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 태양 전지로 흡수된 빛은 전자와 정공을 생산해야 하지만, open circuit 조건하에서 전하는 갈 곳이 없다. 따라서, 고효율 태양 전지를 얻기 위해서는 뛰어난 발광 다이오드 특성을 지녀야 한다.
미국 에너지성(DOE; Department of Energy) 산하의 Lawrence Berkeley National Laboratory (이하 Berkeley Lab)의 연구진은 태양 전지의 전력 변환 효율에 있어 세계 기록을 경신했다. 연구진은 태양 전지의 효율을 향상시키기 위한 주요 쟁점은 더 많은 포톤을 흡수하는 것이 아니라 방출하는 것이라고 설명했다. 이는 기존의 통념을 깬 관점이라 할 수 있다. 연구 결과는 Journal of PhotoVoltaics지에 “Intense Internal and External Fluorescence as Solar Cells Approach the Shockley-Queisser Efficiency Limit”란 제목으로 게재됐다.
이번 연구 논문은 태양 전지에 있어 어떻게 외부 형광 발광이 이론적 최대 효율에 영향을 줄 수 있는지 기술하고 있다. SQ Limit (Shockley-Queisser efficiency limit)으로 알려진 이론적 최대 효율은 단일 p-n 접합 태양 전지에서 약 33.5% 이다. 다시 말해 태양 전지가 단위 면적당 1000 와트의 에너지를 흡수하면, 최대 생산 가능 에너지는 단위 면적당 335 와트라는 이야기다.
Owen D. Miller는 갈륨 비소의 경우 이러한 SQ Limit에 접근할 수 있다고 설명했다. 실제로 Eli Yablonovitch 교수가 세운 Alta Devices Inc.사에서는 갈륨 비소를 이용해 전력 변환 효율이 28.4%인 태양 전지를 생산하는데 성공했다. Eli Yablonovitch 교수는 이번에 개발된 이론을 외부 형광 효율성을 포함해 SQ Limit에 이르기 위한 정확한 접근법을 기술하고 있다고 설명했다.
태양 또는 태야광 전지는 무한 에너지원으로 완벽하게 청정 에너지를 공급할 수 있는 대표적인 기술이다. 하지만 이러한 꿈을 실현하기 위해서는 효율적이고 가격 경쟁력을 바탕으로 태양빛을 전력으로 변환해야 한다.
지금까지 상업에서 활용되는 가장 효율적인 태양 전지는 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하고, 통상적으로 23%의 전력 변환 효율을 나타낸다. 높은 순도의 실리콘은 값비싼 물질이지만, 포톤의 흡수 능력 또한 낮다. 갈륨 비소의 경우 실리콘 보다 더 비싸지만, 포톤을 흡수하기에는 매우 효율적인 물질이다. 즉, 소량의 물질을 이용해 태양 전지 제작이 가능하다는 것이다.
동일한 박막의 두께에 대해 갈륨 비소는 실리콘보다 10000배 이상의 포톤을 ?g수하지만, 10000배만큼 비싸지 않다. 이렇게 성능을 비교해보면, 갈륨 비소는 태양 전지에 이상적인 물질이 된다. 그동안 태양 전지의 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 전지가 흡수하는 포톤의 수를 늘리는데 집중했다. 흡수된 빛은 전자를 발생시키는데, 이를 추출해야만 전력을 생산할 수 있다. 전자는 빠르게 뽑아낼 수 없기 때문에, 손실이 발생하고 그 에너지를 소모하게 된다. 만약, 열로써 에너지를 소모하게 되면 전지의 출력을 감소시키게 된다. 연구진은 이러한 전력 소모가 외부 형광으로 방출된다면, 전지의 출력을 향상시킬 수 있다고 설명했다. 이는 통상적인 직관에 반하는 개념이다.
태양 전지는 개로전압 조건에서 전자가 이동할 장소가 없기 때문에, 이상적으로 외부 형광 방출과 함께 입사하는 빛에 대해 균형을 맞출 수 있다. 효율적인 외부 형광 방출과 함께 SQ Limit에 접근이 가능하다.
이번 연구에 참여한 Alta Devices사는 내년에 갈륨 비소 태양 전지를 시장에 내놓을 수 있을 것이라고 언급했다. 이론적 계산을 바탕으로 그 성능이 입증된 갈륨 비소 태양 전지는 에너지 분야에 새로운 변화를 가져올 것으로 기대된다.
그림 1. Berkeley Lab의 (좌) Eli Yablonovitch 교수와 (우) Owen Miller의 사진으로, 고성능 태양 전지는 또한 고성능 발광 다이오드여야 한다는 설명을 제시했다.
그림 2. 갈륨 비소를 이용해 제작된 박막 태양 전지로 28.4%의 전력 변환 효율을 기록했다.
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=23318.php
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