광자 상향 변환 (Photon upconversion)

이동 및 양자 절단 재료는 일반적으로 단면 태양 전지의 전면에 배치되어 하향 변환 된 광자가 태양 전지에 흡수되도록 배치함 . 

- 태양 에너지를 변환하는 PV (Photovoltaic) 기술은 녹색 및 재생 가능 에너지 생성에 대해 유망 합니다. 관련 PV 기술이 반세기 이상 동안 사용 가능 함에도 불구하고, 주로 태양 전지의 낮은 전력 변환 효율로 인해 태양 에너지 생산에 비용이 많이 듭니다. PV 에너지 변환의 효율성을 향상시키는데 있어 가장 큰 어려움은 입사 태양 스펙트럼에서 광자의 에너지 분포와 반도체 재료의 밴드 갭 사이의 스펙트럼 불일치에 있습니다. 

 

- 최근에는 넓은 스펙트럼의 빛을 광자로 변환 할 수 있는 발광 재료 태양전지 기반 에너지 변환 과정에서 손실을 최소화하기 위해 합성되고 사용되었습니다. 이 리뷰에서는 PV 애플리케이션을 위한 란탄족 기반 상향 변환, 양자 절단 및 하향 이동 재료에 특히 중점을 두고 스펙트럼 변환기 개발의 최근 진행 상황을 조사 할 것입니다. 또한 이러한 발광 재료를 기반으로 한 비용 효율적인 고성능 태양 전지를 개발할 때 발생하는 기술적 과제도 제시합니다.

 

- 실리콘 태양 전지는 전 세계 태양 광 시장의 90 % 이상을 차지합니다. 실리콘의 적절한 밴드 갭 (1100nm)으로 태양 스펙트럼 파장의 많은 부분을 수확 할 수 있기 때문입니다. 그러나 이 광수집 효과는 밴드 갭보다 짧고 긴 파장에서 손실을 나타냅니다. 1000 W / m의 단지 약 30 %의 이론적인 상위 한계 효율로 전체 태양 스펙트럼을 전류로 변환 할 수 있습니다. 따라서 이러한 파장영역에서 태양 스펙트럼의 근적외선 에너지의 최대 20 %가 손실됩니다.

 

- 이를 극복하기 위해, 영국, 스페인, 프랑스 및 독일의 한 연구 컨소시엄에서 이에 대한 해결책으로 업컨버전 (UC) 레이어를 사용하여 손실을 최소화 시키는 방향을 제시했습니다. 이러한 광학 재료는 두 장파장 광자의 에너지를 흡수하고 결합하여 태양 전지에 흡수 될 수 있는 고 에너지 광자를 생성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 태양 전지의 실리콘 뒤에 UC 물질을 포함하는 층을 간단히 추가하여 이전에 수확하지 않은 태양 스펙트럼 부분을 사용할 수 있습니다. 에르븀 기반(Er, Erbium) 업 컨버터는 이 기능을 제공하여 1470-1580 nm 파장 범위에서 빛을 흡수합니다. 980 nm에서 상향 변환 된 광자를 방출하여 위에 놓인 실리콘 장치에 의해 효율적으로 흡수됩니다. 이 에너지는 발광에 의한 에너지 변환은 업 컨버터에 사용 가능한 에너지로 87.7 W / m까지 증가 할 수 있습니다.

 

다운 시프팅 (DS), 양자 절단 (QC) 및 업 컨버전 (UC) 발광 재료를 포함하는 PV 애플리케이션을위한 스펙트럼 변환 설계

 

-      이 연구는 스펙트럼 농도를 달성하기 위해 양자점 (QD)과 광결정 구조를 결합 했습니다. QD는 발광 적색 이동을 제공하는 반면, PC는 QD 방출하고 업 컨버터의 흡수 스펙트럼에 적응하는 데 중요한 역할을 합니다. PC는 QD 분포 방출을 좁혀 파장 범위에서 빛의 농도를 67 %까지 증가시킵니다. 또한 QD 방출을 대체하여 최대 158 %까지 업 컨버터의 흡수와 중첩을 증가시킵니다. 

 

-      이것은 또한 QD 재 흡수에 의한 손실을 피하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로, 수직 방출은 2D PC에 의해 도입 된 평면의 제한으로 인해 680 %까지 높은 향상을 확인 했습니다.

 

-      이러한 추가적인 에너지는 UC가 비선형 프로세스이고 그 효율성이 입사 전력에 따라 선형 적으로 증가하지 않고 오히려 2 차적으로 증가하기 때문에 훨씬 더 관련이 있습니다. 따라서 3.6 배의 이상적인 광도 증가는 최고의 UC 방출을 13 배까지 증가시킬 수 있으며, 이는 현장에서 상당한 도약을 가져올 것입니다. 이러한 관점에서 스펙트럼 농도는 향후 몇 년 동안 UC 광전지의 주요 전략 중 하나로 간주됩니다.

 

발광 태양열 집광기가 장착 된 태양 전지 장치의 개략도

 

 

< 출 처 >

 

Huang, Xiaoyong, et al. "Enhancing solar cell efficiency: the search for luminescent materials as spectral converters." Chemical Society Reviews 42.1 (2013): 173-201.

 

논문 제목 : Enhancing solar cell efficiency: the search for luminescent materials as spectral converters

 

저자 : Xiaoyong Huang, Sanyang Han, Wei Huang and Xiaogang Liu