내의 유일한 손실 메커니즘이 복사 재조합인 셀로부터 전력을 수집하기 위해 단일 p-n 접속점을 사용하는 태양 전지의 최대 이론 효율이다.1961년 윌리엄 쇼클리(William Shockley)와 한스 요아힘(Hans-Joachim) 케이서가 쇼클리(Shockley Semiconductor)에서 처음 계산해 1.1 eV로 최대 30%의 효율을 부여했다.^[1]이 한계는 태양광 전지를 이용한 태양광 생산의 가장 기본적인 것 중 하나이며, 이 분야에서 가장 중요한 기여 중 하나로 꼽힌다.^[2]

이 첫 번째 계산은 태양 스펙트럼에 대한 근사치로 6000K 흑체 스펙트럼을 사용했다.후속 계산에서는 측정된 글로벌 태양 스펙트럼 AM 1.5를 사용했으며, 밴드갭이 1.34 eV인 단일 접합 태양전지의 경우 최대 태양 변환 효율을 33.16%로 높이는 백 표면 거울을 포함했다.^[3]즉, 이상적인 태양 전지에 떨어지는 햇빛에 포함된 모든 전력(약 1000W/m²) 중에서 33.7%만이 전기(337W/m²)로 변할 수 있었다.가장 인기 있는 태양전지 소재 실리콘은 밴드 간격이 1.1eV로 유리하지 않아 최대 효율이 약 32%에 이른다.현대의 상업용 단결정 태양 전지는 약 24%의 변환 효율을 생산하는데, 그 손실은 주로 셀 전면의 반사나 셀 표면의 얇은 와이어로 인한 빛 막힘과 같은 실제적인 우려에 기인한다.

Shockley-Quisser 제한은 단일 p-n 접합부를 가진 기존의 태양전지에만 적용된다. 여러 층을 가진 태양전지가 이 한계를 초과할 수 있으며, 태양열 및 특정 태양에너지 시스템도 이를 초과할 수 있다.극한치에서는 층수가 무한히 많은 다분절 태양전지의 경우 정상 일조시 68.7%,^[4] 집중 일조시 86.8%로 이에 상응하는 한계가 있다.(^[5]태양전지 효율 참조)

배경

실리콘과 같은 전통적인 고체 반도체에서 태양전지는 두 개의 도핑된 결정체로 만들어지는데, 하나는 여분의 자유전자가 있는 n형 반도체, 다른 하나는 자유전자가 부족한 p형 반도체를 '구멍'이라고 한다.처음에 서로 접촉했을 때, n-타입 부분의 일부 전자가 p-타입으로 흘러들어와 누락된 전자를 "충전"하게 된다.결국 두 물질의 페르미 수준을 균등하게 하기 위해 경계를 가로질러 충분히 흐를 것이다.그 결과 인터페이스의 영역인 p-n 접속부가 있으며, 인터페이스의 양쪽에서 충전 캐리어가 고갈된다.실리콘에서, 이러한 전자의 전달은 약 0.6V에서 0.7V의 전위 장벽을 생성한다.^[6]

물질을 태양에 놓이게 되면 햇빛으로부터 나오는 광자가 반도체의 p형 면에 흡수되어 발란스 대역의 전자가 에너지로 전도 대역으로 촉진될 수 있다.이 과정은 광신출이라고 알려져 있다.이름에서 알 수 있듯이 전도 대역의 전자는 반도체를 자유롭게 돌아다닐 수 있다.하중이 셀 전체에 걸쳐 놓이면 이들 전자는 p형측에서 n형측으로 흘러들어와 외부회로를 통해 이동하는 동안 에너지를 상실한 다음, 남겨둔 발란스밴드 구멍과 다시 결합할 수 있는 p형물질로 되돌아간다.이런 식으로 햇빛은 전류를 생성한다.^[6]

한계

쇼클리-퀴서 한계는 들어오는 햇빛의 광자당 추출되는 전기 에너지의 양을 조사하여 계산한다.몇 가지 고려사항이 있다.

흑체방사

절대 0(0 켈빈)이 아닌 모든 물질은 흑체 방사선 효과를 통해 전자기 방사선을 방출한다.상온의 세포에서, 이것은 세포에 떨어지는 모든 에너지의 약 7%를 나타낸다.

세포에서 손실된 에너지는 열로 변하기 때문에, 세포의 비효율성은 그것이 햇빛에 놓일 때 세포 온도를 증가시킨다.세포의 온도가 증가함에 따라 전도와 대류를 통한 방출 방사선 및 열 손실도 평형에 도달할 때까지 증가한다.실제로, 이 평형은 보통 360 켈빈 정도의 높은 온도에서 도달하며, 결과적으로, 셀은 보통 실내 온도 등급보다 낮은 효율로 작동한다.모듈 데이터시트는 일반적으로 이 온도 의존성을 T_NOCT(NOCT - 공칭 작동 셀 온도)로 표시한다.

상온에서"흑체"의 경우 이 방사선("세포"을 위한 단위 시간 단위 면적당당 수 Qc에 의해 결정되는"c")이 매우 작은 부분은 광자를 가지고 있는 에너지는 밴드 갭(실리콘에 파장 이하에 대해 1.1미크론 정도이다)보다 크고,(쇼클리와 Queisser의 요소 tc을 사용한다)recombina에서 생성한 광자들 중 일부입니다.ti전자와 홀의 전류를 감소시켜 그렇지 않으면 생성될 수 있는 전류의 양을 감소시킨다.이는 매우 작은 효과지만 쇼클리와 케이서는 셀을 가로지르는 전압이 0일 때(단락 또는 빛이 없을 때) 총 재결합률(아래 참조)이 흑체 방사선 Q에_c 비례한다고 가정한다.이러한 재조합 속도는 효율성에 부정적인 역할을 한다.Shockley와 Keisser는 300K에서 실리콘의 제곱 센티미터 당 초당 1700 광자로 Q를_c 계산한다.

재조합

광자의 흡수는 전자 홀 쌍을 생성하는데, 이것은 잠재적으로 전류의 원인이 될 수 있다.그러나, 전자와 홀은 광자를 방출하면서 만나 재결합할 수 있다는 세부균형의 원리에 따라 역방향 과정도 가능해야 한다.이 과정은 세포의 효율을 떨어뜨린다.다른 재조합 프로세스도 존재할 수 있지만(아래 "기타 고려사항" 참조), 이 프로세스는 절대적으로 필요하다.

쇼클리-퀴서 모델에서 재결합률은 셀을 가로지르는 전압에 따라 달라지지만, 셀에 빛이 떨어지는지의 여부는 동일하다.인자 f는_c 총 재조합에 대한 방사선을 생성하는 재조합 비율을 제공하므로 V = 0일 때 단위 면적당 재조합 속도는 2tQ_cc/f이므로_c 밴드갭 에너지 위의 흑체 광자의 유동인 Q에_c 의존한다.2의 인수는 세포가 방출하는 방사선이 양방향으로 간다는 가정 하에 포함되었다.(그림자 쪽에 반사면을 사용한다면 이는 사실상 논란의 여지가 있다.)전압이 0이 아닐 때는 충전 캐리어(전자와 구멍)의 농도가 변화하며(충격 다이오드 방정식 참조), 저자에 따르면 재조합 속도는 exp(V/V_c)의 인수에 의해 변화하는데, 여기서 V는_c 셀 온도와 동등한 전압, 즉 "열 전압"이다.

${\displaystyle V_{c}=kT_{c}/q}$

(q는 전자의 전하임).따라서 이 모델에서 재조합 속도는 대역 간격 에너지보다 흑체 방사선을 곱한 exp(V/V_c)에 비례한다.

${\displaystyle Q_{c}=\int _{\nu_{g}^{\nu}{\frac {1}{\frac {1}{\exp \left({\frac {h\nu}}}{k)T_{c}}\오른쪽)-1-1}e^{\frac {qV}{kT_{c}}{\frac {2\pi \nu ^{2}}{c^{2}}d\nu }}$

(이것은 사실 근사치로, 세포가 검은 몸의 역할을 할 만큼 두꺼우면, 보다 정확한 표현에^[7][8] 맞게 된다.

${\displaystyle Q_{c}=\int _{\nu_{g}^{\nu}{{1}{\frac {1}{\exp \left({\frac {h\nu -qV}{k){k)T_{c}}\오른쪽)-1}{\frac {2\pi \nu ^{2}}:{c^{2}}d\nu ,}$

그러나 최대 이론 효율성의 차이는 200mV 미만의 작은 밴드랩을 제외하면 무시할 수 없을 정도로 작다.)^[9]

들어오는 햇빛에 의한 것이 아닌 전자 구멍 쌍의 생성 속도는 그대로 유지되므로 재결합에서 자발적 생성을 뺀다.

${\displaystyle I_{0}[\exp(V/V_{c}-1)-1].}$

여기서 $I{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$= ${\displaystyle \mathrm{2q}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle Q_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$/ ${\displaystyle f{}_{}}$ c${\displaystyle {}_{}}$. ${\displaystyle I_{0}=2qt_{c}Q_{c}/f_{c}.$$}$

(쇼클리와 케이서는 f 자체가_c 전압에 의존할 수도 있다는 것을 인정하지만 f를 상수로 받아들인다.)

일광에 의한 전자홀 쌍의 발생률은

${\displaystyle I_{sh}=q(t_{s}f_{\omega }Q_{s}-2t_{c}Q_{c}}}}}$

여기서 ${\displaystyle {f\Omega }_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\$는 단위$$ 면적당 셀에 떨어지는 밴드갭 에너지 위의 광자 수이며, t는_s 전자 홀 쌍을 생성하는 이들의 분율이다.이 생성속도는 (단위_sh 면적당) "단락" 전류이기 때문에 I이라고 불린다.하중이 있을 때, V는 0이 되지 않을 것이고 우리는 햇빛에 의한 쌍의 생성 속도에서 재조합과 자연발생 간의 차이를 뺀 전류를 가지게 된다.

${\displaystyle I=I_{sh}-I_{0}[\exp(V/V_{c})-1].}$

따라서 개방 회로 전압은 (f가_c 전압에 따라 달라지지 않는다고 가정)에 의해 주어진다.

${\displaystyle V_{oc}=V_{c}\ln \left({\frac {I_{sh}}){{{sh}}}{{prec}}{{prec}}{I_{0}}+1\오른쪽).}$

단락 전류 I과_sh 개방 회로 전압 V_oc 쇼클리와 케이서의 산물은 "공칭 전력"이라고 부른다.실제로 이 정도의 전력을 셀로부터 얻는 것은 불가능하지만, 우리는 가까이 갈 수 있다(아래 "임피던스 매칭" 참조).

대역 간극 전압 쇼클리 및 케이서 호출에 대한 개방 회로 전압의 비율 V.개방 회로 조건에서는

${\displaystyle \ln I_{sh}=\ln I_{0}+\ln[\exp(V/V_{c}-1)].}$

점증적으로, 이것은

${\displaystyle -V_{g}/V_{s}\sim -V_{g}/{c}+V/V_{c}}}}$

또는

${\displaystyle V/V_{g}\심 1-V_{c}/V_{s}}}$

여기서 V는_s 태양의 온도와 동일한 전압이다.V_c/V_s 비율이 0이 되면 개방 회로 전압이 대역 간 전압으로 가고, 1이 되면 개방 회로 전압이 0이 된다.셀이 가열되면 효율이 떨어지는 이유다.실제로 이 표현은 태양의 온도에 있는 열원과 세포의 온도에 있는 열제거원에서 얻을 수 있는 작업량의 열역학 상한을 나타낸다.

스펙트럼 손실

발란스 대역에서 전도 대역으로 전자를 이동시키는 작용은 에너지를 필요로 하기 때문에, 그 이상의 에너지를 가진 광자만이 전자 홀 쌍을 생성하게 된다.실리콘에서 전도 대역은 발랑스 대역에서 약 1.1 eV 떨어져 있으며, 이는 약 1.1 마이크론의 파장을 가진 적외선에 해당한다.즉, 적색, 황색, 청색 광자와 일부 근적외선의 광자는 전력 생산에 기여하지만, 전파, 전자파, 대부분의 적외선 광자는 그렇지 않을 것이다.^[10]이것은 태양으로부터 추출할 수 있는 에너지의 양을 즉시 제한한다.AM1.5 햇빛의 1,000 W/m² 중 약 19%는 1.1 eV 이하의 에너지를 가지고 있으며 실리콘 셀에서 전력을 생산하지 않을 것이다.

또 다른 중요한 손실 기여자는 밴드갭 에너지 위와 그 너머의 어떤 에너지도 손실된다는 것이다.푸른 빛은 붉은 빛의 약 두 배의 에너지를 가지고 있지만, 그 에너지는 단일 p-n 접속점을 가진 장치에 의해 포착되지 않는다.전자는 푸른 광자에 부딪히면 더 높은 에너지로 분출되지만, p-n 접합부 쪽으로 이동하면서 이 여분의 에너지를 잃는다(에너지는 열로 변환된다).^[10]이는 입사 일조량의 약 33%를 차지하며, 이는 실리콘의 경우 스펙트럼 손실만으로도 이론적 변환 효율 한계가 약 48%로 다른 모든 요인은 무시한다는 것을 의미한다.

밴드갭 선정에는 트레이드오프가 있다.대역 간극이 크면 광자가 쌍을 만드는 수가 많지 않은 반면, 대역 간극이 작으면 전자홀 쌍에는 그만큼 많은 에너지가 들어 있지 않다.

Shockley와 Keisser는 "초기 효율 함수"를 위해 주파수 손실과 관련된 효율성 계수를 u라고 부른다.쇼클리와 케이서는 햇빛에 가장 좋은 밴드 갭은 실리콘 값인 1.1 eV이며 u는 44%라고 계산했다.그들은 태양빛을 위해 6000K의 흑체방사선을 사용했고, 이때 최적의 대역격차는 2.2kT의_s 에너지를 갖는다는 것을 발견했다. (그 값에서 흑체방사선 에너지의 22%는 대역격차보다 낮을 것이다.)더 정확한 스펙트럼을 사용하면 약간 다른 최적값을 얻을 수 있다.6000K의 흑체는 제곱 센티미터 당 7348 W를 내놓기 때문에 u의 값은 44%이고 줄 당 5.73×10¹⁸ 광자(밴드 간격 1.09V에 대응, 쇼클리와 케이서가 사용하는 값)는 제곱_s 센티미터 당 1.85×10²² 광자와 같은 Q를 제공한다.

임피던스 매칭

부하 저항이 너무 높으면 전류가 매우 낮은 반면 부하 저항이 너무 낮으면 그 부하를 가로지르는 전압 강하가 매우 낮은 것이다.주어진 조명 수준에서 태양 전지로부터 가장 많은 전력을 끌어들이는 최적의 부하 저항이 있다.쇼클리(Shockley)와 케이서는 임피던스 매칭인자 IV에_shoc 대해 추출한 전력의 비율 m을 부른다(충전인자라고도 한다).최적치는 I 대 V 곡선의 모양에 따라 달라진다.매우 낮은 조도의 경우, 곡선은 대각선에 가깝거나 적으며, m은 1/4이 될 것이다.그러나 높은 조도의 경우 m은 1에 접근한다.쇼클리와 케이서는 m을 열전압 V에_c 대한 개방 회로 전압의 비율 z의_oc 함수로 나타낸 그래프를 제공한다.저자들에 따르면, 이 비율은 ln(fQ_s/Q_c)으로 충분히 근사하게 추정되며, 여기서 f는 fft_sωs/(2t_c) 인자의 조합이며, f는_ω π으로 나눈 태양의 고체 각이다.저자들에 따르면, 광농도가 없는 f의 최대값은 f/2_ω 또는 1.09×10에⁻⁵ 불과하다.위에서 언급한 Q와_s Q 값을_c 이용하여 32.4의 열전압에 대한 개방 회로 전압 비율(V는_oc 밴드 갭의 77%와 동일함)을 제공한다.저자들은 방정식을 도출한다.

${\displaystyle z_{oc}=z_{m}+\ln(1+z_{m})}$

최적의 전압 대 열전압의 비율인 z를_m 찾기 위해 해결할 수 있다.32.4의 z는_oc 29_m.0과 같다는 것을 알 수 있다.그런 다음 공식을 사용할 수 있다.

${\displaystyle m={\frac {z_{m}^{2}/z_{oc}}{1+z_{m}-\expectz_{m}}}}}}}}}}$

임피던스 일치 인자를 찾으십시오.32.4의 z의_oc 경우 86.5%에 이른다.

다 함께

스펙트럼 손실만 고려하면 태양전지는 최고 이론 효율이 48%(또는 쇼클리와 케이서에 따르면 44%)이다.따라서 주파수 손실은 전력 손실 대부분을 나타낸다.재조합 효과와 I 대 V 곡선을 포함하면 효율성은 다음과 같은 방정식으로 설명된다.

${\displaystyle \eta =t_{s}u(x_{g})v(f,x_{c},x_{g}m(vm_{g}/x_{c})}$

와 함께

${\displaystyle x_{g}=V_{g}/V_{s}}}$

${\displaystyle x_{c}=V_{c}/V_{s}}}$

여기서 u, v, m은 각각 궁극의 효율 계수, 개방 회로 전압 V_op 대 밴드갭 전압 V_g, 임피던스 매칭 계수(모두 위에서 설명함), V는_c 열 전압이며, V는_s 태양의 온도와 동등한 전압이다.1로_s 하고, 위에 언급된 값 44%, 77%, 86.5%를 세 가지 요소에 사용함으로써 전체 효율은 약 29%가 된다.쇼클리와 케이서는 추상적으로 30%를 말하지만 상세한 계산은 하지 않는다.보다 최근의 참고문헌은 단일 접합 셀의 경우 AM1.5에서 약 33.7% 또는 약 337W/m의² 이론적 피크 성능을 제공한다.^[1][10]

반사체나 렌즈를 이용해 햇빛의 양을 늘리면 f_ω(따라서 f)인자가 더 높아진다.이것은 v와 m 둘 다 상승시킨다.쇼클리와 케이서는 f의 다양한 값에 대한 밴드 갭 함수로서 전체적인 효율을 보여주는 그래프를 포함하고 있다.값 1의 경우 그래프에는 최대 효율이 40%를 조금 넘는 것으로 나타나며, (그들의 계산에 의해) 최대 효율이 44%에 근접한다.

기타 고려사항

Shockley와 Keisser의 연구는 가장 기초적인 물리학만을 고려했다; 이론적 힘을 더욱 감소시키는 많은 다른 요소들이 있다.

제한된 이동성

전자가 광신호를 통해 배출될 때, 전자가 이전에 결합되어 있던 원자는 순 양전하를 남긴다.정상적인 조건에서 원자는 자신을 중화시키기 위해 주변 원자로부터 전자를 떼어낼 것이다.그러면 그 원자는 다른 원자로부터 전자를 제거하려고 할 것이고, 그렇게 해서 세포를 통해 움직이는 이온화 연쇄 반응을 만들어낼 것이다.이것들을 양전하의 운동으로 볼 수 있기 때문에 일종의 가상 양전자의 일종인 '구멍'이라고 부르는 것이 유용하다.

전자처럼 구멍은 물질 주위를 돈다. 그리고 전자의 원천을 향해 끌어당길 것이다.일반적으로 이것들은 셀의 뒷면에 있는 전극을 통해 제공된다.한편 전도 대역 전자는 앞면의 전극을 향해 앞으로 나아가고 있다.다양한 이유로 실리콘의 구멍은 전자보다 훨씬 더 느리게 움직인다.이는 전자가 p-n 접합부를 향해 전진하는 동안 유한한 시간 동안 이전의 광신상에 의해 남겨진 천천히 움직이는 구멍을 만날 수 있다는 것을 의미한다.이런 일이 일어나면 전자는 그 원자에서 재결합하고, 에너지는 손실된다(보통 그 에너지의 광자 방출로 하지만, 다양한 가능한 과정이 있다).

재조합은 생산 속도에 상한을 둔다; 일정 속도를 넘으면 새로운 전자가 p-n 접합점에 도달하지 못할 정도로 많은 움직임의 구멍이 있다.실리콘에서 이것은 정상 작동 조건 하에서 위에 언급한 열 손실에 대해 10% 더 이론적 성능을 감소시킨다.전자(또는 구멍) 이동성이 높은 재료는 실리콘의 성능을 향상시킬 수 있다. 갈륨 비소화(GaAs) 세포는 이 효과만으로 실생활의 예에서 약 5%를 얻을 수 있다.밝은 빛에서는 예를 들어 거울이나 렌즈에 의해 집중될 때 이 효과가 확대된다.일반 실리콘 세포는 빠르게 포화 상태가 되는 반면, GaAs는 1500배까지 높은 농도로 계속 개선되고 있다.

비방사성 재조합

전자와 구멍 사이의 재조합은 태양전지에서 해롭기 때문에 설계자들은 그것을 최소화하려고 노력한다.그러나 전자와 홀이 재결합하여 세포를 공기로 빠져나가는 광자를 만들 때 복사 재조합은 시간이 경과한 빛의 흡수 과정이기 때문에 불가피하다.따라서 Shockley-Quisser 계산은 복사 재조합을 고려하지만, 다른 재조합의 원천이 없다고 (최적적으로) 가정한다.쇼클리-퀴서 한계보다 낮은 보다 현실적인 한계는 재조합의 다른 원인을 고려하여 계산할 수 있다.여기에는 결함과 곡물 경계에서의 재조합이 포함된다.

결정 실리콘에서는 결정체 결함이 없다고 해도 여전히 오거 재조합이 있는데, 이는 방사 재조합보다 훨씬 더 자주 발생한다.이를 감안하여 결정 실리콘 태양전지의 이론적 효율은 29.4%^[11]로 계산되었다.

주파수 종속 흡수

Ozdemir-Barone 방법은 태양 효율 한계 계산에서 두 가지 추가 요소, 즉 특정 물질의 흡수 및 반사율의 주파수 의존성을 고려한다.^[12]쇼클리-퀴서 한계에 따르면 반도체의 태양전지 효율은 소재의 대역 간극에 따라 달라진다.여기서 광학 흡수는 소재의 밴드 간격 위에서 시작된다고 가정한다.그러나 온도가 한정되어 있기 때문에 광학 격차 이하에서는 광학 절연이 가능하다.우리는 온도에 따라 광학 갭 아래의 상상 유전적 기능의 꼬리에서 이것을 분명히 볼 수 있다.^[13]상상 유전적 기능은 광학 갭보다 낮지만 0이 아니므로 광학 갭 아래에서는 빛이 흡수된다.충분히 두꺼운 재료의 경우 이것은 상당한 흡수를 일으킬 수 있다.Shockley-Quiesser 한계에서는 소재의 밴드 간격보다 100% 광 흡수를 가정한다.그러나 이 가정에는 두 가지 문제가 있다.첫째, 유한한 온도에서 소재의 밴드 간격 아래 흡광도가 있을 수 있다.둘째, 재료의 반사율이 0이 아니므로 흡광도는 밴드 갭보다 100% 높을 수 없다.이 두 가지 문제는 오즈데미르 바론 방식으로 해결된다.

한도초과

쇼클리와 케이서의 분석은 다음과 같은 가정에 근거한 것이라는 점에 유의해야 한다.

1. 들어오는 광자당 전자-홀 쌍 1개씩 증가
2. 대역간극을 초과하는 전자-홀 쌍 에너지의 열적 이완
3. 비집중 햇빛을 이용한 조명

이러한 가정들 중 어떤 것도 반드시 사실이 아니며, 기본 한계를 크게 초과하기 위해 여러 가지 다른 접근법을 사용해 왔다.

다작성 세포

태양전지의 고효율화를 위한 가장 널리 탐구된 경로는 "탄덤 전지"라고도 알려진 다기능성 광전지였다.이러한 셀들은 여러 개의 p-n 접합부를 사용하며, 각각은 스펙트럼의 특정 주파수에 맞춰 조정된다.이렇게 하면 위에서 논의한 문제를 줄일 수 있는데, 주어진 밴드갭이 있는 소재는 밴드갭 아래에서 햇빛을 흡수할 수 없고, 밴드갭보다 훨씬 높은 곳에서 햇빛을 충분히 활용할 수 없다는 것이다.가장 일반적인 설계에서는, 고대역갑 태양전지가 꼭대기에 앉아 고에너지, 짧은 파장 빛을 흡수하고 나머지는 송신한다.그 아래에는 낮은 에너지와 긴 파장의 빛을 흡수하는 저대역갑 태양전지가 있다.그 밑에 또 다른 세포가 있을 수 있는데, 모두 네 겹이나 된다.

이러한 다기능 셀의 기본 효율 한계 계산은 빛의 일부가 다른 주파수로 변환되어 구조물 내에서 재전송될 것이라는 주의와 함께 단일 접합 셀에 대한 것과 유사한 방식으로 작동한다.이러한 고려사항을 염두에 두고 원래의 쇼클리-퀴서 분석과 유사한 방법을 사용하면 유사한 결과를 얻을 수 있다; 2층 셀은 42%의 효율, 3층 셀은 49%의 비집중 햇빛에서 68%의 이론적 무한층 셀에 도달할 수 있다.^[5]

현재까지 생산된 탠덤 셀의 대부분은 파란색(위쪽), 노란색(가운데), 빨간색(아래쪽)으로 튜닝된 세 개의 레이어를 사용한다.이들 셀은 특정 주파수에 맞춰 튜닝할 수 있는 반도체를 사용해야 하는데, 이 때문에 대부분 갈륨비소화합물(GaAs)으로 만들어졌고, 종종 붉은색에는 게르마늄, 노란색의 경우 가아스, 파란색의 경우 가인피₂(GaInP)로 만들어졌다.그것들은 마이크로프로세서 구조와 유사하지만 몇 센티미터 크기의 "칩" 크기를 가진 기법을 사용하여 생산하는데 매우 비싸다.완전한 성능이 유일한 고려사항인 경우, 이러한 셀들은 보편화되었다; 예를 들어, 전력 대 중량 비율이 실질적으로 다른 모든 고려사항들을 압도하는 위성 어플리케이션에 널리 사용된다.또한 비교적 작은 태양전지가 넓은 면적에 사용될 수 있는 집중형 태양광 애플리케이션(아래 참조)에도 사용할 수 있다.

탠덤 셀은 고성능 애플리케이션에만 국한되지 않고, 저렴하지만 저효율 소재로 중효율 광전지를 만드는 데도 사용된다.한 예는 3중접합 탠덤 전지가 유니솔라와 다른 회사들로부터 상업적으로 공급되는 비정형 실리콘 태양전지다.

광농도

햇빛은 렌즈나 거울로 훨씬 더 높은 강도로 집중될 수 있다.햇빛의 강도는 쇼클리-퀴서 계산의 매개변수로, 농도가 높을수록 이론적 효율 한계는 다소 증가한다.그러나, 만약 강렬한 빛이 실제로 종종 일어나는 세포들을 가열시킨다면, 이론적 효율 한계는 고려된 모든 것들을 내려갈 수 있다.

실제로 광농도 사용 여부를 선택하는 것은 태양전지 효율의 작은 변화 외에 다른 요인에 주로 기반을 두고 있다.이러한 요인에는 렌즈나 거울과 같은 초점 광학 대비 태양전지 면적당 상대적 비용, 햇빛 추적 시스템의 비용, 태양전지에 성공적으로 집중된 빛의 비율 등이 포함된다.

일반 렌즈와 커브드 미러, 프레스넬 렌즈, 소형 평면 미러 배열, 발광 태양 집광기 등 다양한 광학 시스템을 사용하여 햇빛을 집중시킬 수 있다.^[14][15]또 다른 제안은 표면에 일련의 미세한 태양전지를 펼쳐 빛을 마이크로렌즈 배열을 통해 그 위에 집중시키는 것을 제안하는 반면,^[16] 다른 제안은 빛이 나노와이어에 집중되는 방식으로 반도체 나노와이어 배열을 설계하는 것을 제안한다.^[17]

중간 대역 태양광 발전

단일 결정 구조 내에서 중간 에너지 상태를 생산하는 작업이 있었다.이 세포들은 다분지 세포의 장점들 중 몇 가지를 기존의 실리콘 설계의 단순함과 결합시킬 것이다.무한대역이 있는 이들 셀에 대한 세부 한계 계산은 최대 효율 ^[18]77.2%를 시사한다. 현재까지 이 기법을 이용한 상용 셀은 생산되지 않았다.

광자상향변환

위에서 논의한 바와 같이, 밴드갭 아래의 에너지를 가진 광자는 일반적인 단일접합 태양전지에서 낭비된다.이러한 낭비를 줄이는 한 가지 방법은 광자 업변환(photon upversion)을 사용하는 것이다. 즉, 분자 또는 물질을 모듈에 통합하여 두 개 이상의 대역간 광자를 흡수하고 한 개 이상의 대역간 광자를 방출할 수 있다.또 다른 가능성은 투포톤 흡수를 사용하는 것이지만, 이것은 극도로 높은 광농도에서만 작동할 수 있다.^[19]

열광자 업변환

열상 변환은 업컨버터의 낮은 에너지를 가진 광자의 흡수를 기반으로 하며, 이 광자는 높은 에너지로 가열하여 다시 방출한다.^[20]업변환 효율은 흡수기^[21] 상태의 광학 밀도를 제어하고 각 선택적 방출 특성을 조정하여 개선할 수 있다.예를 들어 평면 열상 변환 플랫폼은 좁은 각도 범위 내에서 저에너지 광자 현상을 흡수하는 전면과 고에너지 광자만 효율적으로 방출하는 후면 등을 가질 수 있다.^[22]열적 업변환을 이용하는 하이브리드 열전대 플랫폼은 비집중 햇빛에 의한 조명 하에서 73%의 최대 변환 효율을 보일 것으로 이론적으로 예측되었다.흡수/배출 손실의 최대 15%를 허용하는 비이상적 하이브리드 플랫폼의 상세 분석 결과 Si PV 셀의 경우 45%의 제한 효율 값이 나왔다.

핫 전자 포획

주요 손실 메커니즘 중 하나는 밴드갭 위의 과잉 반송파 에너지 손실 때문이다.캐리어들의 에너지를 결정구조에서 잃어버리기 전에 포획하는 방법에 대한 상당한 연구가 있었다는 것은 놀랄 일이 아닐 것이다.^[23]이것에 대해 조사되고 있는 하나의 시스템은 양자점이다.^[24]

다중 엑시톤 생성

밴드 가장자리에는 단일 전자 대신 흡수된 광자당 하나 이상의 흥분 전자를 생성하는 반도체를 사용하는 것이 관련 개념이다.양자점은 이러한 효과를 위해 광범위하게 연구되어 왔으며, 그것들은 태양전지 프로토타입에서 태양 관련 파장에 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.^[24][25]

또 다른, 보다 간단한 방법으로 복수의 엑시톤 생성을 이용하는 방법은 싱글릿 핵분열(또는 싱릿 엑시톤 핵분열)이라고 불리는 과정인데, 싱글릿 엑시톤은 낮은 에너지의 두 세 쌍의 엑시톤으로 변환된다.이를 통해 100%를 초과하는 저대역폭 반도체와^[26] 양자 효율성이 보고된 경우 이론적 효율성이 높아질 수 있다.^[27]

또한 Mott 절연체와 같이 (배출된) 전자가 나머지 전자와 강하게 상호작용하는 물질에서도 복수의 엑시톤이 생성될 수 있다.^[28]

형광 다운변환/다운시프팅

효율을 높일 수 있는 또 다른 가능성은 형광 물질로 빛의 주파수를 밴드갭 에너지로 변환하는 것이다.특히 쇼클리-퀴서 한계를 초과하기 위해서는 형광물질의 경우 고에너지 광자 1개를 여러 개의 저에너지 광자(양적 효율 > 1)로 변환할 필요가 있다.예를 들어, 밴드갭 에너지가 두 배 이상 되는 하나의 광자는 밴드갭 에너지 위의 두 광자가 될 수 있다.그러나 실제로는 이러한 전환 과정이 상대적으로 비효율적인 경향이 있다.만약 매우 효율적인 시스템이 발견된다면, 그러한 물질은 다른 표준 셀의 전면 표면에 도장되어 적은 비용으로 그 효율성을 높일 수 있었다.^[29]이와는 대조적으로, 양자 효율이 1보다 작은 고에너지 광선(예: UV광)을 저에너지 광선(예: 적색광)으로 변환하는 형광 다운시프팅(downshifting) 탐사에 상당한 진전이 있었다.세포는 이러한 저에너지 광자에 더 민감할 수 있다.염료, 희토류 인광, 양자점 등이 형광 다운시프팅에 대해 적극적으로 조사된다.^[30]예를 들어, 다운시프팅이 가능한 실리콘 양자점들은 최첨단 실리콘 태양전지의 효율 향상으로 이어졌다.^[31]

열전대하변환

열전지는 형광계와 비슷하지만 판을 이용해 다운콘버터 역할을 한다.판에 떨어지는 태양 에너지는 일반적으로 검은색으로 칠해진 금속으로 낮은 에너지 IR로 재입력되며, 이는 IR 셀에 포획될 수 있다.이는 실용적 IR 셀이 이용 가능한가에 의존하지만 이론적 변환 효율은 계산할 수 있다.밴드갭이 0.92 eV인 컨버터의 경우, 광학적 손실 없이 복사 재조합만 하는 이상적인 구성품에 빛을 비추는 집중 조명에 대해서는 효율이 54%, 85%로 제한된다.^[32]

참고 항목

• 란즈버그 제한
• 열역학적 효율 한계

참조

외부 링크

• Mathematica 소프트웨어 프로그램을 사용한 Shockley-Quisser 계산 복제(PDF).이 코드는 이 글의 모든 그래프를 계산하는 데 사용되었다.
• 루크, 안토니오, 그리고 안토니오 마티."4장: 태양광 전환과 신세대 태양전지의 이론적 한계"에드 안토니오 루크와 스티븐 헤게두스태양광 과학 및 엔지니어링 핸드북.제2부 N.P.:존 와일리 & 선즈, 2011년 130–68.인쇄하다