태양전지 효율

Solar-cell efficiency
1976년 이후 보고된 연구용 태양 전지 에너지 변환 효율 타임라인(국립 재생 에너지 연구소)

태양 전지 효율은 태양 전지에 의해 태양광 발전을 통해 전기로 전환될 수 있는 햇빛 형태의 에너지 부분을 말합니다.

태양광 발전 시스템에 사용되는 태양 전지의 효율성은 위도 및 기후와 결합하여 시스템의 연간 에너지 생산량을 결정합니다.예를 들어 효율성이 20%이고 면적이2 1m인 태양광 패널은 표준 시험 조건에서 하루에 2.74시간 동안 1000W2/m의 태양 복사 조도 값에 노출될 경우 200kWh/yr을 생성합니다.일반적으로 태양 전지판은 주어진 하루 동안 이보다 더 오래 햇빛에 노출되지만, 태양 복사 강도는 하루 대부분 1000 W/m2 미만입니다.태양 전지판은 태양이 하늘에 높이 있을 때 더 많이 생산할 수 있고 구름이 많은 조건에서 덜 생산할 수 있거나 태양이 하늘에 낮을 때, 보통 겨울에 태양이 하늘에 더 낮을 때 더 적게 생산할 수 있습니다.

태양 PV 효율에 영향을 미치는 두 가지 위치 의존적 요인은 태양 복사의 분산과 강도입니다.이 두 변수는 국가마다 [1]크게 다를 수 있습니다.연중 방사능 수치가 높은 전 세계 지역은 중동, 칠레 북부, 호주, 중국, [1][2]미국 남서부입니다.콜로라도 중부와 같이 연간 [3]2000 kWh/m의2 일사량을 받는 고수익 태양광 지역에서는 패널이 연간 400 kWh의 에너지를 생산할 것으로 예상할 수 있습니다.그러나 [3]연간 1400kWh/m에2 불과한 미시간 주의 경우 동일 패널의 연간 에너지 산출량이 280kWh로 감소합니다.더 북쪽의 유럽 위도에서는 생산량이 상당히 낮습니다. 동일한 [4]조건에서 영국 남부의 연간 에너지 생산량은 175kWh입니다.

태양 전지에 의한 전하 수집 도식.빛은 투명한 전도성 전극을 통해 전달되어 전자 구멍 쌍을 형성하며 두 전극에 의해 수집됩니다.태양 전지의 흡수 및 수집 효율은 투명 도체 및 활성층 [5]두께의 설계에 따라 달라집니다.

반사율, 열역학적 효율, 전하 캐리어 분리 효율, 전하 캐리어 수집 효율 및 전도 효율 [6][5]값을 포함하여 셀의 변환 효율에 영향을 미치는 몇 가지 요인이 있습니다.이러한 파라미터는 직접 측정하기 어려울 수 있으므로 양자 효율성, 개방 회로 전압OC(V) 비율 및 § 채우기 계수를 포함한 다른 파라미터가 대신 측정됩니다.반사 손실은 "외부 양자 효율"에 영향을 미치기 때문에 양자 효율 값으로 설명됩니다.재조합 손실은 양자 효율성, VOC 비율 및 채우기 계수 값으로 설명됩니다.저항성 손실은 주로 채우기 계수 값으로 설명되지만 양자 효율 및OC V 비율 값에도 영향을 미칩니다.2019년,[7] 미국 콜로라도주 골든의 국립 재생 에너지 연구소에서 개발된 다중 접합 집광 태양 전지를 사용하여 47.1%의 태양 전지 효율 세계 기록을 달성했습니다.

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인은 1961년 [8]William Shockley와 Hans Quisser의 획기적인 논문에서 설명되었습니다.자세한 내용은 Shockley-Quisser 한계를 참조하십시오.

열역학적 효율 한계 및 무한 스택 한계

주요 기사:열역학적 효율 한계
273K의 비집약 태양열 하에서 단일 접합 태양전지의 효율에 대한 쇼클리-퀴서 한계.이 계산된 곡선은 실제 태양 스펙트럼 데이터를 사용하기 때문에 곡선은 대기의 IR 흡수 대역에서 흔들립니다.이 효율 한계인 ~34%는 다중 접합 태양 전지에 의해 초과될 수 있습니다.

온도s T에서 열원이 있고c 온도 T에서 쿨러 열 싱크가 있는 경우, 공급되는 열에 대한 작업(또는 전력)의 비율에 대해 이론적으로 가능한 최대값은 카르노 열 엔진이 제공하는 1-Tc/T입니다s.만약 우리가 태양의 온도를 6000K, 지구의 주변 조건을 300K로 가정한다면, 이것은 95%에 이릅니다.1981년, 알렉시스 드 보스와 헤르만 파우웰스는 무한대에서 0까지의 대역폭 간격을 가진 무한한 수의 셀 스택으로 이것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 각 셀의 전압은 개방 회로 전압에 매우 가까우며, 이는 셀의 대역폭 간격의 95%와 같습니다.그리고 모든 방향에서 오는 6000K 흑체 복사와 함께.그러나 95% 효율은 전력이 순 흡수 광량의 95%임을 의미합니다. 즉, 스택은 온도가 0이 아니기 때문에 방사선을 방출하며, 이 방사선은 전달되는 열의 양과 효율을 계산할 때 유입되는 방사선에서 빼야 합니다.그들은 또한 6000K 흑체 복사에 의해 모든 방향에서 조명되는 스택의 전력 출력을 최대화하는 더 관련성 있는 문제를 고려했습니다.이 경우 전압을 밴드 갭의 95% 미만으로 낮춰야 합니다(비율이 모든 셀에서 일정하지 않음).유입되는 집중 태양 [9]복사를 사용하여 무한한 수의 셀 스택에 대해 계산된 최대 이론 효율은 86.8%입니다.유입되는 방사선이 태양 크기의 하늘 영역에서만 발생할 때 효율 한계는 68.7%[10]로 떨어집니다.

효율성 극대화

그러나 일반적인 태양광 시스템은 단 하나의 p-n 접합을 가지고 있기 때문에 Shockley and Quisser에 의해 "최종 효율"이라고 불리는 더 낮은 효율 한계를 따릅니다.흡수체 물질의 밴드 갭 이하의 에너지를 가진 광자는 전자-홀 쌍을 생성할 수 없으므로 에너지가 유용한 출력으로 변환되지 않고 흡수될 경우에만 열을 생성합니다.밴드 갭 에너지 이상의 에너지를 가진 광자의 경우 밴드 갭 이상의 에너지 중 일부만 유용한 출력으로 변환될 수 있습니다.더 큰 에너지의 광자가 흡수되면 밴드 갭 이상의 과도한 에너지는 반송파 조합의 운동 에너지로 변환됩니다.과도한 운동 에너지는 운반체의 운동 에너지가 평형 속도로 느려지면서 포논 상호 작용을 통해 열로 변환됩니다.태양 스펙트럼에 최적의 밴드 갭을 가진 전통적인 단일 접합 셀은 33.16%의 최대 이론적 효율성을 가지고 있습니다.[11]

다중 밴드 갭 흡수기 재료를 사용하는 태양 전지는 태양 스펙트럼을 각 [12]빈에 대해 열역학적 효율 한계가 더 높은 작은 빈으로 분할하여 효율을 향상시킵니다.

양자 효율

주요 기사:양자 효율

위에서 설명한 바와 같이, 광자가 태양 전지에 흡수되면 전자-구멍 쌍을 생성할 수 있습니다.반송파 중 하나는 p-n 접합에 도달하여 태양 전지에서 생성되는 전류에 기여할 수 있습니다. 이러한 반송파는 수집된다고 합니다.또는 반송파가 세포 전류에 순 기여하지 않고 재결합합니다.

양자 효율은 셀이 단락 조건에서 작동할 때 전류(즉, 수집된 캐리어)로 변환되는 광자의 비율을 나타냅니다.태양 전지에 대해 이야기할 때 일반적으로 언급되는 두 가지 종류의 양자가 있습니다.태양 전지의 외부 측정 가능한 특성과 관련된 외부 양자 효율입니다.실리콘 태양 전지의 "외부" 양자 효율은 투과 및 반사와 같은 광학 손실의 효과를 포함합니다.특히 이러한 손실을 줄이기 위해 몇 가지 조치를 취할 수 있습니다.총 입사 에너지의 최대 10%를 차지할 수 있는 반사 손실은 평균 [13]광로를 수정하는 광 트래핑 방식인 텍스처라이제이션(texturization)이라는 기술을 사용하여 극적으로 줄일 수 있습니다.

두 번째 유형은 내부 양자 효율입니다. 내부 양자 효율의 측정은 흡수 계수 또는 내부 발광 양자 [14]효율과 같은 내부 물질 매개 변수에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다.내부 양자 효율은 장치가 [14]아닌 특정 물질의 잠재력을 이해할 때 주로 사용됩니다.

양자 효율은 스펙트럼 측정(즉, 광자 파장 또는 에너지의 함수)으로 가장 유용하게 표현됩니다.일부 파장은 다른 파장보다 더 효과적으로 흡수되기 때문에 양자 효율의 스펙트럼 측정은 반도체 벌크와 표면의 품질에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다.그러나 양자 효율만으로는 태양 전지에 의해 변환되는 전력의 비율에 대한 정보를 전달하지 않기 때문에 전체 에너지 변환 효율과 같지 않습니다.

최대 전력점

이 부정적인 이미지에서 검은 점으로 강조 표시된 태양 전지 모듈의 유리에 먼지가 자주 쌓이며, 이는 태양 전지에 들어가는 빛의 양을 감소시킵니다.

태양 전지는 광범위한 전압(V) 및 전류(I)에서 작동할 수 있습니다.조사된 셀에 대한 저항 부하를 0(단락)에서 매우 높은 값(개방)으로 연속적으로 증가시킴으로써 최대 전력 지점, 즉 V×I를 최대화하는 지점, 즉 해당 조사 수준에서 셀이 최대 전력을 전달할 수 있는 부하를 결정할 수 있습니다.(단락 및 개방 회로 양극 모두에서 출력 전력은 0입니다.)

태양 전지의 최대 전력점은 온도의 영향을 받습니다.특정 태양 전지의 기술적 데이터를 알면, 특정 온도에서의 전력 은 P + T (- ){\P(T) = + {\를 얻을 수 있습니다. 서 P_는 표준 시험 조건에서 발생하는 이며, 은 태양 전지의 실제 온도입니다.

25°C 셀 온도에서 고품질의 단결정 실리콘 태양 전지는 0.60V 개방 회로(VOC)를 생성할 수 있습니다.25°C의 공기 온도에서도 햇빛이 가득한 곳의 셀 온도는 아마도 45°C에 가까울 것이며, 따라서 개방 회로 전압이 셀당 0.55V로 감소할 것입니다.이러한 유형의 셀에서는 단락 전류(ISC)에 도달할 때까지 전압이 약간 떨어집니다.최대 전력(셀 온도 45°C)은 일반적으로 개방 회로 전압의 75% ~ 80%(이 경우 0.43V)와 단락 전류의 90%로 생성됩니다.이 출력은 V xSC I 제품의OC 70%까지 가능합니다.셀의 단락 전류(ISC)는 조명에 거의 비례하는 반면 개방 회로 전압(VOC)은 조명이 80% 감소하면서 10%만 떨어질 수 있습니다.품질이 낮은 셀은 전류가 증가함에 따라 전압 강하가 더 빠르며 1/2SC I에서 1/2OC V만 생성할 수 있습니다.따라서 사용 가능한 전력 출력은 V x ISC 제품의OC 70%에서 50% 또는 25%로 감소할 수 있습니다.부하 곡선을 제공하지 않고 태양 전지의 "전력"만OC VxI로SC 평가하는 공급업체는 실제 성능을 심각하게 왜곡할 수 있습니다.

태양광 발전의 최대 전력점은 입사 조명에 따라 달라집니다.예를 들어, 태양광 발전 패널에 먼지가 쌓이면 최대 [15]전력점이 감소합니다.최근에는 정전기 청소 시스템을 이용하여 태양 전지판의 먼지를 제거하는 새로운 연구가 개발되었습니다.이러한 시스템에서는 태양 전지판 표면에 인가된 정전기장이 먼지 입자를 "플립-플롭"[16] 방식으로 이동시킵니다.그리고 나서, 중력과 태양 전지판이 약간 기울어져 있다는 사실 때문에, 먼지 입자는 [16]중력에 의해 아래로 당겨집니다.이러한 시스템은 적은 전력 소비만을 필요로 하며 특히 먼지 축적이 태양 전지 패널의 성능을 저하시키는 데 기여하는 사막에 설치될 때 태양 전지의 성능을 향상시킵니다.또한 추가 비용을 정당화할 수 있을 정도로 큰 시스템의 경우, 최대 전력 지점 추적기는 전압과 전류(따라서 전력 전송)를 지속적으로 측정하여 순간 전력을 추적하고, 이 정보를 사용하여 부하를 동적으로 조정하여 조명의 변화에 상관없이 항상 최대 전력이 전송되도록 합니다.

채우기 계수

태양 전지의 전체적인 거동을 정의하는 또 다른 용어는 충진율(FF)입니다.이 인자는 태양 전지의 품질을 측정하는 것입니다.최대 전력 지점(Pm)에서 사용 가능한 전력을 개방 회로 전압(VOC)과 단락 전류(ISC)로 나눈 값입니다.

채우기 비율은 IV 스위프로 그래픽으로 표시할 수 있습니다. 여기서 채우기 비율은 서로 다른 직사각형 [17]영역의 비율입니다.

충전 계수는 셀의 직렬, 션트 저항 및 다이오드 손실 값에 직접적인 영향을 받습니다.션트 저항(Rsh)을 증가시키고 직렬 저항(Rs)을 감소시키면 충진율이 높아지므로 효율이 높아지고 셀의 출력 전력이 이론적 [18]최대치에 가까워집니다.

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

비교

주요 기사:태양광 발전

에너지 변환 효율은 전기 출력을 입사광 전력으로 나누어 측정합니다.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)을 중심으로 설계됩니다. 1kW/m의2 조사도, 1.5의 AM(공기량) 및 25°C의 셀 온도를 통한 태양 복사에 가까운 스펙트럼 분포.저항 부하는 피크 또는 최대 전력점(MPP)에 도달할 때까지 변동됩니다.이 시점의 전력은 와트 피크(Wp)로 기록됩니다.PV 모듈의 전력 및 효율 측정에도 동일한 표준이 사용됩니다.

공기량이 출력에 영향을 미칩니다.대기가 없는 우주에서는 태양의 스펙트럼이 상대적으로 여과되지 않습니다.하지만, 지구에서는 공기가 들어오는 빛을 걸러서 태양 스펙트럼을 바꿉니다.필터링 효과의 범위는 우주의 경우 기단 0(AM0)에서 지구의 경우 기단 1.5에 이르기까지 다양합니다.스펙트럼 차이에 해당 태양 전지의 양자 효율을 곱하면 효율이 산출됩니다.일반적으로 지상 효율성은 공간 효율성보다 큽니다.예를 들어, 우주에 있는 실리콘 태양 전지는 AM0에서는 14%의 효율을 가질 수 있지만 AM1.5에서는 지구에서 16%의 효율을 가질 수 있습니다.그러나 우주에서 입사 광자의 수는 상당히 많기 때문에 태양 전지는 포착된 총 입사 에너지의 감소된 비율로 표시되는 낮은 효율에도 불구하고 우주에서 상당히 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다.

태양 전지 효율성은 비정질 실리콘 기반 태양 전지의 경우 6%에서 다중 접합 생산 전지의 경우 44.0%, 다중 다이가 하이브리드 [19][20]패키지로 조립된 경우 44.4%까지 다양합니다.상용화된 다결정 Si 태양 전지의 태양 전지 에너지 변환 효율은 약 14-19%[21]입니다.효율이 가장 높은 전지가 항상 가장 경제적인 것은 아닙니다. 예를 들어, 소량으로 생산되는 갈륨 비소 또는 인듐 셀레나이드와 같은 이국적인 재료에 기반한 30% 효율적인 다중 접합 전지는 대량 생산 시 8% 효율적인 비정질 실리콘 전지보다 100배 비용이 더 들 수 있습니다.출력의 약 4배만 제공합니다.

하지만, 태양열 발전을 "부스팅"하는 방법이 있습니다.광강도를 증가시킴으로써, 일반적으로 광생성 캐리어가 증가하여 효율이 최대 15%까지 증가합니다.이러한 소위 "집광기 시스템"은 고효율 GaAs 셀 개발의 결과로 비용 경쟁력이 생기기 시작했습니다.강도의 증가는 일반적으로 집광 광학을 사용하여 이루어집니다.일반적인 집광기 시스템은 태양의 6-400배의 광도를 사용할 수 있으며, AM 1.5에서 1태양 GaAs 셀의 효율을 31%에서 35%까지 높일 수 있습니다.

경제적 비용을 표현하는 데 사용되는 일반적인 방법은 공급 킬로와트시(kWh)당 가격을 계산하는 것입니다.태양 전지 효율은 이용 가능한 조사와 결합하여 비용에 큰 영향을 미치지만, 일반적으로 전체 시스템 효율은 중요합니다.상용화된 태양 전지(2006년 기준)는 시스템 효율성이 5-19%에 도달했습니다.

미도핑 결정 실리콘 소자는 이론적 한계 효율인 29.43%[22]에 근접하고 있습니다.2017년 셀 [23][24]뒷면에 양극 접점과 음극 접점을 모두 배치하는 비정질 실리콘/결정질 실리콘 헤테로 접합 셀에서 26.63%의 효율을 달성했습니다.

에너지 회수

참고 항목:기술 및 위치별 에너지 회수 시간

에너지 회수 시간은 최신 태양광 모듈을 제조하는 데 소요되는 에너지를 생성하는 데 필요한 복구 시간으로 정의됩니다.2008년에는 모듈 종류와 위치에 따라 1년에서 4년[25][26] 사이로 추정되었습니다.일반적인 수명이 20년에서 30년인 이것은 현대 태양 전지가 순수 에너지 생산자가 될 것이라는 것을 의미합니다. 즉, 그것들은 그것들을 [25][27][28]생산하는 데 소비되는 에너지보다 평생 더 많은 에너지를 생산할 것입니다.일반적으로 박막 기술은 변환 효율성이 상대적으로 낮음에도 불구하고 기존 시스템에 비해 에너지 회수 시간이 상당히 짧습니다(종종 1년 [29]미만).

기존 문헌에 따르면 2013년에 발표된 연구에 따르면 에너지 회수 시간은 0.75 - 3.5년이며 박막 셀은 하단에 있고 다중 Si 셀은 1.[30]5 - 2.6년입니다.2015년 리뷰에서는 태양광 발전의 에너지 회수 시간과 EROI를 평가했습니다.1,700 kWh/m2/년의 일사량과 30년의 시스템 수명을 사용하는 이 메타 연구에서 8.7과 34.2 사이의 평균 조화 EROI가 발견되었습니다.평균 조화 에너지 회수 시간은 1.[31]0년에서 4.1년까지 다양했습니다.결정성 실리콘 장치는 평균적으로 2년의 [25][32]에너지 회수 기간을 달성합니다.

다른 기술과 마찬가지로 태양 전지 제조는 복잡한 글로벌 산업 제조 시스템의 존재에 의존합니다.여기에는 제조 에너지 추정치에서 일반적으로 고려되는 제조 시스템, 조건부 채굴, 정제 및 글로벌 운송 시스템, 금융, 정보 및 보안 시스템을 포함한 기타 에너지 집약적 지원 시스템이 포함됩니다.이러한 에너지 오버헤드를 측정하는 것이 어렵기 때문에 투자 회수 [33]시간의 추정치가 불확실합니다.

효율성 향상을 위한 기술적 방법

최적의 투명 도체 선택

일부 유형의 태양 전지(박막)의 조명된 측면에는 빛이 활성 물질로 들어가 생성된 전하 캐리어를 모을 수 있도록 투명한 전도성 필름이 있습니다.일반적으로, 인듐 주석 산화물, 전도성 고분자 또는 전도성 나노와이어 네트워크와 같이 투과율이 높고 전기 전도성이 높은 필름이 목적으로 사용됩니다.높은 투과율과 전기 전도도 사이에는 균형이 있기 때문에 높은 [5]효율을 위해 전도 나노 와이어 또는 전도 네트워크 구조의 최적 밀도를 선택해야 합니다.

광 산란 촉진

전면 형상으로 패턴화된 얇은 광전지 필름(두께 t_PV)에서 경험한 특징적인 전자장 개선 프로파일의 다이어그램.반사 방지와 산란이라는 두 가지 동시 광학 메커니즘이 빛을 가두는 원인이 될 수 있으며, 두 가지 주요 스펙트럼 영역은 짧은 파장과 긴 파장에서 각 메커니즘에 대해 구별될 수 있으므로 흡수기 영역 전반에 걸쳐 여기에 설명된 네 가지 유형의 흡수 강화 프로파일로 이어집니다.각 프로파일의 흡수 향상에 영향을 미치는 포토닉 구조의 주요 기하학적 파라미터는 검은색 [34]화살표로 표시됩니다.

태양 전지에 빛 산란 효과를 포함하는 것은 태양광 물질이 감소된 흡수 계수를 나타내는 낮은 에너지의 햇빛 광자(주로 근적외선 범위)에 대한 흡수를 증가시키기 위한 광자 전략입니다.이러한 광 포획 방식은 입사 방향으로부터의 광선의 편차에 의해 달성되어 셀 [35]흡수기의 경로 길이를 늘립니다.빛 확산을 구현하기 위해 사용되는 기존의 접근 방식은 질감이 있는 후면/전면을 기반으로 하지만, 회절 격자, 금속 또는 유전체 나노/마이크로 입자의 배열,[36] 파동 광학 미세 구조 등의 유망한 결과로 많은 대안적 광학 설계가 입증되었습니다.장치의 전면에 적용할 때 이러한 구조물은 기하학적 반사 방지 코팅으로 작용하여 동시에 외부 빛의 반사를 줄일 수 있습니다.

예를 들어, 나노 크기의 금속 스터드로 셀의 수광 표면을 라이닝하면 셀 효율성을 상당히 높일 수 있습니다.빛은 이러한 스터드를 셀에 대해 비스듬한 각도로 반사하여 셀을 통과하는 빛 경로의 길이를 늘립니다.이는 셀에 의해 흡수되는 광자의 수와 [37]생성되는 전류의 양을 증가시킵니다.나노 스터드에 사용되는 주요 재료는 은, 금, 알루미늄입니다.금은 햇빛에 존재하는 대부분의 에너지를 포함하는 가시 스펙트럼의 많은 빛을 흡수하여 세포에 [37]도달하는 빛의 양을 줄이기 때문에 매우 효율적이지 않습니다.알루미늄은 자외선만 흡수하고 가시광선과 적외선을 모두 반사하므로 에너지 손실이 최소화됩니다.알루미늄은 전지 효율을 22%까지 높일 수 있습니다(실험실 [38]조건에서).

반사 방지 코팅 및 텍스처

반사 방지 코팅은 태양 전지에서 반사되는 햇빛을 줄이기 위해 설계되어 태양광 [39]흡수기로 전달되는 빛을 향상시킵니다.이것은 전면 (다중) 층 구성에 기반한 코팅 및/[40]또는 자연에서 영감을 받은 많은 건축물로 표면 지형에 의해 야기된 기하학적 굴절률 일치와 같이 반사된 빛의 파장의 파괴적 간섭을 야기함으로써 달성될 수 있습니다.예를 들어, 아파장 원뿔형 나노구조의 육각형 배열인 유두 배열은 나방의 [40]눈 표면에서 볼 수 있습니다.이러한 종류의 표면 구조를 활용하면 반사 손실을 25%까지 최소화할 수 있으며, 추가로 포착된 광자를 태양 전지의 [40]에너지 12% 증가로 전환할 수 있다고 보고되었습니다.

텍스처링 또는 다른 포토닉 기능을 통해 달성된 것과 같은 전면 미세 구조의 사용은 반사 방지를 달성하기 위한 방법으로도 사용될 수 있습니다.태양 전지의 표면이 변화되어 공기에서 태양광 물질로 이동할 때 충돌하는 빛이 점진적으로 증가하는 효과적인 굴절률을 경험합니다.이러한 표면은 식각 또는 리소그래피를 사용하여 생성될 수 있습니다.연속적으로, 그들은 특히 더 긴 파장의 햇빛 [41]광자의 흡수를 더욱 향상시키는 빛 산란 효과를 촉진합니다.전면 표면을 텍스처화하는 것 외에도 평평한 후면을 추가하면 셀 내의 빛을 가두는 데 도움이 되므로 더 긴 광학 경로를 제공할 수 있습니다.

복사 냉각

참고 항목: 패시브 주간 복사 냉각

태양 전지 온도가 약 1°C 증가하면 효율이 약 0.45% 감소합니다.이를 방지하기 위해, 투명한 실리카 결정층을 태양 전지판에 적용할 수 있습니다.실리카층은 열을 적외선으로 우주로 방출하여 세포를 13°[42]C까지 냉각시키는 열흑체 역할을 합니다.따라서 복사 냉각은 태양 [43]전지의 수명을 연장할 수 있습니다.태양 에너지와 복사 냉각의 전체 시스템 통합을 결합 SE-RC 시스템이라고 하며, 이는 통합되지 [44]않은 시스템에 비해 단위 면적당 더 높은 에너지 이득을 보여줍니다.

리어 표면 패시베이션

참고 항목:표면 패시베이션

표면 패시베이션은 태양 전지 [45]효율에 매우 중요합니다.대량 생산된 태양 전지의 전면은 많은 개선이 이루어졌지만 알루미늄 후면은 효율 개선을 [46]방해하고 있습니다.많은 태양 전지의 효율성은 이른바 수동형 방사체 및 후면 전지(PERC)를 생성함으로써 이점을 얻었습니다.실리콘 질화막이 코팅된 얇은 실리카 또는 알루미늄 산화막으로 구성된 후면 유전체 부동태층 스택의 화학적 증착은 실리콘 태양 전지의 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.이를 통해 상용 Cz-Si 웨이퍼 재료의 셀 효율성이 2010년대 [47]중반까지 17%에서 21%로 증가했으며 준 모노 Si의 셀 효율성은 기록적인 19.9%로 증가했습니다.

실리콘 태양 전지의 후면 패시베이션 개념은 CIGS 태양 [48]전지에도 구현되었습니다.리어 표면 패시베이션은 효율을 개선할 수 있는 잠재력을 보여줍니다.패시베이션 물질로는 AlO와23 SiO가2 사용되었습니다.AlO23[49] 층의 나노 크기 포인트 접점과 SiO2[50] 층의 라인 접점은 CIGS 흡수기를 후면 전극 Molybdenum에 전기적으로 연결합니다.AlO23 층의 점 접점은 e-빔 리소그래피로 생성되고 SiO2 층의 선 접점은 포토리소그래피를 사용하여 생성됩니다.또한, 패시베이션 층의 구현은 CIGS 층의 형태를 바꾸지 않습니다.

Tot heat flux z.png

박막 재료

참고 항목:박막 태양전지

효율성 향상을 위한 직접적인 전략을 구성하지는 않지만, 박막 재료는 낮은 비용과 [51]기술의 기존 구조 및 프레임워크에 대한 적응성 측면에서 태양 전지에 대한 많은 가능성을 보여줍니다.그 물질들은 너무 얇기 때문에, 그것들은 벌크 물질 태양 전지의 광학적 흡수가 부족합니다.광 산란을 촉진하는 광 트랩 방식과 [52]같은 이를 수정하려는 시도가 입증되었습니다.또한 박막 표면 재조합도 중요합니다.이것은 나노 크기의 박막 태양 전지의 지배적인 재결합 과정이기 때문에, 그것들의 효율성에 매우 중요합니다.수동적으로 얇은 이산화규소 층을 추가하면 재결합을 줄일 수 있습니다.

탠덤 셀

참고 항목:다중접합 태양전지

탠덤 태양전지는 효율을 높이기 위해 두 가지 물질을 결합합니다.2022년에 여러 페로브스카이트와 여러 층의 실리콘을 결합한 장치가 발표되었습니다.페로브스카이트는 파란색 빛을 흡수하는 반면 실리콘은 빨간색과 적외선 파장을 흡수합니다.셀은 32.5%의 [53]효율을 달성했습니다.

참고 항목

레퍼런스

  1. ^ a b Kannan, Nadarajah; Vakeesan, Divagar (1 September 2016). "Solar energy for future world: - A review". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 62: 1092–1105. doi:10.1016/j.rser.2016.05.022. ISSN 1364-0321.
  2. ^ Köberle, Alexandre C.; Gernaat, David E. H. J.; van Vuuren, Detlef P. (1 September 2015). "Assessing current and future techno-economic potential of concentrated solar power and photovoltaic electricity generation". Energy. 89: 739–756. doi:10.1016/j.energy.2015.05.145. hdl:1874/319865. ISSN 0360-5442. S2CID 108996432.
  3. ^ a b Billy Roberts (20 October 2008). "Photovoltaic Solar Resource of the United States". National Renewable Energy Laboratory. Retrieved 17 April 2017.
  4. ^ David J. C. MacKay. "Sustainable Energy - without the hot air". inference.org.uk. Retrieved 20 November 2017. Solar photovoltaics: data from a 25-m2 array in Cambridgeshire in 2006
  5. ^ a b c Kumar, Ankush (3 January 2017). "Predicting efficiency of solar cells based on transparent conducting electrodes". Journal of Applied Physics. 121 (1): 014502. Bibcode:2017JAP...121a4502K. doi:10.1063/1.4973117. ISSN 0021-8979.
  6. ^ "Photovoltaic Cell Conversion Efficiency Basics". U.S. Department of Energy. Retrieved 6 September 2014.
  7. ^ Geisz, John F.; France, Ryan M.; Schulte, Kevin L.; Steiner, Myles A.; Norman, Andrew G.; Guthrey, Harvey L.; Young, Matthew R.; Song, Tao; Moriarty, Thomas (April 2020). "Six-junction III–V solar cells with 47.1% conversion efficiency under 143 Suns concentration". Nature Energy. 5 (4): 326–335. Bibcode:2020NatEn...5..326G. doi:10.1038/s41560-020-0598-5. ISSN 2058-7546. OSTI 1659948. S2CID 216289881.
  8. ^ Shockley William; Queisser Hans J (1961). "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells". Journal of Applied Physics. 32 (3): 510–519. Bibcode:1961JAP....32..510S. doi:10.1063/1.1736034. Archived from the original on 23 February 2013.
  9. ^ De Vos, A. (1980). "Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells". Journal of Physics D: Applied Physics. 13 (5): 839–846. Bibcode:1980JPhD...13..839D. doi:10.1088/0022-3727/13/5/018. S2CID 250782402.
  10. ^ A. De Vos & H. Pauwels (1981). "On the Thermodynamic Limit of Photovoltaic Energy Conversion". Appl. Phys. 25 (2): 119–125. Bibcode:1981ApPhy..25..119D. doi:10.1007/BF00901283. S2CID 119693148.
  11. ^ Rühle, Sven (8 February 2016). "Tabulated Values of the Shockley–Queisser Limit for Single Junction Solar Cells". Solar Energy. 130: 139–147. Bibcode:2016SoEn..130..139R. doi:10.1016/j.solener.2016.02.015.
  12. ^ Cheng-Hsiao Wu & Richard Williams (1983). "Limiting efficiencies for multiple energy-gap quantum devices". J. Appl. Phys. 54 (11): 6721. Bibcode:1983JAP....54.6721W. doi:10.1063/1.331859.
  13. ^ Verlinden, Pierre; Evrard, Olivier; Mazy, Emmanuel; Crahay, André (March 1992). "The surface texturization of solar cells: A new method using V-grooves with controllable sidewall angles". Solar Energy Materials and Solar Cells. 26 (1–2): 71–78. doi:10.1016/0927-0248(92)90126-A.
  14. ^ a b Kirchartz, Thomas; Rau, Uwe (2018). "What Makes a Good Solar Cell?". Advanced Energy Materials. 8 (28): 1703385. doi:10.1002/aenm.201703385. S2CID 103853300.
  15. ^ A. Molki (2010). "Dust affects solar-cell efficiency". Physics Education. 45 (5): 456–458. Bibcode:2010PhyEd..45..456M. doi:10.1088/0031-9120/45/5/F03. S2CID 250818645.
  16. ^ a b Kawamoto, Hiroyuki; Guo, Bing (1 February 2018). "Improvement of an electrostatic cleaning system for removal of dust from solar panels". Journal of Electrostatics. 91: 28–33. doi:10.1016/j.elstat.2017.12.002. ISSN 0304-3886.
  17. ^ "Part II - 태양광 전지 I-V 특성화 이론 및 LabVIEW 분석 코드"Part II – 광전지 I-V 특성화 이론 및 LabVIEW 분석 코드 - 국가 기구, 2012년 5월 10일, ni.com/white-paper/7230/en/ .
  18. ^ Jenny Nelson (2003). The Physics of Solar Cells. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-340-9.
  19. ^ "Solar Junction Breaks Its Own CPV Conversion Efficiency Record". 18 December 2013. Retrieved 18 December 2013.
  20. ^ "Solar Cell Efficiency World Record Set By Sharp — 44.4%". 28 July 2013. Retrieved 28 July 2013.
  21. ^ Schultz, O.; Mette, A.; Preu, R.; Glunz, S. W. (2007). "Silicon Solar Cells with Screen-Printed Front Side Metallization Exceeding 19% Efficiency".
  22. ^ A. Richter; M. Hermle; S.W. Glunz (October 2013). "Reassessment of the limiting efficiency for crystalline silicon solar cells". IEEE Journal of Photovoltaics. 3 (4): 1184–1191. doi:10.1109/JPHOTOV.2013.2270351. S2CID 6013813.
  23. ^ K. Yoshikawa; H. Kawasaki & W. Yoshida (2017). "Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%". Nature Energy. 2 (5): 17032. Bibcode:2017NatEn...217032Y. doi:10.1038/nenergy.2017.32. S2CID 114171665.
  24. ^ "New World Record Established for Conversion Efficiency in a Crystalline Silicon Solar Cell". 25 August 2017. Retrieved 15 March 2018.
  25. ^ a b c "What is the Energy Payback for PV?" (PDF). December 2004. Retrieved 20 December 2008.
  26. ^ M. Ito; K. Kato; K. Komoto; et al. (2008). "A comparative study on cost and life-cycle analysis for 100 MW very large-scale PV (VLS-PV) systems in deserts using m-Si, a-Si, CdTe, and CIS modules". Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 16: 17–30. doi:10.1002/pip.770. S2CID 97914857.
  27. ^ "Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells" (PDF). Retrieved 13 September 2011.
  28. ^ Corkish, Richard (1997). "Can Solar Cells Ever Recapture the Energy Invested in their Manufacture?". Solar Progress. 18 (2): 16–17.
  29. ^ K. L. Chopra; P. D. Paulson & V. Dutta (2004). "Thin-film solar cells: An overview Progress in Photovoltaics". Research and Applications. 12 (23): 69–92. doi:10.1002/pip.541. S2CID 39250492.
  30. ^ Peng, Jinqing; Lu, Lin; Yang, Hongxing (2013). "Review on lifecycle assessment of energy payback and greenhouse gas emission of solar photovoltaic systems". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 19: 255–274. doi:10.1016/j.rser.2012.11.035. hdl:10397/34975.
  31. ^ Bhandari, Khagendra P.; Jennifer, M.Collier; Ellingson, Randy J.; Apul, Defne S. (2015). "Energy payback time (EPBT) and energy return on energy invested (EROI) of solar photovoltaic systems: A systematic review and meta-analysis". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 47: 133–141. doi:10.1016/j.rser.2015.02.057.
  32. ^ "Highest silicon solar cell efficiency ever reached". ScienceDaily. 24 October 2008. Retrieved 9 December 2009.
  33. ^ 강사, FE(2007) "재생 에너지는 소비자 사회를 유지할 수 없다"
  34. ^ Mendes, Manuel J.; Araújo, Andreia; Vicente, António; Águas, Hugo; Ferreira, Isabel; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo (1 August 2016). "Design of optimized wave-optical spheroidal nanostructures for photonic-enhanced solar cells". Nano Energy. 26: 286–296. doi:10.1016/j.nanoen.2016.05.038. ISSN 2211-2855.
  35. ^ Schuster, Christian Stefano; Crupi, Isodiana; Halme, Janne; Koç, Mehmet; Mendes, Manuel João; Peters, Ian Marius; Yerci, Selçuk (2022), Lackner, Maximilian; Sajjadi, Baharak; Chen, Wei-Yin (eds.), "Empowering Photovoltaics with Smart Light Management Technologies", Handbook of Climate Change Mitigation and Adaptation, Cham: Springer International Publishing, pp. 1165–1248, doi:10.1007/978-3-030-72579-2_112, ISBN 978-3-030-72579-2, retrieved 9 March 2023
  36. ^ Mendes, Manuel J.; Sanchez-Sobrado, Olalla; Haque, Sirazul; Mateus, Tiago; Águas, Hugo; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo (1 January 2020), Enrichi, Francesco; Righini, Giancarlo C. (eds.), "Chapter Nine - Wave-optical front structures on silicon and perovskite thin-film solar cells", Solar Cells and Light Management, Elsevier, pp. 315–354, ISBN 978-0-08-102762-2, retrieved 9 March 2023
  37. ^ a b Mukunth, Vasudevan (24 October 2013). "Improving the efficiency of solar panels". The Hindu. Retrieved 6 August 2016.
  38. ^ Hylton, Nicholas; Li, X. F; Giannini, K. H.; Lee, N. J; Ekins-Daukes, N. J.; Loo, J.; Vercruysse, D.; Van Dorpe, P.; Sodabanlu, H.; Sugiyama, M.; Maier, S. A. (7 October 2013). "Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes". Scientific Reports. 3: 2874. Bibcode:2013NatSR...3E2874H. doi:10.1038/srep02874. PMC 3791440. PMID 24096686.
  39. ^ 이런, 저스틴."2018년 에너지 세이지에서 태양 전지판을 더 효율적으로 만드는 방법"EnergySage Solar News Feed, EnergySage, 2017년 9월 19일, news.energysage.com/how-to-make-solar-panels-more-efficient/
  40. ^ a b c Raut, Hemant Kumar; Ganesh, V. Anand; Nair, A. Sreekumaran; Ramakrishna, Seeram (2011). "Anti-reflective coatings: A critical, in-depth review". Energy & Environmental Science. 4 (10): 3779. doi:10.1039/c1ee01297e. ISSN 1754-5692.
  41. ^ Mendes, Manuel J.; Araújo, Andreia; Vicente, António; Águas, Hugo; Ferreira, Isabel; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo (1 August 2016). "Design of optimized wave-optical spheroidal nanostructures for photonic-enhanced solar cells". Nano Energy. 26: 286–296. doi:10.1016/j.nanoen.2016.05.038. ISSN 2211-2855.
  42. ^ Zhu, Linxiao; Raman, Aaswath P.; Fan, Shanhui (6 October 2015). "Radiative cooling of solar absorbers using a visibly transparent photonic crystal thermal blackbody". Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (40): 12282–12287. Bibcode:2015PNAS..11212282Z. doi:10.1073/pnas.1509453112. ISSN 0027-8424. PMC 4603484. PMID 26392542.
  43. ^ Heo, Se-Yeon; Ju Lee, Gil; Song, Young Min (June 2022). "Heat-shedding with photonic structures: radiative cooling and its potential". Journal of Materials Chemistry C. 10 (27): 9915–9937. doi:10.1039/D2TC00318J. S2CID 249695930 – via Royal Society of Chemistry.
  44. ^ Ahmed, Salman; Li, Zhenpeng; Javed, Muhammad Shahzad; Ma, Tao (September 2021). "A review on the integration of radiative cooling and solar energy harvesting". Materials Today: Energy. 21: 100776. doi:10.1016/j.mtener.2021.100776 – via Elsevier Science Direct.
  45. ^ Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. ISBN 9783319325217.
  46. ^ "결정질 실리콘 태양전지를 위한 후면 패시베이션 기술: 대량 생산을 위한 다목적 공정"IEEE, IEEE, 2012, www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/F1E0036E-C63D-5F6F-EA52FF38B5D1786D_270075/oe-21-S6-A1065.pdf?da=1&id=270075&seq=0&mobile=no .
  47. ^ Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. pp. 1–2. ISBN 9783319325217.
  48. ^ Vermang, Bart; Wätjen, Jörn Timo; Fjällström, Viktor; Rostvall, Fredrik; Edoff, Marika; Kotipalli, Ratan; Henry, Frederic; Flandre, Denis (2014). "Employing Si solar cell technology to increase efficiency of ultra-thin Cu(In, Ga)Se2 solar cells". Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 22 (10): 1023–1029. doi:10.1002/pip.2527. PMC 4540152. PMID 26300619.
  49. ^ Bose, S.; Cunha, J.M.V.; Borme, J.; Chen, W.C.; Nilsson, N.S.; Teixeira, J.P.; Gaspar, J.; Leitão, J.P.; Edoff, M.; Fernandes, P.A.; Salomé, P.M.P. (2019). "A morphological and electronic study of ultrathin rear passivated Cu(In, Ga) Se2 solar cells". Thin Solid Films. 671: 77–84. Bibcode:2019TSF...671...77B. doi:10.1016/j.tsf.2018.12.028. hdl:10773/30445. S2CID 139582764.
  50. ^ Bose, Sourav; Cunha, José M. V.; Suresh, Sunil; De Wild, Jessica; Lopes, Tomás S.; Barbosa, João R. S.; Silva, Ricardo; Borme, Jérôme; Fernandes, Paulo A.; Vermang, Bart; Salomé, Pedro M. P. (2018). "Optical Lithography Patterning of SiO2 Layers for Interface Passivation of Thin Film Solar Cells". RRL Solar. 2 (12): 1800212. doi:10.1002/solr.201800212. hdl:10773/30564. S2CID 139388117.
  51. ^ 다, 윤, 이민수안."나노구조 박막 태양전지의 효율에 영향을 미치는 표면 재조합의 역할" Osa Publishing, 2013, www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/F1E0036E-C63D-5F6F-EA52FF38B5D1786D_270075/oe-21-S6-A1065
  52. ^ Mendes, Manuel J.; Haque, Sirazul; Sanchez-Sobrado, Olalla; Araújo, Andreia; Águas, Hugo; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo (25 May 2018). "Optimal-Enhanced Solar Cell Ultra-thinning with Broadband Nanophotonic Light Capture". iScience. 3: 238–254. doi:10.1016/j.isci.2018.04.018. ISSN 2589-0042. PMC 6137392. PMID 30428324.
  53. ^ Irving, Michael (20 December 2022). "Perovskite/silicon tandem solar cell advance breaks efficiency record". New Atlas. Retrieved 26 December 2022.

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 태양전지와 관련된 미디어가 있습니다.