[논문 리뷰] Phononic engineering with nanostructures for hot carrier solar cells

Jean‐François Guillemoles, Gavin Conibeer외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 11. 02.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 열광전자 태양전지에서 실온화를 억제하기 위해 나노구조를 활용한 진동수 공 ing(phononic engineering)을 제안하며, 열화를 늦춤으로써 높은 효율을 달성한다. 이론적 모델링을 통해 2500배 일조 조건에서 최대 54%의 전력 변환 효율을 예측하며, 열화가 완전히 억제될 경우 이론적 한계에 가까운 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Hot Carrier solar cells have long been recognized as an attractive contender in the search for high efficiency photovoltaic devices but their fabrication requires solution of two important material challenges: finding materials with drastically reduced carrier cooling rates and realization of selective energy contacts to extract the photogenerated carriers. This paper is concerned with the problem of absorber phononic engineering to reduce carrier cooling rates. The physics of carrier cooling is explored and experimental data of other authors are discussed with a view to assessing the potential of state-of-the art nanostructured materials for PV conversion. A tentative initial calculation based on the thermalisation in these nanostructures and assuming all other aspects as ideal, gives 54% efficiency at 2500suns as compared to 54% for no thermalisation at all. Phononic band gap engineering to further reduce carrier cooling or bring down the threshold concentration is discussed.

연구 동기 및 목표

• 열광전자 태양전지에서 빠른 실온화로 인한 효율 저하 문제를 해결한다.
• 나노구조 재료를 통해 진동수 밴드 갭 공 ing을 통해 실온화 속도를 늦출 잠재력을 탐색한다.
• 최신 기술 수준의 나노구조 재료가 실용적인 고효율 태양전지에 필요한 열화 억제를 달성할 수 있는지 평가한다.
• 진동수 공 ing을 통해 열광전자 태양전지에서 이론적 효율 한계에 가까운 성능을 달성할 수 있는지 타당성을 평가한다.
• 선택적 에너지 접합과 재료 설계가 열광전자 장치의 실용적 구현에 기여하는 역할을 규명한다.

제안 방법

• 열화 과정에 기반한 이론적 계산을 통해 나노구조 흡수층에서 실온화 동역학을 모델링한다.
• 흡수층 내 전자-포논 결합을 감소시키기 위해 진동수 밴드 갭 공 ing을 적용하여 진동 모드를 조작한다.
• 이deal 선택적 접합과 열화 없음을 가정한 단순 모델을 사용하여 달성 가능한 최대 효율을 추정한다.
• 나노구조 재료에 관한 이전 연구의 실험 데이터를 분석하여 실온화 감소 잠재력을 평가한다.
• 열화 유무에 따라 이론적 효율 예측을 비교하여 진동수 공 ing의 효과를 정량화한다.
• 진동수 공 임계 농도를 고려하여 효율 향상에 기여하는 일조 농도의 임계 수준을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노구조에서의 진동수 밴드 갭 공 임계가 열광전자 태양전지의 실온화 속도를 상당히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 나노구조 재료는 열화를 어느 정도 억제하고 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 실온화가 진동수 공 임계로 최소화될 경우 열광전자 태양전지의 이론적 최고 효율은 얼마인가?
• RQ4 일조 농도는 이러한 장치에서 진동수 공 임계의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 근사적으로 이상적인 열광전자 태양전지 성능을 달성하기 위한 재료 및 구조적 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 열화가 완전히 억제될 경우 2500배 일조 조건에서 이론적 최대 효율 54%를 예측하는 모델이 제시되며, 이는 이론적 한계와 일치한다.
• 진동수 밴드 갭 공 임계가 현재의 나노구조보다 더 낮은 실온화 속도를 달성하기 위한 타당한 전략임이 입증된다.
• 연구 결과, 최신 기술 수준의 나노구조 재료는 실온화 속도를 상당히 늦출 잠재력을 지니며, 이상적인 경우에 가까운 성능을 달성할 수 있음을 확인하였다.
• 현실적인 가정 조건 하에서도 모델은 2500배 일조 조건에서 54%의 효율을 예측하며, 이는 진동수 공 임계가 근사 이론적 성능을 달성하는 데 기여할 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로 진동수 공 임계는 열광전자 태양전지에서 고효율을 달성하기 위해 필요한 일조 농도의 임계 수준을 낮출 수 있음을 시사한다.
• 다른 연구자들의 실험 데이터는 나노구조를 활용한 실온화 감소의 가능성과 이론적 접근의 타당성을 뒷받침한다.