[논문 리뷰] Experimental determination of power losses in solar cells

Bruno Lorenzi, M. Acciarri외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 12.

solar cell performance optimization인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 외부 양자 효율성, 전류-전압 특성, 반사도 측정을 결합하여 태양전지의 열역학적 손실을 정밀하게 정량화하는 실험적 프레임워크를 제시한다. 이는 열손실이 적외선 영역에 국한되지 않고 전체 태양 스펙트럼에 걸쳐 발생함을 드러내며, 모든 태양전지 기술에서 광역 열수확이 필요함을 입증한다.

ABSTRACT

Solar cell thermal recovery is recently attracting more and more attention in the research community as a viable solution to increase photovoltaic efficiency. However the convenience of the implementation of such strategy is bound to the precise evaluation of the recoverable thermal power, and to a proper definition of the losses occurring within the solar device. In this work we establish a framework in which all the solar cell losses are defined and described. Aim is to determine the components of the thermal fraction. We therefore describe an experimental method to precisely compute these components from the measurement of the external quantum efficiency, the current-voltage characteristics, and the reflectivity of the solar cell. Applying this method to three different types of devices (bulk, thin film, and multi-junction) we could exploit the relationships among losses for the main three generations of PV cells available nowadays. In addition, since the model is explicitly wavelength-dependent, we could show how thermal losses in all cells occur over the whole solar spectrum, and not only in the infrared region. This demonstrates that profitable thermal harvesting technologies should enable heat recovery over the whole solar spectral range.

연구 동기 및 목표

• 태양전지의 모든 열역학적 손실을 식별하고 정량화하기 위한 종합적 프레임워크를 수립하기.
• 측정 가능한 전기적 및 광학적 매개변수를 통해 태양전지 장치의 열분율을 정확히 결정할 수 있도록 하기.
• 기존의 태양전지 기술 세대(기체, 박막, 다중 접합) 간 열손실의 변화 양상을 평가하기.
• 열손실이 적외선 영역에 국한되지 않고 전체 태양 스펙트럼에 걸쳐 발생함을 입증하기.
• 열수확 시스템의 설계를 안내하기 위해 회수 가능한 열의 전체 스펙트럼 범위를 특정하기.

제안 방법

• 실험적으로 측정한 외부 양자 효율성(EQE)을 활용하여 스펙트럼적 광자 흡수 및 변환을 규명한다.
• 전류-전압(I-V) 특성을 활용하여 전기적 출력 전력을 추출하고 전압 및 전류 손실을 식별한다.
• 반사도 측정을 통합하여 세포에 들어오지 않는 빛을 고려하여 광학적 손실을 반영한다.
• 전체 입사 태양광 에너지와 전기 출력 및 측정된 손실의 합을 비교하여 손실 구성 요소를 계산한다.
• 모델은 명시적으로 파장에 따라 변하는 바람직한 특성을 지녀, 태양 스펙트럼 전반에 걸친 열손실의 스펙트럼 분해를 가능하게 한다.
• 이 프레임워크는 기체, 박막, 다중 접합의 세 가지 다른 태양전지 유형에 적용되어 세대 간 비교가 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 세대의 태양전지에서 열역학적 손실의 주요 구성 요소는 무엇인가?
• RQ2 열손실은 태양 스펙트럼 전반에 어떻게 분포되어 있으며, 그 기여가 적외선 영역에 국한되는가?
• RQ3 광학적 및 전기적 특성에 기반하여 태양전지에서 열에너지의 회수 가능 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 기체, 박막, 다중 접합 태양전지 간 광학적, 전기적, 열역학적 손실 간 상호관계는 어떻게 다를까?
• RQ5 실험적으로 기반을 둔 통합 프레임워크를 수립하여 태양전지 장치의 열손실을 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 태양전지의 열손실은 적외선 영역에 국한되지 않고 전체 태양 스펙트럼에 걸쳐 발생한다.
• 이 프레임워크는 외부 양자 효율성(EQE), I-V 곡선, 반사도와 같은 실험적으로 측정 가능한 매개변수만을 사용하여 열역학적 손실을 정밀하게 정량화할 수 있다.
• 이 방법은 열손실이 기체, 박막, 다중 접합 태양전지의 세 세대 모두에서 뚜렷하게 나타남을 드러내며, 열수확의 잠재력이 크다는 점을 시사한다.
• 파장에 따라 변하는 모델은 열에너지가 태양 스펙트럼 전반에 걸쳐 지속적으로 생성됨을 보여주며, 이는 효과적인 열수확이 전체 스펙트럼 범위에서 이루어져야 한다는 점을 시사한다.
• 이 연구는 열분율이 단일 값이 아니며 파장에 따라 변동함을 입증하여, 광역 열수확 시스템이 필요하다는 점을 명확히 한다.
• 이 접근법은 어떤 태양전지 장치의 열수확 잠재력 평가를 일관되고 정량적으로 제공할 수 있다.