들뜬 상태! - 태양 전지 기술의 혁신

과거 태양전지는 효율에 한계가 있었습니다. 기존의 실리콘 기반 태양 전지에서 전지 표면을 때리는 각 광자는 하나의 전자를 방출합니다. 더 큰 에너지를 가진 광자는 추가 전자를 끌어낼 수 없기 때문에 차이를 만들지 않습니다. 연구원들은 이제 하나가 아닌 두 개의 전자를 방출하기 위해 고에너지 광자를 얻는 새로운 방법을 생각해 냈으며, 이는 더 높은 효율로 새로운 유형의 태양 전지를 위한 길을 열어줍니다.

기존 태양 전지가 달성할 수 있는 가장 높은 이론적 효율은 29.1%입니다. 지난 몇 년 동안 MIT와 다른 곳의 연구원들은 세포의 효율성을 높이는 새로운 방법을 개발했습니다.

초기 시위

이 기술의 원리는 이미 알려져 있을 뿐 아니라 실증도 이루어졌다. 그러나 이 기술이 작동하는 데 몇 년이 걸렸습니다. 이전 연구에서는 유기 광전지의 경우 하나의 광자에서 두 개의 전자가 방출되는 것을 보여주었습니다. 그러나 실리콘 태양 전지는 유기 태양 전지보다 더 효율적입니다. 상부층이 테트라센으로 구성된 태양 전지에 대해 테스트를 수행했을 때 두 전자의 전달은 간단하지 않았습니다. 이 기술은 40년 전에 개념화되었지만 이제 그 실용성이 현실이 되고 있습니다.

여기 과정

이 기술은 여기 상태를 포함하는 물질 그룹인 여기자의 사용을 포함합니다. 그들은 하나의 광자를 두 개의 전자로 에너지 분할을 가능하게 합니다. 여기자는 회로에서 전파하는 전자와 같은 에너지 패킷입니다. 그러나 그들은 전자와 비교하여 다른 특성을 가지고 있습니다. 이 과정에서 단일항 여기자 분열이 수행되어 빛 에너지가 두 개의 독립적인 이동 에너지 패킷으로 분할됩니다. 실리콘 태양 전지는 광자를 흡수하고 여기자를 형성합니다. 이 여기자는 핵분열 반응을 일으켜 두 개의 여기 상태를 형성합니다. 여기서 각 에너지 패킷은 초기 상태의 에너지 절반을 소유합니다.

문제 해결

광자에서 얻은 에너지를 실리콘으로 결합하는 것은 비 여기자성 물질이기 때문에 어려웠습니다. 연구팀은 여기자층의 에너지를 양자점으로 알려진 작은 반도체 입자에 결합하려고 시도했습니다. 이것은 태양 전지 기술에서 획기적인 발전이 일어났을 때였습니다. 태양 전지 기술은 무기물이면서 여기자였습니다. 이는 보다 효율적인 실리콘 태양 전지의 개발로 이어졌습니다.

표면 화학의 역할

에너지 전달은 재료의 부피 때문이 아니라 재료의 표면 때문에 가능합니다. 연구팀은 실리콘의 표면화학에 집중한 덕분에 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 이것은 그곳에 존재하는 표면 상태를 결정하는 데 도움이 되었습니다. 솔루션은 테트라센 층과 실리콘 셀 층 사이의 계면에 있는 얇은 중간 층에 있습니다. 사용된 중간 물질은 하프늄 산질화물이며, 이는 원자 두께가 몇 개이고 여기자의 다리 역할을 합니다. 이 신기술은 이론상 최대 효율을 29.1%에서 35%로 끌어올렸습니다.

범위

두 재료의 효율적인 결합이 이루어졌지만 이 공정을 위해서는 실리콘 셀의 추가 최적화가 필요합니다. 현재 버전보다 더 얇게 만들 필요가 있습니다. 내구성을 위한 재료의 안정화도 작업해야 합니다. 제품이 상용화되기까지는 몇 년이 걸릴 것입니다. 효율성을 개선하기 위한 다른 방법은 실리콘 위에 페로브스카이트 층과 같은 다른 유형의 셀을 추가하는 것입니다.