노스캐롤라이나 주립대학교 연구진들이 박막 태양전지의 빛 흡수 효율성을 개선하고 제조비용을 낮출 수 있는 소위 초흡수(superabsorbing) 디자인을 개발했다. 초흡수 디자인은 현재의 태양빛 흡수 능력을 유지하면서 박막 필름 태양전지에 사용되는 반도체 물질의 두께를 10배 이상 감소시킬 수 있다고 주장되고 있다.

"가장 최신의 박막 필름 태양전지는 가능한 태양열 에너지를 많이 캡처하기 위해 약 100nm 두께의 다공성 실리콘층이 있어야 한다. 우리가 제안하는 구조체는 단 10nm 두께의 다공성 실리콘층을 이용하여 태양열 에너지를 90%까지 흡수하는 것이 가능하다"고 노스캐롤라이나 대학교 재료과학 및 재료공학 조교수이자 이 연구결과를 발표한 논문의 차석 저자인 린유 카오(Linyou Cao) 박사는 말했다.

"이것은 다른 물질에도 동일하게 적용된다. 예를 들어, 태양열 에너지 흡수를 위해서는 1㎛ 두께의 카드륨 텔루라이드(cadmium telluride) 층이 필요하지만, 우리가 개발한 디자인으로는 50nm 정도의 두께만 있으면 같은 흡수율을 확보하는 것이 가능하다. 또한, 우리가 개발한 디자인은 태양빛을 완전히 흡수하기 위해 30nm 정도 두께의 셀레늄화 구리인듐갈륨(copper indium gallium selenide)으로 가능하다"고 카오 박사는 덧붙였다.

카오(Cao) 박사에 의하면, 반도체 물질의 적층 문제는 제조 생산성을 향상시키고 박막 필름 태양전지의 비용을 낮추는데 중요한 병목과 같은 문제이다. "반도체 물질의 두께를 10배 감소시킨다는 것은 제조 생산성과 비용 감소 부문에서의 엄청난 개선을 의미하는 것"이라고 카오(Cao) 교수는 발표에서 말했는데, 이것은 태양전지가 재료를 덜 사용하고 박막 필름이 더욱 신속하게 적층되기 때문이다.

단면적으로 볼 때, 새롭게 개발된 디자인은 직사각형 양파같이 보인다. 빛을 흡수하는 반도체 물질은 직사각형 코어로 코팅되어 있다. 교대로, 반도체는 빛을 흡수하지 않는 3개의 비반사 코팅층으로 코팅되어 있다.

이 디자인을 개발하기 위해, 연구진들은 빛-트래핑 기술(light-trapping techniques)을 사용하여 반도체 물질의 최대 빛 흡수율을 조사함으로써 연구를 시작했다. 그들은 태양빛 흡수의 극대화는 태양빛의 빛-트래핑 효율성이 반도체 물질이 가진 본질적인 흡수효율성과 동일할 때 이루어진다는 사실을 발견했다.

그다음, 연구진들은 박막 필름 태양전지 내의 반도체 물질의 흡수효율성과 빛-트래핑 효율성을 매치시키기 위해 양파와 같은 구조체를 디자인했다.

카오(Cao) 박사는 다음과 같이 말했다. "먼저, 우리는 주어진 반도체 물질의 최대 태양빛 흡수 효율성을 예측하고, 그다음 예측된 최대값을 이루고자 제조 가능한 디자인을 제안했다. 우리는 이 작업을 위해 새로운 모델을 개발했는데, 그 이유는 기존의 모델이 실제 반도체 물질의 태양빛 흡수에 대한 상한값을 발견하는 것이 불가능했기 때문이다. 만약 우리가 생각하는 것처럼 연구작업이 계속 진행된다면, 이것은 박막 필름 태양전지가 가진 빛-흡수 효율성 문제를 근본적으로 해결하게 될 것이다. 초흡수 구조는 제작하기에 편하게 디자인되었고, 우리는 이 디자인을 생산하고 시험할 파트너들을 찾고 있다. 이 구조체는 표준적인 박막 필름 적층 및 나노리소그래피(deposition and nanolithography) 기술로 생산하기 매우 쉽다. 우리는 차세대 태양전지 생산에 이 디자인을 적용하기 위해 산업계 파트너와 함께 일하게 된 것이 매우 기쁘다."

반도체 태양 초흡수장치(Semiconductor Solar Superabsorbers)라는 제목의 이 논문은 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 발표되었다.

 
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2014. 03. 04]

 

 

 

Researchers from North Carolina State University have developed a so-called superabsorbing design that may improve the light absorption efficiency of thin film solar cells and lower manufacturing costs.

 

It is claimed the superabsorbing design could decrease the thickness of the semiconductor materials used in thin film solar cells by more than one order of magnitude without compromising the capability of solar light absorption.

 

‘State-of-the-art thin film solar cells require an amorphous silicon layer that is about 100nm thick to capture the majority of the available solar energy,’ said Dr. Linyou Cao, an assistant professor of materials science and engineering at NC State and senior author of a paper describing the work. ‘The structure we’re proposing can absorb 90 per cent of available solar energy using only a 10nm thick layer of amorphous silicon.

 

‘The same is true for other materials. For example, you need a cadmium telluride layer that is one micrometer thick to absorb solar energy, but our design can achieve the same results with a 50nm thick layer of cadmium telluride. Our design can also enable a 30nm thick layer of copper indium gallium selenide to fully absorb solar light. That’s a huge advance.’

 

Cao noted that the deposition of semiconductor materials stands as a major bottleneck for improving manufacturing productivity and lowering the cost of thin film solar cells.

 

‘A decrease in the thickness of semiconductor materials by one order of magnitude would mean a substantial improvement in manufacturing productivity and reduction in cost,’ Cao said in a statement, because the cells would use less material and the thin films could be deposited more quickly.

 

In cross-section, the new design looks like a rectangular onion. The light-absorbing semiconductor material coats a rectangular core. The semiconductor, in turn, is coated by three layers of anti-reflective coating that do not absorb light.

 

To develop the design, the researchers began by examining the maximum light absorption efficiency of semiconductor materials using light-trapping techniques.

 

They found that maximising solar absorption requires a design in which the light-trapping efficiency for solar light is equal to the intrinsic absorption efficiency of the semiconductor materials.

 

The researchers then designed the onion-like structures to match their light-trapping efficiency with the absorption efficiency of the semiconductor materials in thin film solar cells.

 

Cao said: ‘We first theoretically predicted the maximum solar light absorption efficiency in given semiconductor materials, and then proposed a design that could be readily fabricated to achieve the predicted maximum. We developed a new model to do this work, because we felt that existing models were not able to find the upper limit for the solar absorption of real semiconductor materials.

 

‘And if this works the way we think it will, it would fundamentally solve light-absorption efficiency

problems for thin film solar cells.

 

‘The superabsorbing structure is designed for the convenience of fabrication, and we are looking for partners to produce and test this design.

 

‘The structure should be very easy to produce with standard thin film deposition and nanolithography techniques. We are happy to work with industry partners to implement this design in the production of next-generation solar cells.’

 

The paper, ‘Semiconductor Solar Superabsorbers,’ has been published in Scientific Reports.

 

[원문출처 : http://www.theengineer.co.uk/channels/design-engineering/news/solar-superabsorber-to-improve-photovoltiac-efficiency/1018118.article]