Rise & Shine : 태양 광 효율성 기록이 새로운 발전으로 산산이 부서지고 있습니다.

상승하고 빛날 시간 : 최근 발전으로 태양 효율성 기록이 산산이 부서지고 있습니다.

지난달 콜로라도 주 국립 신 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory)의 한 연구원은 우표 크기의 태양 전지를 쟁반에 올려 놓고 고강도 펄스 태양 시뮬레이터 밑에 놓았다. 시뮬레이터는 2.5 밀리 초 펄스의 빛을 내 보냈고, 19 거울은 광자를 셀 위로 반사시켰다. 몇 밀리 초 동안, 데이터는 NREL 컴퓨터로 반복되는 둥근 고리를 통해 유입되었습니다. 연구원들은 수치를 계산하고 수정했으며, 장치 성능 책임자 인 Keith Emery는이를 확인했습니다. 태양 광 발전 효율에 대한 새로운 세계 기록이 설정되었습니다.

태양 전지 기술의 고도의 기술 세계에서, 점수는 태양열 에너지가 전기로 변환되는 셀을 때리는 비율로 유지됩니다. 그의 실험실은 태양 전지의 효율을 테스트 한 국제 전기 기술위원회 (International Electrotechnical Commission)가 인증 한 미국 유일의 실험실이기 때문에 에머리 (Emery)는 미국의 비공식 솔라 스코어 키퍼입니다.

우리는 태양 전지 연구의 르네상스 시대에 있습니다. 끊임없는 혁신으로 가장 일반적인 결정질 실리콘에서부터 박막 카드뮴 텔루 라이드에 이르기까지 모든 종류의 태양 전지에 걸쳐 효율성을 높이고 있습니다. 페 로브 스카이 트 세포. 세계 기록은 급격한 속도로 무너지고 있으며,이 최신 기록 작성자의 연구원들은 너무 오랫동안 축하하기보다 잘 알고 있습니다.

태양의 성배 : 그리드 패리티

태양 광 커뮤니티의 모든 사람들, 심지어 가장 최근의 혁신에 의해 먼지 속에 남아있는 사람들조차도,이 끊임없는 단 하나의 솜씨는 아주 좋은 것이라고 동의합니다. 태양 산업의 경우 효율 등급은 연구 보조금 제안에 대한 권리 또는 사료를 자랑하는 것 이상입니다. 그것들은 전기 태양 광 발전소가 석탄 및 천연 가스 발전소와 동일한 비용 (또는 그 이하)을 생산하는 지점 인 "그리드 패리티 (grid parity)"에 더 가까이 다가 갈 수있는 열쇠입니다.

"당신이 슈퍼 높은 효율을 가지고있는 태양 전지를 개발할 수 있다면, 당신은 저축을 할 수 있습니다."태양 광 연구에서 널리 존경받는 지도자 인 Urbana-Champaign의 일리노이 대학 물리학 자 John Rogers는 말한다. "구축하는 모듈의 수를 줄입니다. 설치 비용을 줄입니다. 유지 보수 비용이 내려갑니다. 필요한 토지의 양이 줄어든다. "

태양 에너지 세계의 엄지 손가락 규칙은 전력 생산 비용이 와트 당 $ 1에 달할 때 석탄 및 천연 가스와 직접 경쟁 할 수 있다는 것입니다. "기본적인 가정은 무언가를 그리드 패리티로 가져갈 때, 기술의 수용은 훨씬 더 낫습니다. "라고 Ramamoorthy Ramesh는 다음과 같이 말했습니다. 미국 에너지 부 (US Department of Energy)의 SunShot 프로그램2011은 화석 연료의 전력 비용을 충족 시키거나 능가하기 위해 태양 광 발전 비용을 낮추는 사명을 가지고 XNUMX에서 시작되었습니다.

태양 에너지 세계에서 엄지 손가락의 규칙은 전력 생산 비용이 와트 당 $ 1에 도달하면 광전지가 석탄과 천연 가스와 직접 경쟁 할 수 있다는 것입니다. SunShot이 시작될 당시 태양 광 발전의 비용은 와트 당 $ 5이었습니다. 3 년 후에 Ramesh는 이미 비용이 와트 당 약 $ 2.80로 떨어 졌다고보고했습니다.


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비용 절감을위한 낮은 매달린 과일의 대부분은 이미 선택되었지만, 중국의 태양 전지판이 과다하게 태양열 가격의 큰 동력이되었습니다. 다음 1.80을 면도하기 위해 효율성이 더 높은 세포를 만들고 실험실에서 실제 세계로 이동하는 것이 필수적입니다.

"태양 전지로, 우리는 무엇을 해야할지 압니다."라 메쉬는 말한다. "우리는 제조 비용을 절감하고 효율성을 향상시켜야합니다."

솔라는 많은 기회를 제공합니다

효율성을 개선 할 수있는 기회가 많이 있습니다. 하나의 중요한 초점 영역은 빛 에너지를 포착하여이를 전류로 바꾸는 데 사용되는 반도체 소재에 있습니다. 반도체로 사용되는 각 재료는 효율성과 관련하여 고유 한 강점과 한계를 가지고 있습니다. 일반적으로 각각이 자연광 스펙트럼의 특정 부분을 흡수하기 때문에 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

엔지니어는 효율성을 최대화하기 위해 이러한 미세한 셀의 모든 측면을 끊임없이 고민하고 있습니다. 다른 요소는 셀의 최종 효율성에도 영향을줍니다 : 반도체 재료가 시간이 지남에 따라 어떻게 저하되는지, 셀의 아키텍처가 어떻게 흡수되는지 전극은 반도체가 생성하는 전류를 포착하고이를 전기로서 생산적으로 사용하도록 조정합니다. 효율을 극대화하기 위해 엔지니어는 이러한 미세한 셀의 모든 측면을 끊임없이 고민하고 있습니다. 궁극적으로 최고의 전류 및 전압을 생성 할 수 있도록 화학 및 디자인을 변경합니다.

다양한 재료 및 디자인의 다양한 잠재적 효율로 인해 특정 등급의 광전지에 대한 기록 설정 효율 점수가 다른 것보다 훨씬 높을 수 있습니다. 세계 최고의 박막 태양 전지는 23 퍼센트를 극대화하는 반면, 최고의 실리콘 기반 셀은 26 퍼센트를 달성하고 최고의 다중 접합 셀 (서로 적층 된 반도체를 사용)은 44 퍼센트를 제거합니다 .

그러나 다중 접합 셀은 생산하기가 훨씬 더 비싸고 옥상의 보급 환경에 실제로 사용될 수 없습니다. 따라서 25 비율보다 우수한 성능을 보이는 실리콘 셀은 40를 클로킹하는 다중 접합 셀만큼 흥미롭고 유망한 것입니다.

우리는 태양 에너지 효율의 지속적인 향상을 기대할 수 있습니까?

옥상이나 거대한 태양 광 발전소에서 태양 전지판을 찍을 때 머리 속에 결정질 실리콘의 이미지가있을 가능성이 있습니다. 수십 년 동안 실리콘은 태양 전지 분야에서 가장 보편적으로 사용되는 반도체로 전 세계 태양 광 발전의 원동력이었습니다. NREL의 신뢰성 그룹 (Reliability Group) 책임자 인 사라 커츠 (Sarah Kurtz)는 "실리콘은 80 시대와 비슷한 시장에서 90 정도의 시장 점유율을 보이고있다.

수십 년 동안 실리콘 셀의 효율은 꾸준히 증가했지만 천천히 증가했으며, 실리콘으로 대체 될 수있는 효율성은 훨씬 더 많지 않았습니다. 최근까지.

신생 실리콘 회사 인 TetraSun은 NREL 연구원들과 경쟁 업체들을 빨간색으로보고 있습니다. TetraSun은 몇 가지 실리콘 규칙을 귀에 기울임으로써 21 개월 만에 18 % 효율을 기록했습니다. 그게 그리 좋지는 않지만, 전형적인 스크린 인쇄 실리콘 셀은 이미 옥상에서 볼 수있는 가장 일반적인 것입니다. 심각한 백분율로 나타납니다.

TetraSun의 비밀의 일부는 악명 높은 성능 운동 선수의 일부입니다 : 도핑. 모든 실리콘 웨이퍼는 도핑 (화학적으로 처리)되지만 TetraSun의 소위 "N 형"셀에는 인이 도핑됩니다. 이것은 세포가 기존의 붕소가 도핑 된 "P- 타입"웨이퍼를 괴롭히는 것과 동일한 광에 의한 분해를 겪지 않도록하여 패널의 수명이 길어질수록 효율을 높여줍니다.

고가의 재료를 값 비싼 부품으로 대체하려는 이러한 노력은 기업이 더 큰 태양 광 발전 설비를 구축하는 데 점점 더 중요 해지고 있습니다.

TetraSun의 N 형 셀 또한 양면으로되어있어 반도체 밑면에서 튀어 나오는 간접적 인 햇빛을 캡처 할 수있는 영리한 아키텍처가 특징입니다. 또한, TetraSun은 일반적인 실리콘 태양 광 패널의 전면에있는은 그리드를 바꿔서 구리 전극에 대해 셀의 전류를 흘려 보내 게했습니다. 몇 달이나 몇 달 동안 TetraSun의 엔지니어들은 NREL 전문가와 협력하여 구리를 오히려 다루기 힘든 물질로 만드는 법을 찾아 냈습니다. 마지막으로, 구리는 형성에 갇혀 있으며, 인간 머리카락의 약 25 분의 1에 해당하는 선이 그려져 있습니다.

NREL 분석 현미경 감독관 인 Mowafak Al-Jassim은 대형 태양 광 발전 설비를 건설 할 때 비용이 많이 드는 부품을 저렴한 부품으로 대체하려는 노력이 점점 더 중요 해지고 있습니다. SolarReviews에 말했다. 지난 11 월.

2 월 현재 TetraSun의 구리선이있는 셀을 갖춘 패널이 실제 지불 고객의 옥상에 광선을 흡수하고 있습니다. 이 회사는 상업용 태양 광 업계의 대기업 인 퍼스트 솔라 (First Solar)가 구입했는데, 즉시 TetraSun의 제품을 옥상의 첫 번째 라인으로 출시했습니다.

잠재적 인 떠오르는 별 : 페롭 스카이 트 태양 전지

실리콘 연구원이 늙은 개에게 새로운 트릭을 가르치려고한다면, 페롭 스카이 트 (perovskite)라고 불리는 새로운 태양 물질은 머리를 돌리고 턱을 떨어 뜨리는 새로운 이색 개 사육 품종입니다. Perovskite 셀 (우랄 산맥에서 발견 된 광물 이름을 따서 명명 됨)은 광전지 세계가 본 것보다 더 빨리 효율 차트를 촬영합니다.

페 노브라이트가 태양 전지에서 반도체로 여겨지 던 것은 2009이 아닐 때까지는 아니었다. 그 당시 일본의 한 과학자가 3.8 % 효율을 기록했습니다. 지난 달 캘리포니아 - 로스 앤젤레스 대학의 한 팀이 19.3 퍼센트를 발표했다.

Perovskite 셀은 "상당한 시간 동안 작업 되어온 염료 감응 형 세포의 변형체"라고 Kurtz는 설명했다.이 세포는 고체 반도체 웨이퍼를 빛을 흡수하는 유기 염료로 대체한다. "작년에 [연구자]는 효율성을 높일 수있는 물질적 조합을 알아 냈습니다. 그리고 그 이후로는 경쟁에서 벗어났습니다.

페 로브 스카이 트의 가장 큰 장점은 얼마나 쉽게 작동하는지입니다. 그것은 액체로 성장할 수 있으며 기본적으로 기본 재료 위에 인쇄되어 간단하고 값싼 태양 전지 생산을 위해 첨단 연구 실험실에서 공장으로 쉽게 이전됩니다.

하나의 문제 : 성능이 우수한 페 로브 스카이 트 (perovskite) 셀은 납과 혼합되어 실험실의 안전한 경계에서 작동 할 수 있지만 아무도 옥상에 설치하지 않을 것입니다. 그러나 지난 한 달 동안 두 개의 개별 연구팀이 페 로브 스카이 트와 주석을 혼합 한 초기 실험 결과를 발표했습니다. 주석은 납보다 안전하고 환경 친화적 일뿐만 아니라 훨씬 저렴합니다.

"틴은 매우 실용적인 재료이며 우리는 효율적인 태양 전지로 작동하는 재료를 보여 주었다"고 노스 웨스턴 대학교 (Northwestern University)의 화학자 인 Mercouri Kanatzidis는 말했다. 지난 달 성명서 그의 팀의 결과를 발표했다. "주석과 납은 주기율표에서 같은 그룹에 속하므로 유사한 결과가 기대된다"고 말했다.

페 로브 스카이 (perovskite) 태양 전지의 성공 여부는 당연히 공개적인 질문이다. 세포는 실제 유리 및 금속 모듈에서의 생존력을 아직 증명하지 못했으며, 전체 분야는 너무 어려서 시간이 지남에 따라 얼마나 잘 견디는지를 알지 못합니다.

셀 스태킹은 또 다른 획기적인 기술입니다.

로저스 (Rogers)의 경우 스태킹 전지는 전통적인 태양 광 발전의 효율 한계를 뛰어 넘는 방법입니다. 로저스 (Rogers)는 어떤 태양 전지 소재 (실리콘 또는 텔루 라이드 박막과 같이 가장 널리 사용되는 박막)는 태양의 빛 스펙트럼의 특정 부분을 흡수하는 데 매우 유용하다고 설명했다. 그러나 이들 파장으로 만 조정되기 때문에 모든 기본 태양 전지는 이론적으로 한계가 있습니다. (결정질 실리콘은 Shockley-Queisser 한계로 알려진 29 퍼센트 정도입니다.)

Rogers의 전략은 서로 다른 물질을 쌓는 것입니다. 각 계층은 빛 스펙트럼의 다른 부분을 채집합니다. "효율성을 향상시키는 방법은 태양으로부터 들어오는 광자와 관련된 전체 스펙트럼 범위에서 작동 할 수있는 능력을 가진 태양 전지를 설계하는 것입니다 그 정도면 꽤 넓습니다. "라고 Rogers는 말합니다.

Rogers의 전략은 서로 다른 재료를 쌓는 것입니다. 각 레이어는 빛 스펙트럼의 다른 덩어리를 선택합니다. "당신은 녹색에서 정말 잘 작동하지만 빨간색에서는 형편없는 태양 전지를 개발할 수 있습니다. 그러나 적색에서 효과적으로 작동하도록 조정 된 다른 전지에 쌓아 두십시오."

그 결과로 생긴 반도체 스택은 각각 1 밀리미터 미만의 작은 크기이지만 유리 패널 위에는 돋보기로 버그를 쏘아 먹는 나쁜 아이처럼 태양 빛을 각 스택에 직접 집중시키는 렌즈가 있습니다. 패널에 닿는 모든 빛의 비트는 아주 작은 셀 스택을 만난다.

잔인하게 단순화하기 위해 다른 기판에서 각 층을 성장시키고, 원하는 셀을 에칭하고, 반도체를 셀 자체에 "고무로 스탬핑"한 다음 4 층 두께로 쌓아 올리는 마이크로 엔지니어의 업적 - 실제로 작동합니다. Rogers 팀은 실험실에서 42.5 % 효율로 클럭킹 한 4 층 셀을 발표했습니다.

Rogers는 노스 캐롤라이나에 본사를 둔 Semprius라는 회사와 협력하여 다중 접속 셀을 현장에서 사용할 수있는 모듈에 배치했습니다. 모든 장비가 갖추어져 있어도 Semprius 모듈은 35 %의 효율을 달성하고 있습니다. "이는 최고의 성능을 자랑하는 모듈입니다."라고 Rogers는 말합니다. "가까운 거리도 아니야."

주택 소유자는 아마도 Semprius에 주문하지 않을 것입니다. 왜냐하면이 모듈은 옥상용이 아니기 때문입니다. 그들은 "유틸리티 규모의 태양 광 발전소에 가장 적합하거나 산업 단지와 데이터 농장에 설치된 태양 광 발전소를 상상할 수 있습니다. 우리는 초저 비용, 대규모 발전에 대해 이야기하고 있습니다. "라고 Rogers는 말합니다.

그리드 패리티를 달성하기에 충분히 낮은 비용? 지멘스 (독일의 거대한 태양 광 업계 선두 업체)는 그렇게 생각한다. 이 회사는 Semprius에 대한 초기 투자자이며 Rogers는이 기술에 대한 평가가 "가장 고무적"이라고 말합니다.

"그들은 석탄보다 저렴할 수 있다고 말했다.

그러나 더 나은 광전지 탐구의 본질에 맞춰서, 이것은 이야기의 끝이 아닙니다. 실험실로 돌아 가면, 로저스는 팀의 미세 조정을 통해 50 % 이상의 효율 등급을 얻을 수 있다고 말합니다. "우리는 또 다른 돌파구없이 먼 길을 갈 수있다."

계속 지켜봐 주시기 바랍니다.

이 문서는 원래의 등장 Ensia


저자에 관하여

저비스 벤Ben Jervey는 기후, 에너지 및 환경을 다루는 작가이자 편집인입니다. 그는 정기적으로 내셔널 지오그래픽 뉴스, 지구에DeSmogBlog. 그는 최근 Focus the Nation과 함께 에너지 101 프라이머. 자전거 애호가 인 벤은 미국 전역과 유럽 전역에서 탔습니다.


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