[논문 리뷰] Practical development of efficient thermoelectric – Photovoltaic hybrid systems based on wide-gap solar cells

Bruno Lorenzi, Paolo Mariani외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 55인용 수 62

한 줄 요약

이 연구는 맞춤형 비スマ스륨 텔루라이드 열전발전기(TEGs)를 광간섭역대 태양전지와 조합한 열적으로 결합되고 전기적으로 분리된 하이브리드 열전-태양전지(HTEPV) 시스템을 제안하고 실험적으로 검증한다. 실운영 조건에서 페르로스카이트 태양전지의 최대 효율 향상은 +3.1% (16.4%에서 19.5%로)를 기록하며, 태양전지 손실에서 발생하는 열을 회수함으로써 성능 향상이 뚜렷하게 이루어짐을 입증한다.

ABSTRACT

The decrease of solar cell efficiency with temperature is a known problem for photovoltaics (PV). Temperature sensitivity can lead to a considerable amount of energy losses over the lifetime of solar panels. In this perspective Hybrid Thermoelectric-Photovoltaic (HTEPV) systems, which recover solar cell heat losses to produce an additional power output, can be a suitable option. However only hybridization of wide-gap solar cells is convenient in terms of efficiency gains and deserves investigation to evaluate HTEPV devices effectiveness. In this work we report the modeling and the development of customized bismuth telluride thermoelectric generators, optimized to be hybridized with amorphous silicon (aSi), Gallium Indium Phosphide (GaInP) or Perovskites solar cells. The model results showed in all three cases efficiency gains with a maximum of +3.1% for Perovskites (from 16.4% to 19.5%). These enhancements were then experimentally validated for the case of Perovskites solar cells, for which maximum gains were found to occur at typical operating temperatures of conventional PVs. This experimental evaluation demonstrated in an accurate fashion the real potential of thermoelectric hybridization of solar cells.

연구 동기 및 목표

• 광간섭역대 태양전지를 열전발전기(TEGs)와 융합시켜 효율을 향상시키는 것이 가능한지 평가하기.
• 아모르포스 실리콘(aSi), GaInP, 페르로스카이트 태양전지와의 열적 결합을 고려해 TEG 설계를 모델링하고 최적화하기.
• 페르로스카이트 태양전지를 중심으로 하이브리드 HTEPV 시스템의 이론적 예측된 효율 향상 정도를 실험적으로 검증하기.
• 실세계 운영 조건에서 열전하이브리드 기술의 실용적 잠재력을 입증하기.

제안 방법

• 온도, 광학 농도, 냉각 조건에 따른 HTEPV 시스템 효율을 예측하기 위한 이론적 모델을 개발하였다.
• 더 낮은 온도 민감도와 더 높은 효율 향상 잠재력으로 인해 모델링 결과 페르로스카이트 태양전지를 최적의 PV 재료로 선정하였다.
• 태양전지 뒷면과의 열적 접촉을 최적화하기 위해 맞춤형 비スマ스륨 텔루라이드 기반 TEG를 설계 및 제작하였다.
• 다양한 온도, 광학 농도, 대기압, 냉각면 냉각 조건에서 HTEPV 시스템의 실험적 특성을 측정하였다.
• 히스테리시스 영향을 최소화하기 위해 안정된 출력 측정을 사용하여 페르로스카이트 태양전지의 효율을 정확히 평가하였다.
• 다양한 운영 조건에서 이론적 효율 향상 정도와 실험 결과를 비교하여 모델 예측을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열전 하이브리드 기술이 광간섭역대 태양전지, 특히 페르로스카이트의 효율을 뚜렷이 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 아모르포스 실리콘(aSi), GaInP, 또는 페르로스카이트 중에서 TEG와 융합했을 때 가장 높은 효율 향상을 보이는 광간섭역대 태양전지는 무엇인가?
• RQ3 열적으로 결합된 HTEPV 시스템에서 효율 향상을 극대화하기 위한 최적의 TEG 설계는 무엇인가?
• RQ4 실세계 운영 조건(온도, 광학 농도, 냉각)이 HTEPV 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험 결과가 효율 향상에 대한 이론적 예측을 어느 정도 확인하는가?

주요 결과

• 이론적 모델은 최적 조건에서 페르로스카이트 태양전지의 최대 효율 향상이 +3.1%로, 16.4%에서 19.5%로 증가함을 예측하였다.
• 실험적 검증을 통해 이론적 예측이 확인되었으며, 페르로스카이트 태양전지를 사용한 HTEPV 시스템에서 측정 가능한 뚜렷한 효율 향상이 이루어짐을 입증하였다.
• 효율 향상의 최대치는 기존 태양전지 시스템의 일반적인 운영 온도에서 발생하여 실용적 의미를 지닌다.
• 낮은 온도 민감도와 높은 열 회수 잠재력으로 인해 페르로스카이트 태양전지에 대해 열전 하이브리드 전략이 가장 효과적이었다.
• 이 연구는 열적으로 결합되고 전기적으로 분리된 HTEPV 시스템이 광학적으로 결합된 구성보다 태양전지 손실에서 발생하는 열 손실을 더 효과적으로 회수함으로써 더 높은 성능을 발휘함을 확인하였다.
• 결과적으로 광간섭역대 태양전지, 특히 페르로스카이트를 기반으로 한 HTEPV 시스템은 실용적인 에너지 수확 응용 분야에서 높은 잠재력을 지닌다는 것을 입증하였다.