태양 전지 효율은 광전지를 통해 전기로 변환 될 수있는 햇빛의 형태로 에너지의 일부를 지칭합니다.

태양 광 시스템에서 사용되는 태양 전지의 효율은 위도 및 기후와 함께 시스템의 연간 에너지 출력을 결정합니다. 예를 들어 20 %의 효율과 1m2의 면적을 갖는 태양 전지판은 표준 시험 조건에서 200W를 생산하지만, 태양이 하늘에서 높을 때 더 많이 생산할 수 있으며 흐린 조건에서 또는 태양이 낮은 하늘. 5.5kWh / m2 / 일 (또는 230W / m2)의 연간 일사량을받는 중앙 콜로라도에서, 그러한 패널은 연간 440kWh의 에너지를 생산할 것으로 예상됩니다. 그러나 단지 3.8 kWh / m2 / day를받는 미시간에서는 같은 패널에 대해 연간 에너지 생산량이 280 kWh로 떨어질 것입니다. 유럽 ​​북서부의 경우, 남부 잉글랜드에서 연간 175 킬로와트의 에너지 생산량이 상당히 낮다.

셀의 변환 효율 값에는 반사율 효율, 열역학 효율, 전하 캐리어 분리 효율 및 전도 효율 값이 포함됩니다. 이러한 매개 변수는 직접 측정하기가 어려울 수 있으므로 대신 양자 효율, VOC 비율 및 채우기 비율과 같은 다른 매개 변수가 측정됩니다. 반사 손실은 “외부 양자 효율성”에 영향을 미치기 때문에 양자 효율 값으로 계산됩니다. 재조합 손실은 양자 효율, VOC 비율 및 필 팩터 값에 의해 설명됩니다. 저항 손실은 주로 fill factor 값에 의해 설명되지만 양자 효율 및 VOC 비율 값에 기여합니다.

2014 년 12 월 현재 독일의 Fraunhofer ISE와 함께 프랑스 CEA-Leti의 Soitec과 공동으로 개발 한 다중 접합 집광기 태양 전지를 사용하여 46 %의 태양 전지 효율성에 대한 세계 기록을 달성했습니다.

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인
에너지 전환 효율에 영향을 미치는 요소는 1961 년 윌리엄 쇼클리 (William Shockley)와 한스 큐서 (Hans Queisser)의 획기적인 논문에서 다루어졌습니다. 자세한 내용은 쇼클리 – 케서 한계를 참조하십시오.

열역학적 효율 한계 및 무한 – 스택 한계
하나는 온도 Ts에서 열원을 가지고 온도 Tc에서 더 차가운 히트 싱크가있는 경우, 열로 얻은 작업 (또는 전력) 비율에 대한 이론적으로 가능한 최대 값은 카르노 열 엔진에 의해 주어진 1-Tc / Ts입니다 . 우리가 태양의 온도에 대해 6000K를, 지구의 대기 조건에 대해 300K를 취하면 95 %가됩니다. 1981 년 Alexis de Vos와 Herman Pauwels은 무한대 (들어오는 광자에 의해 마주 친 최초의 세포)에서 0까지의 밴드 갭을 가진 무수한 수의 셀을 스택으로 만들 수 있음을 보여 주었고 각 셀의 전압은 매우 가깝습니다 개방 회로 전압까지, 그 셀의 밴드 갭의 95 %와 같으며, 모든 방향에서 오는 6000K 흑체 방사가있다. 그러나 95 %의 효율은 전력이 흡수 된 총 광량의 95 %라는 의미입니다. 스택은 온도가 0이 아니므로 방사선을 방출하며,이 방사선은 방사선을 계산할 때 들어오는 방사선에서 빼야합니다. 전달되는 열량 및 효율. 그들은 또한 6000K 흑체 방사로 모든 ​​방향에서 조명되는 스택의 출력을 최대화하는보다 관련성이 높은 문제를 고려했습니다. 이 경우 전압을 밴드 갭의 95 % 미만으로 낮추어야합니다 (백분율은 모든 셀에서 일정하지 않습니다). 이론적으로 계산 된 최대 효율은 들어오는 집중적 인 햇빛을 사용하여 무한 수의 셀 스택에 대해 86.8 %입니다. 들어오는 방사선이 태양의 크기와 같은 하늘 영역에서만 나오는 경우 효율 한계는 68.7 %로 떨어집니다.

궁극의 효율성
그러나 일반적인 태양 광 발전 시스템은 단지 하나의 p-n 접합부를 가지므로 Shockley와 Queisser가 “궁극적 인 효율”이라고 부르는 효율 한계가 낮습니다. 흡수체 물질의 밴드 갭 아래의 에너지를 지닌 광자는 전자 – 홀 쌍을 생성 할 수 없으므로 이들의 에너지는 유용한 출력으로 변환되지 않고 흡수되면 열을 발생시킵니다. 밴드 갭 에너지 이상의 에너지를 지닌 광자의 경우, 밴드 갭 위의 에너지의 일부만이 유용한 출력으로 변환 될 수 있습니다. 더 큰 에너지의 광자가 흡수 될 때, 밴드 갭 위의 초과 에너지는 캐리어 조합의 운동 에너지로 변환된다. 초과 운동 에너지는 캐리어의 운동 에너지가 평형 속도로 감속함에 따라 포논 상호 작용을 통해 열로 변환됩니다. 전통적인 single-junction 셀의 최대 이론 효율은 33.16 %입니다.

다중 밴드 갭 흡수체 물질을 갖는 태양 전지는 태양 스펙트럼을 각 빈에 대한 열역학적 효율 한계가 더 큰 작은 빈으로 분할함으로써 효율을 향상시킨다.

양자 효율
위에서 설명한대로 광자가 태양 전지에 흡수되면 전자 – 홀 쌍을 생성 할 수 있습니다. 캐리어 중 하나는 p-n 접합부에 도달하여 태양 전지에 의해 생성 된 전류에 기여할 수있다. 그런 운송인은 모아 졌다고한다. 또는 캐리어가 셀 전류에 순 기여없이 재결합합니다.

양자 효율은 셀이 단락 조건 하에서 동작 될 때 전류 (즉, 수집 된 캐리어)로 변환되는 광자의 백분율을 지칭한다. 실리콘 태양 전지의 “외부”양자 효율은 투과 및 반사와 같은 광학 손실의 영향을 포함합니다.

특히 이러한 손실을 줄이기위한 조치를 취할 수 있습니다. 총 입사 에너지의 최대 10 %를 차지할 수있는 반사 손실은 평균 광경로를 수정하는 광 트래핑 방법 인 텍스처 라이징 기술을 사용하여 극적으로 감소 될 수 있습니다.

양자 효율은 스펙트럼 측정 (즉, 광자 파장 또는 에너지의 함수로서)으로 가장 유용하게 표현됩니다. 일부 파장은 다른 것보다 효과적으로 흡수되기 때문에 양자 효율의 스펙트럼 측정은 반도체 벌크 및 표면의 품질에 대한 중요한 정보를 산출 할 수 있습니다. 양자 효율은 태양 전지에 의해 변환되는 전력 비율에 대한 정보를 전달하지 않기 때문에 전체 에너지 변환 효율과 동일하지 않습니다.

최대 전력 점
태양 전지는 광범위한 전압 (V) 및 전류 (I)에서 작동 할 수 있습니다. 조사 된 셀의 저항 부하를 제로 (단락 회로)에서 매우 높은 값 (개방 회로)으로 연속적으로 증가시킴으로써 V × I을 최대화하는 최대 전력 점을 결정할 수있다. 즉 세포가 그 수준의 조사에서 최대 전력을 전달할 수있는 하중. (단락 회로와 개방 회로 극단 모두에서 출력 전력은 0입니다.)

25 ° C 셀 온도에서 고품질의 단결정 실리콘 태양 전지는 0.60 V 개방 회로 (VOC)를 생성 할 수 있습니다. 25 ° C의 대기 온도에서도 태양 광선이 닿는 셀 온도는 45 ° C에 가까워 세포 당 0.55V의 개방 회로 전압을 감소시킵니다. 단락 전류가 가까워 질 때까지 (ISC)이 유형의 셀에서는 전압이 완만하게 떨어집니다. 최대 전력 (45 ° C 셀 온도)은 일반적으로 개방 회로 전압의 75 % ~ 80 % (이 경우 0.43V)와 단락 전류의 90 %로 생성됩니다. 이 출력은 VOC x ISC 제품의 최대 70 %까지 가능합니다. 셀의 단락 전류 (ISC)는 조명에 거의 비례하지만, 개방 회로 전압 (VOC)은 조명이 80 % 감소하면 10 % 만 떨어질 수 있습니다. 저품질 전지는 전류가 증가함에 따라 전압 강하가 더 빠르며 1/2 ISC에서 1/2 VOC 만 생성 할 수 있습니다. 따라서 사용 가능한 전력 출력은 VOC x ISC 제품의 70 %에서 50 % 또는 심지어 25 %까지 떨어질 수 있습니다. 부하 곡선을주지 않고 VOC x ISC로만 태양 전지 “전력”을 평가하는 공급 업체는 실제 성능을 심각하게 왜곡 할 수 있습니다.

광전지의 최대 전력 점은 입사 조명에 따라 다릅니다. 예를 들어, 광전지 패널에 먼지가 쌓이면 최대 전력 점이 감소합니다. 여분의 비용을 정당화 할만큼 충분히 큰 시스템의 경우, 최대 전력 점 추적기는 전압과 전류 (따라서 전력 전송)를 지속적으로 측정하여 순간 전력을 추적하고이 정보를 사용하여 동적으로 부하를 조정하므로 최대 전력이 항상 전송됩니다 조명의 변화에 ​​관계없이

채우기 요소
태양 전지의 전반적인 거동에서 또 다른 정의 용어는 채우기 인자 (FF)입니다. 이 요소는 태양 전지의 품질 측정 값입니다. 최대 전력 점 (Pm)에서 사용 가능한 전력을 개방 회로 전압 (VOC) 및 단락 전류 (ISC)로 나눈 값입니다.

채우기 비율은 IV 스위프로 그래픽으로 표시 할 수 있습니다. 여기서 IV 스위프는 다양한 직사각형 영역의 비율입니다.

채우기 비율은 셀 시리즈의 값, 션트 저항 및 다이오드 손실의 영향을 직접받습니다. 션트 저항 (Rsh)을 높이고 직렬 저항 (Rs)을 낮추면 충전 계수가 높아져 효율이 높아져 셀의 출력 전력이 이론상의 최대 값에 가깝게됩니다.

일반적인 fill factor의 범위는 50 %에서 82 %입니다. 일반 실리콘 PV 셀의 필 팩터는 80 %입니다.

비교
에너지 변환 효율은 전기 출력을 입사광 전력으로 나누어 측정합니다. 출력에 영향을 미치는 요소에는 분광 분포, 전력, 온도 및 저항 부하의 공간 분포가 포함됩니다. IEC 표준 61215는 세포의 성능을 비교하는 데 사용되며 표준 (육지, 온화) 온도 및 조건 (STC) : 1 kW / m2의 방사능, AM (공기 질량) 1.5를 통한 태양 복사에 가까운 스펙트럼 분포 및 셀 온도 25 ° C. 저항 부하는 피크 또는 최대 전력 점 (MPP)이 달성 될 때까지 변경됩니다. 이 시점의 전력은 와트 피크 (Wp)로 기록됩니다. 동일한 표준이 PV 모듈의 전력 및 효율을 측정하는 데 사용됩니다.

공기 질량은 출력에 영향을줍니다. 대기가없는 공간에서, 태양의 스펙트럼은 상대적으로 필터링되지 않습니다. 그러나 지구상의 공기는 들어오는 빛을 필터링하여 태양 스펙트럼을 변화시킵니다. 필터링 효과는 공간의 공기 질량 0 (AM0)에서 지구의 공기 질량 1.5에 이릅니다. 문제의 태양 전지의 양자 효율로 스펙트럼 차이를 곱하면 효율이 산출됩니다. 육상 효율은 일반적으로 공간 효율보다 큽니다. 예를 들어, 공간에있는 실리콘 태양 전지는 AM0에서 14 %의 효율을 가질 수 있지만 AM 1.5에서는 지구에서 16 %의 효율을 가질 수 있습니다. 그러나 공간에서의 포톤 광자 수가 상당히 많기 때문에 포획 된 총 입사 에너지의 감소 된 백분율로 표시되는 것처럼 효율이 낮더라도 태양 전지는 공간에서 훨씬 많은 전력을 생산할 수 있습니다.

태양 전지 효율은 비정질 실리콘 기반 태양 전지의 경우 6 %에서 다중 접합 생산 셀의 경우 44.0 %까지, 하이브리드 패키지로 조립 된 다중 다이의 경우 44.4 %까지 다양합니다. 상업적으로 이용 가능한 다결정 실리콘 태양 전지의 태양 전지 에너지 변환 효율은 약 14-19 %입니다. 효율성이 가장 높은 셀이 항상 경제적 인 것은 아닙니다. 예를 들어, 갈륨 비소 또는 저 부피의 인듐 셀레 나이드와 같은 외래 물질을 기반으로 한 30 % 효율의 다결정 셀은 8 %의 효율적인 비정질 실리콘보다 100 배의 비용이들 것입니다 셀을 대량 생산할 수 있으며 출력량은 약 4 배에 불과합니다.

그러나 태양 에너지를 “밀어 올리는”방법이 있습니다. 광 강도를 증가시킴으로써, 일반적으로 광 생성 캐리어가 증가되어 효율을 최대 15 %까지 증가시킵니다. 이러한 소위 “집중 장치 시스템”은 고효율 GaAs 셀 개발의 결과로 비용 경쟁력이되기 시작했습니다. 강도의 증가는 일반적으로 집중 광학을 사용하여 수행됩니다. 전형적인 농축기 시스템은 태양의 6-400 배의 광도를 사용하고 AM 1.5 ~ 35 %에서 1 태양 GaAs 셀의 효율을 31 %에서 증가시킬 수 있습니다.

경제적 비용을 표현하는 데 사용되는 일반적인 방법은 제공된 kWh 당 가격을 계산하는 것입니다. 이용 가능한 조사와 결합 된 태양 전지 효율은 비용에 큰 영향을 미치지 만 일반적으로 전반적인 시스템 효율은 중요합니다. 상업적으로 이용 가능한 태양 전지 (2006 년 기준)는 5 ~ 19 %의 시스템 효율에 도달했습니다.

도핑되지 않은 결정질 실리콘 소자는 29.43 %의 이론적 한계 효율에 접근하고있다. 2017 년에 26.63 %의 효율이 셀 후면에 양극 및 음극 접점을 배치하는 비정질 실리콘 / 결정질 실리콘 헤테로 접합 셀에서 달성되었습니다.

에너지 환원
에너지 회수 시간은 현대 태양 광 모듈 제조에 소비 된 에너지를 생성하는 데 필요한 복구 시간으로 정의됩니다. 2008 년에는 모듈 유형 및 위치에 따라 1 년에서 4 년 사이 인 것으로 추산되었습니다. 20-30 년의 전형적인 수명을 갖는 이것은 현대 태양 전지가 순수한 에너지 생산자가 될 것이라는 것을 의미한다. 즉, 태양 전지를 생산하는 데 소비되는 에너지보다 일생 동안 더 많은 에너지를 생성한다. 일반적으로 박막 기술은 비교적 낮은 변환 효율을 가지고 있음에도 불구하고 기존 시스템보다 에너지 회수 기간이 현저히 짧습니다 (종종 1 년 미만).

2013 년에 발표 된 연구에 따르면 에너지 회수 기간이 0.75 ~ 3.5 년이며 박막 셀이 하단에 있고 다중 si 셀에 1.5-2.6 년의 회수 기간이있는 것으로 나타났습니다. 2015 년 리뷰는 태양 광전지의 에너지 회수 시간과 EROI를 평가했습니다. 1700 kWh / m2 / 년의 일사량과 30 년의 시스템 수명을 사용하는이 메타 연구에서 평균 8.7과 34.2 사이의 조화 된 EROI가 발견되었습니다. 평균화 된 에너지 회수 기간은 평균 1.0 년에서 4.1 년으로 다양합니다. 결정질 실리콘 소자는 평균 2 년의 에너지 회수 기간을 달성합니다.

다른 모든 기술과 마찬가지로 태양 전지 제조는 복잡한 글로벌 산업 생산 시스템의 존재에 의존하고 전제합니다. 이것은 제조 에너지의 추정에 일반적으로 설명 된 제조 시스템뿐만 아니라 금융, 정보 및 보안 시스템을 포함한 기타 에너지 집약적 인 중요한 지원 시스템뿐만 아니라 우발적 인 광업, 정제 및 글로벌 운송 시스템을 포함합니다. 그 에너지 구성 요소의 불확실성은 그 추정치로부터 도출 된 어떤 투자 회수 기간의 추정치에 대한 불확실성을 부여하며, 일부는 중요하다고 간주한다.

효율성을 향상시키는 기술적 방법

최적의 투명 도체 선택
일부 유형의 태양 전지, 즉 박막의 조명면에는 빛이 활성 물질에 들어가고 생성 된 전하 캐리어를 수집 할 수 있도록 투명 전도성 필름이 있습니다. 전형적으로, 인듐 주석 산화물, 전도성 중합체 또는 전도성 나노 와이어 네트워크와 같이 높은 투과율 및 높은 전기 전도도를 갖는 필름이이 목적을 위해 사용된다. 높은 투과율과 전기 전도도 사이에는 트레이드 오프 (trade-off)가 존재하므로 전도성 나노 와이어 또는 전도 네트워크 구조의 최적 밀도가 고효율을 위해 선택되어야합니다.

가시 광선에서 빛의 산란 촉진
셀의 수광 표면을 나노 크기의 금속 스터드로 라이닝함으로써 셀의 경사각에서 빛이 스터드에서 반사되어 빛이 지나가는 경로의 길이를 늘리면 셀의 효율을 크게 높일 수 있습니다 따라서 세포에 의해 흡수 된 광자의 수를 증가시키고, 또한 생성 된 전류의 양을 증가시킨다.

나노 스터드에 사용되는 주요 재료는은, 금, 알루미늄입니다. 그러나 금과은은 태양 광에 존재하는 대부분의 에너지를 포함하는 가시 광선에서 많은 빛을 흡수하여 세포에 도달하는 빛의 양을 줄임으로써 매우 효율적이지 않습니다. 반면에 알루미늄은 자외선을 흡수하고 가시 광선과 적외선을 모두 반사하므로 에너지 손실이 최소화됩니다. 따라서 알루미늄은 실험실 조건에서 최대 22 %까지 세포의 효율을 증가시킬 수 있습니다.

복사 냉각
약 1 ° C의 태양 전지 온도 증가는 약 0.45 %의 효율 감소를 초래합니다. 가열로 인한 효율 저하를 막기 위해 가시적으로 투명한 실리카 결정 층을 태양 전지 패널에 적용 할 수 있습니다. 실리카 층은 적외선 복사열로 열을 발산하는 열 흑색 체로 작용하여 최대 13 ° C까지 전지를 냉각시킵니다.

반사 방지 코팅 및 텍스처
반사 방지 코팅은 태양으로부터의 입사광의 파동을 더욱 파괴적으로 방해 할 수 있습니다. 따라서 모든 햇빛은 광전지로 전달 될 것입니다. 반사 된 빛이 표면에 다시 닿도록 태양 전지의 표면을 변경하는 텍스처 라이팅 (texturizing)은 반사를 줄이기 위해 사용되는 또 다른 기술입니다. 이러한 표면은 에칭 또는 리소그래피를 사용하여 만들 수 있습니다. 전면을 텍스처링하는 것 외에도 평평한 뒷면을 추가하면 더 긴 광학 경로 길이를 위해 셀 내에 빛을 포착하는 데 도움이됩니다.

후면 표면 패시베이션
대량 생산을 위해 태양 전지 전면에 많은 개선이 이루어졌지만 알루미늄 후면은 효율성 향상을 막고 있습니다. 많은 태양 전지의 효율은 이른바 패시베이션 된 에미 터 및 후방 전지 (PERC)를 생성함으로써 이익을 얻었습니다. 실리콘 질화물 막으로 덮인 얇은 실리카 또는 알루미늄 산화물 막으로 또한 제조 된 후면 유전체 패시베이션 층 스택의 화학 증착은 실리콘 태양 전지의 효율을 1 % 이상 개선 시키는데 도움이된다. 이것은 상용 Cz-Si 웨이퍼 재료의 셀 효율을 20.2 %까지 증가시키고 준 모노 -Si의 셀 효율을 19.9 %까지 증가시키는 데 도움이됩니다.

박막 재료
박막 재료는 기술의 기존 구조 및 프레임 워크에 대한 낮은 비용 및 적응성 측면에서 태양 전지에 대한 많은 가능성을 보여줍니다. 그러나, 재료는 매우 얇기 때문에, 벌크 재료 태양 전지가 갖는 광 흡수가 부족하다. 이 문제를 해결하려는 시도가 시도되었지만 박막 표면 재조합에 더 중점을 두었습니다. 이것이 나노 스케일 박막 태양 전지의 지배적 인 재조합 공정이기 때문에 효율이 중요합니다. 패시베이션이되는 실리콘 이산화물 층을 추가하면 재조합을 줄일 수 있습니다.