[논문 리뷰] Ultra-Efficient Thermophotovoltaics Exploiting Spectral Filtering by the Photovoltaic Band-Edge

Vidya Ganapati, T. Patrick Xiao외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 10.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 초효율 열광전지(TPV)가 광전지 밴드 에지(band-edge)를 천연 스펙트럼 필터로 활용하고, 고반사성 뒷거울을 통해 저밴드갭 광자를 재순환시켜 50%를 초월하는 효율을 달성할 수 있음을 입증한다. 이 돌파구는 고효율 GaAs 태양전지의 발전에서 비롯되며, 저밴드갭 복사에 대해 98%의 뒷반사율을 가지는 것으로, 1200 °C의 열원에서 49.9%의 TPV 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Thermophotovotaics convert thermal radiation from local heat sources to electricity. A new breakthrough in creating highly efficient thin-film solar cells can potentially enable thermophotovoltaic systems with unprecedented high efficiency. The current 28.8% single-junction solar efficiency record, by Alta Devices, was achieved by recognizing that a good solar cell needs to reflect infrared band-edge radiation at the back surface, to effectively recycle infrared luminescent photons. The effort to reflect band-edge luminescence in solar cells has serendipitously created the technology to reflect all infrared wavelengths, which can revolutionize thermophotovoltaics. We have never before had such high back reflectivity for sub-bandgap radiation, permitting step-function spectral control for the first time. Thus, contemporary efficiency advances in solar photovoltaic cells create the possibility of realizing a $>50\%$ efficient thermophotovoltaic system.

연구 동기 및 목표

• 광전지 밴드 에지를 통해 스펙트럼 필터링을 활용하여 50%를 초월하는 열광전지 시스템을 가능하게 하기.
• 기존 TPV 시스템에서 방출체의 방출도와 광전지 흡수도를 일치시키는 과제를 극복하기.
• 특히 뒷면 반사율 향상에 기여한 고효율 박막 태양전지의 최근 발전을 열광전지 응용에 활용하기.
• 광전지의 밴드 에지와 뒷거울이 자가정렬형 단계함수 스펙트럼 필터로 작용할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 광전지 밴드 에지를 자연스러운 스펙트럼 필터로 활용하여, 밴드 갭을 초과하는 광자는 흡수하고, 저밴드갭 광자는 반사하도록 한다.
• 비흡수된 저밴드갭 광자를 열원으로 다시 되돌리기 위해 고반사성 뒷거울(R > 98%)을 도입한다.
• 밴드 갭이 약 0.8 eV인 단일 접합 InGaAs 셀을 사용하여 열광전지 시스템을 모델링하고, 20 °C에서 작동하도록 한다.
• 비방사성 재결합과 전면 흡수도의 균형을 맞추기 위해 셀 두께(L = 1.5 μm)를 최적화하여 외부 발광 효율을 극대화한다.
• 재결합 손실을 평가하고 성능을 최적화하기 위해 Shockley-Read-Hall 및 Auger 재결합 모델(Eq. 14)을 적용한다.
• 이deal 스펙트럼 일치와 고반사율을 가정하여, 1200 °C의 열방출체에서 시스템 효율을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광전지 밴드 에지만으로도 열광전지 시스템에서 효과적인 스펙트럼 필터로 기능할 수 있는가?
• RQ2 저밴드갭 복사에 대한 고반사율이 열광전지 효율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 근원적 반사율이 1에 가까운 경우, 저밴드갭 광자를 재순환할 때 이론적 최대 효율은 얼마인가?
• RQ4 셀 두께는 열광전지 시스템에서 재결합 손실과 광자 흡수 간의 상충 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 고효율 태양전지 기술이 >50% 효율의 열광전지 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 98%의 뒷반사율을 가지는 1.5 μm 두께의 InGaAs 셀은 외부 발광 효율 31.9%를 달성하여, 가정된 30% 효율을 검증한다.
• 단절 전류는 단계함수 흡수체의 이상적 값의 97%에 도달하여, 밴드 갭을 초과하는 광자의 거의 완전한 흡수를 나타낸다.
• 1200 °C의 열원에서 시스템은 열광전지 변환 효율 49.9%를 달성한다.
• 저밴드갭 광자를 99% 재순환할 경우, 이상적인 스펙트럼 필터링을 가정할 때 이론적 효율 한계는 약 50%에 가까워진다.
• 광전지 밴드 에지와 뒷거울 조합은 자동 스펙트럼 정렬을 제공하여, 복잡한 설계된 방출체가 필요 없게 한다.
• GaAs 태양전지에서 저밴드갭 반사율이 우연히 향상된 것은, 이동 부품 없이도 확장 가능하고 고효율의 열광전지 솔루션을 가능하게 한다.