[논문]태양전지 효율향상을 위한 태양광 스팩트럼 변환기술

조소혜; 한일기

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문제 정의

특히, 태양광을 흡수하여 태양전지 흡수 영역으로 변환하는 파장변환 기술이 많은 관심을 받고 있다. 본고에서는 기존 태양전지의 효율향상을 위하여 사용되는 파장변환 기술에 대해 논의하고자 한다.

제안 방법

이 방법에 의하면 그림 15와 같이 농축된 형광체 용액을 금 박막에 올리고 PDMS 고분자 시트를 박막과 약 35° 간격을 유지하며 쓰러내려 나노형광체를 물리적으로 나노 홀에 집어넣게 되는데, 이때 필링 효율(filling factor)이 약 90%이상이라고 보고한다. 같은 방법으로 실리카 홀(hole)에 나노형광체를 위치시켜 형광체의 발광효율을 비교하였다. NaYF₄:Er³⁺, Yb³⁺ 형광체를 포함한 박막을 980nm 빛으로 여기 시켰을 때 540nm의 녹색 빛으로 상향변환되는데 이때 그림 16과 같이 실리카 박막의 형광체 보다 금 박막의 형광체가 약 35배 강한 발광을 보였다.
Ba₂SiO₄:Eu²⁺ 하향변이 형광체 층은 빛산란을 최소화하기 위하여 100nm이하로 제어하였고, 변이된 빛의 발광을 향상시키기 위하여 은나노 입자의 프라스모닉(plasmonic) 효과를 접목한 나노융합 기술의 좋은 예로 보여 진다. 이때 프라스모닉 효과를 최적화하기 위하여 그림 10과 같이 실리카 층을 형광체와 은나노 층 사이에 스페이서(spacer)로 삽입하고 그 거리를 5~100nm로 조절하였다. Ba₂SiO₄:Eu²⁺형광체의 발광효율은 약 40%에 그쳤지만, 형광체의 발광이 은나노 입자층을 적용하였을 때 그 발광세기가 최대 약 200%까지 증가하였다.

대상 데이터

에 의해 란타늄 바나데이트계(LaVO₄) 나노형광체를 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)에 적용하여 효율향상을 본 결과가 2006년 Applied Physics Letter지에 발표되었다^[9]. 그림 11과 같이 약 30nm 크기의 LaVO₄:Dy³⁺ 형광체를 ITO 투명전극의 전면부에 약 300nm 두께로 도포하고 450℃에서 소결하여 가시광 영역 투과도가 우수한 파장변환 박막을 형성하였다(그림 11의 투과도 참조). LaVO₄:Dy³⁺ 형광체는 250~320nm 파장에서 흡수를 보이고 350~700nm 파장에서 발광을 보이므로 DSSC에 주로 사용되는 N3염료의 흡수 파장인 450~600nm 영역과 일치한다.

성능/효과

그림 2에서 도시된 바와 같이 실리콘 태양전지의 경우 태양광 중 주요 활용 범위는 500~1,000nm 범위이며, 500nm 보다 짧은 파장에 해당하는 자외선이나 1,000nm 보다 긴 파장에 해당하는 적외선은 실리콘 태양전지에서 에너지를 얻는데 활용되지 못하고 손실된다. 따라서 손실되는 자외선을 500~1,000nm 범위의 빛으로 파장을 변환시켜주는 하향변이(down shift) 또는 하향변환(down conversion)기술 및 투과되는 적외선을 500~1,000nm의 파장으로 변환시켜주는 상향변환(up conversion) 기술을 활용하면 Shockley-Queisser limit을 넘어서는 태양전지 효율 확보가 가능할 것이다(그림 4). 이와 같이 태양광 중 손실되는 빛을 태양전지에게 유용한 빛으로 변환시켜 태양전지 효율을 향상시키는 개념은 이미 1950년대 Dexter 및 Bloembergen에 의해 제시되었다.
. 몇 가지 다른 파장영역대의 Lumogen 염료 중 300~420nm에서 흡수를 보이고, 400~600nm에서 발광을 보이는 염료가 가장 높은 효율 증가를 보였는데, 이를 이용하여 400nm 파장 이하에서 기존 실리콘 태양전지 대비 외부양자효율(exteranl quantum efficiency)이 약 40% 증가하는 결과를 얻었고, 전 파장 대비 약 1%의 모듈 효율 증대 효과를 보았다. 그러나 Lumogen 염료의 태양광 토출 시 안정성에 대해서는 테스트한 결과가 없고, 다만 향후 실용화를 위해서 태양전지 수명까지 견딜 수 있도록 개선되어야 한다고 제시 되어있다.
상기 LaVO₄:Dy³⁺ 파장변이 박막을 그림 12와 같이 DSSC에 적용되었을 때 UV 필터의 역할과 동시에 파장 변이 역할을 하여 발광이 없는 LaVO₄ 박막만 적용된 DSSC 대비 태양전지 효율이 약 23.3% 증가하는 효과를 보였다.

후속연구

상향변환 기술과 프라스모닉 효과를 접목하는 노력도 초기단계이지만 진행 중이다. 각 분야의 요소기술이 잘 융합되어 시너지 효과를 낸다면 향후 Shockley-Queisser limit을 넘어서는 태양전지가 보급되어 국면하고 있는 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다.
몇 가지 다른 파장영역대의 Lumogen 염료 중 300~420nm에서 흡수를 보이고, 400~600nm에서 발광을 보이는 염료가 가장 높은 효율 증가를 보였는데, 이를 이용하여 400nm 파장 이하에서 기존 실리콘 태양전지 대비 외부양자효율(exteranl quantum efficiency)이 약 40% 증가하는 결과를 얻었고, 전 파장 대비 약 1%의 모듈 효율 증대 효과를 보았다. 그러나 Lumogen 염료의 태양광 토출 시 안정성에 대해서는 테스트한 결과가 없고, 다만 향후 실용화를 위해서 태양전지 수명까지 견딜 수 있도록 개선되어야 한다고 제시 되어있다.
그러나 양자점 역시 파장변이 시트로 제작하기 위하여 고분자 물질과 혼합(blending) 시상분리, 침전, 투과도 저하, 발광효율 감소 및 낮은 광안정성 등의 문제를 해소시키지는 못하였다. 그러나 보다 새로운 양자점의 개발, 고분자 재료의 개선, 무기물계 매트릭스 사용 등으로 계속적인 효율 상승을 기대할 수 있을 것으로 전망된다.
NaYF₄:Er³⁺, Yb³⁺ 형광체를 포함한 박막을 980nm 빛으로 여기 시켰을 때 540nm의 녹색 빛으로 상향변환되는데 이때 그림 16과 같이 실리카 박막의 형광체 보다 금 박막의 형광체가 약 35배 강한 발광을 보였다. 상향변환뿐 아니라 하향변환에서도 이러한 융합 기술의 적용은 아직 이론치에 못 미치는 태양광 스팩트럼 변환효과에 큰 돌파구를 제공할 것으로 기대된다.
최근 변환효율 증대를 위하여 상향변환 형광체와 나노 프라스모닉 기술(nano-photonics)을 융합하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 융합기술의 개발로 상향 변환 기술의 한계를 극복할 수 있을지 기대된다.
최근 들어 100%에 근접한 발광효율을 보이는 유기염료 및 양자점 개발, 넓은 스톡스 변이를 보이는 신 염료 개발과 안정성 향상 등에 대한 연구결과가 발표되고 있으므로, LSC 태양전지에 적절히 활용 시 높은 효율을 보일 수 있을 것으로 전망된다.
하향변환형광체의 경우 50nm 이하의 나노형광체를 개발하였고 지금까지 나노형광체의 한계로 여겨지는 20%의 변환효율을 극복하고자 코어셀 구조, 광결정구조 등 다양한 노력이 진행되고 있다. 한편 파장변환된 빛을 태양전지로 많이 흡수시키기 위해서 파장변환용 나노형광체와 나노포토닉스를 융합하거나 파장변환층과 태양전지 사이 비발광 전이(non-radiative transfer) 개념을 적용한 융합 연구를 수행 중이다. 상향변환 기술과 프라스모닉 효과를 접목하는 노력도 초기단계이지만 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스펙트럼 불일치에 의한 손실을 최소화하여 태양전지 효율을 향상을 위해 어떠한 기술이 많은 관심을 받고 있는가?	최근, 이러한 스펙트럼 불일치에 의한 손실을 최소화하여 태양전지 효율을 향상하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1]. 특히, 태양광을 흡수하여 태양전지 흡수 영역으로 변환하는 파장변환 기술이 많은 관심을 받고 있다. 본고에서는 기존 태양전지의 효율향상을 위하여 사용되는 파장변환 기술에 대해 논의하고자 한다.
	Shockley-Queisser limit란?	태양전지 효율 저하의 가장 큰 원인은 태양광 스팩트럼과 태양전지 흡수 스팩트럼의 불일치에 있다. 그림 2에서 알 수 있듯이 태양광은 자외선에서 적외선까지 넓은 파장 범위를 가지고 있는 반면 태양전지는 일반적으로 가시광의 일부분만을 흡수하고 광전변환 한다. 이에 따른 태양전지 효율의 이론적 한계가 1961년 William Shockley와 Hans Queisser에 의해 계산적으로 제시되었고, 이를 Shockley-Queisser limit이라고 하다. 그림 3은 단일접합 태양전지의 에너지 밴드갭에 따른 Shockley-Queisser limit를 나타낸 그래프이다.
	태양전지 효율 저하의 가장 큰 원인은 무엇인가?	태양전지 효율 저하의 가장 큰 원인은 태양광 스팩트럼과 태양전지 흡수 스팩트럼의 불일치에 있다. 그림 2에서 알 수 있듯이 태양광은 자외선에서 적외선까지 넓은 파장 범위를 가지고 있는 반면 태양전지는 일반적으로 가시광의 일부분만을 흡수하고 광전변환 한다.

참고문헌 (12)

X.Y. Huang, S.Y. Han, W. Huang, X.G. Liu, Chemical Society Reviews , 42, 173 (2013).

상세보기
Q.Y. Zhang, C.H. Yang, Y.X. Pan, Applied Physics Letters, 90, (2007).
P. Vergeer, T.J.H. Vlugt, M.H.F. Kox, M.I. den Hertog, J.P.J.M. van der Eerden, A. Meijerink, Physical Review B, 71, (2005).
W.G.J.H.M. van Sark, A. Meijerink and R.E.I. Schropp, Solar Spectrum Conversion for Photovoltaics Using Nanoparticles, Third Generation Photovoltaics, Ed. by Dr. Vasilis Fthenakis (2012).
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X.Y. Marjan Saboktakin, Uday K. Chettiar, Nader Engheta, Christopher B. Murray, Cherie R. Kagan, ACS Nano, 7, 7186 (2014).

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