[논문 리뷰] Ultraviolet and Near-Infrared Dual Band Selective-Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators

Chenchen Yang, Wei Sheng외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 20.

Photochemistry and Electron Transfer Studies참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 인도성 나노클러스터와 형광 유기 분자를 이용해 자외선(UV)과 근적외선(NIR) 빛을 선택적으로 수확하는 이중 대역 투명 발광 태양광 집광기(TLSC)를 제시한다. 이는 평균 가시광 투과도(AVT) 75% 이상을 유지하면서도 전력 변환 효율(PCE)이 3%를 초과하여, 빛 이용 효율(PCE × AVT = 2.6) 기준으로 기존 투명 태양전지의 실용적 한계를 뛰어넘는 신규 기준을 설정한다.

ABSTRACT

Visibly transparent luminescent solar concentrators (TLSCs) can optimize both power production and visible transparency by selectively harvesting the invisible portion of the solar spectrum. Since the primary applications of TLSCs include building envelopes, greenhouses, automobiles, signage, and mobile electronics, maintaining aesthetics and functionalities is as important as achieving high power conversion efficiencies (PCEs) in practical deployment. In this work, we combine massive-downshifting phosphorescent nanoclusters and fluorescent organic molecules into a TLSC system as ultraviolet (UV) and near-infrared (NIR) selective-harvesting luminophores, respectively, demonstrating UV and NIR dual-band selective-harvesting TLSCs with PCE over 3%, average visible transmittance (AVT) exceeding 75% and color metrics suitable for the window industry. With distinct wavelength-selectivity and effective utilization of the invisible portion of the solar spectrum, this work reports the highest light utilization efficiency (PCE x AVT) of 2.6 for a TLSC system, the highest PCE of any transparent photovoltaic device with AVT greater than 70%, and outperforms the practical limit for non-wavelength-selective transparent photovoltaics.

연구 동기 및 목표

• 창문과 모바일 기기와 같은 실제 응용 분야에서 높은 미적 및 기능적 성능을 유지도할 수 있는 시각적으로 투명한 발광 태양광 집광기(TLSC)를 개발하는 것.
• 투명 태양전지에서 전력 변환 효율(PCE)과 가시광 투과도 간의 상충 관계를 극복하기 위해 비가시 태양 스펙트럼 대역을 선택적으로 수확하는 것.
• UV 및 NIR 선택성 있는 루미노포어를 하나의 TLSC 플랫폼에 통합하여 높은 빛 이용 효율(PCE × AVT)을 달성하는 것.
• 비파장 선택성 투명 태양전지의 실용적 한계를 초월하는 PCE 및 AVT 성능을 보여주는 TLSC 시스템을 구현하는 것.
• 광학적 명도나 색상 품질을 훼손하지 않으면서 건물 외벽, 온실, 소비자 전자기기 등에 태양 에너지 수확 기술을 실현 가능하게 통합하는 것.

제안 방법

• TLSC 플랫폼은 자외선(UV) 빛 수확을 위한 대량 감소형 인도성 나노클러스터와 근적외선(NIR) 빛 수확을 위한 형광 유기 분자를 통합한다.
• 시스템은 UV 및 NIR 광자를 흡수하고 가시광을 통과시키는 파장 선택성 루미노포어를 활용하여 높은 평균 가시광 투과도(AVT)를 유지한다.
• 루미노포어에 의해 흡수된 광자는 더 긴 파장으로 재방출되며, 총내부 반사에 의해 기기 가장자리에 위치한 태양전지로 유도된다.
• 두 루미노포어의 고유한 발광 스펙트럼을 활용하여 스펙트럼 겹침을 최소화하고 두 개의 비가시 파장 대역에서 에너지 수확을 극대화한다.
• 재흡수 손실을 최소화하고 웨이브가이드 내부에서 빛 경로를 최적화하기 위해 광학 및 광학적 특성을 설계한다.
• 표준 산업 기준을 활용해 색상 지표와 투과도를 평가하여 창문 및 디스플레이 응용 분야에 적합한지 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적 UV 및 NIR 수확을 통해 높은 전력 변환 효율(PCE)을 달성하면서도 높은 가시광 투과도를 유지할 수 있는 투명 발광 태양광 집광기(TLSC)가 가능한가?
• RQ2 이중 대역 선택적 수확 TLSC 시스템에서 달성 가능한 최대 빛 이용 효율(PCE × AVT)은 얼마인가?
• RQ3 이중 대역 수확이 단일 대역 또는 비선택적 수확에 비해 성능 및 실용 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 인도성 나노클러스터와 형광 분자의 통합이 동시에 고 PCE와 고 AVT를 달성하는 데 기여하는가?
• RQ5 이러한 접근 방식이 비파장 선택성 투명 태양전지의 이론적 성능 한계를 초월하는가?

주요 결과

• TLSC는 3%를 초과하는 전력 변환 효율(PCE)을 달성하여, 가시광 투과도 70% 이상을 유지하는 모든 투명 태양전지 중에서 보고된 바 가장 높은 PCE를 기록했다.
• 시스템은 75%를 초과하는 평균 가시광 투과도(AVT)를 유지하여 창문 및 디스플레이 응용 분야에 적합한 높은 광학 명도를 확보했다.
• 빛 이용 효율(PCE × AVT)은 2.6에 도달하여, 현재까지 보고된 바 가장 높은 수치를 기록했다.
• 이중 대역 수확 전략은 가시광 투과도에 영향을 최소화하면서도 태양 스펙트럼의 UV 및 NIR 부분을 효과적으로 활용하였다.
• 기기의 색상 지표는 창업 산업에서 적합한 것으로 평가되어 실제 건축 및 소비자 응용 분야와의 호환성을 시사했다.
• 이 시스템은 비파장 선택성 투명 태양전지의 실용적 성능 한계를 초월하여 고효율 투명 태양 에너지 수확의 실현 가능성을 입증했다.