현재 전세계 대학 및 연구 기관의 태양 광 분야에서 많은 연구 그룹이 활동하고 있습니다. 이 연구는 다음 3 가지 영역으로 분류 할 수 있습니다 : 현재 기술 태양 전지를 저렴하고 효율적으로 다른 에너지 원과 효과적으로 경쟁하게하는 것; 새로운 태양 전지 건축 설계에 기반한 신기술 개발; 광 에너지에서부터 전류 또는 광 흡수체 및 전하 운반체에 이르기까지보다 효율적인 에너지 변환 장치로 사용될 새로운 물질을 개발하고 있습니다.

실리콘 가공
비용을 줄이는 한 가지 방법은 충분히 순수한 실리콘을 얻는 저렴한 방법을 개발하는 것입니다. 실리콘은 매우 일반적인 요소이지만 일반적으로 실리카 또는 규사로 묶여 있습니다. 실리콘을 생산하기 위해 실리카 (SiO2)를 처리하는 것은 매우 높은 에너지 공정입니다. 현재의 효율에서, 기존의 태양 전지가 포함하는 실리콘을 만드는데 사용 된 에너지를 생산하는 데 1 ~ 2 년이 걸립니다. 보다 에너지 효율적인 합성 방법은 태양 산업뿐만 아니라 실리콘 기술을 둘러싼 산업 전반에 도움이됩니다.

현재 실리콘 생산은 1700 ° C 주변의 탄소 (숯)와 실리카 사이의 반응을 통해 이루어진다. 탄화수소 환원으로 알려진이 공정에서 약 1.5 톤의 이산화탄소 배출로 실리콘 1 톤 (야금 등급, 약 98 % 순수)이 생성됩니다.

고형 실리카는 비교적 약한 온도 (800 ~ 900 ° C)에서 용융 염 욕에서 전기 분해에 의해 직접 순수 실리콘으로 전환 (감소) 될 수 있습니다. 이 새로운 공정은 원칙적으로 1996 년 후반에 처음 발견 된 FFC 케임브리지 공정과 동일하지만 재미있는 실험실 연구 결과는 그러한 전해질 실리콘이 다공성 실리콘 형태로되어있어 입자 크기 따라서 수천 마이크로 미터의 태양 전지 기술을 개발할 수있는 새로운 기회를 제공 할 수 있습니다.

또 다른 접근법은 사용되는 실리콘의 양을 줄이고 비용을 줄이는 것이고, 웨이퍼를 매우 얇고 실질적으로 투명한 층으로 미세 가공하여 투명한 건축용 피복재로 사용할 수 있습니다. 이 기술은 전형적으로 1 내지 2 ㎜ 두께의 실리콘 웨이퍼를 취하여 웨이퍼 전체에 다수의 평행 한 횡단 슬라이스를 형성하여 50 마이크로 미터의 두께 및 원래 웨이퍼. 이 조각들은 원래의 웨이퍼의면에 해당하는면이 슬라이 버의 모서리가되도록 90도 회전됩니다. 그 결과, 예를 들어, 측면 당 약 175 cm2의 노출 된 실리콘 표면적을 갖는 150 mm 직경의 2 mm 두께의 웨이퍼를 100 mm × 2 mm × 0.1 mm의 치수를 갖는 약 1000 개의 슬라이 버로 변환하여 총 한 면당 약 2000 cm2의 노출 된 실리콘 표면적. 이러한 회전의 결과로서, 웨이퍼 표면 상에 존재하는 전기 도핑 및 컨택트는 통상적 인 웨이퍼 셀의 경우와 같이 전방 및 후방이 아니라 슬라이 버의 에지에 위치한다. 이것은 셀의 앞면과 뒷면 (양면으로 알려진 속성)에서 셀을 민감하게 만드는 흥미로운 효과가 있습니다. 이 기술을 사용하면 동일한 전력 출력의 기존 모듈에 필요한 약 60 웨이퍼에 비해 한 실리콘 웨이퍼로 140 와트 패널을 만들 수 있습니다.

나노 결정 태양 전지
이러한 구조는 동일한 박막 광 흡수 재료를 사용하지만, 내부 반사를 증가시키기 위해 매우 높은 표면적을 갖는 전도성 중합체 또는 메조 포러스 금속 산화물의지지 매트릭스 상에 극히 얇은 흡수제로서 중첩된다 (따라서 확률을 증가시킨다 광 흡수). 나노 결정을 사용하면 전형적인 엑시톤 확산 길이 인 나노 미터 길이의 구조를 설계 할 수 있습니다. 특히, 단일 나노 결정 ( ‘채널’) 장치, 전극 사이의 단일 p-n 접합 어레이 및 확산 길이의 기간에 의해 분리 된 장치는 태양 전지에 대한 새로운 구조 및 잠재적으로 높은 효율을 나타낸다.

박막 가공
박막 광전지는 웨이퍼 기반 태양 전지에 비해 고가의 원재료 (실리콘 또는 기타 광 흡수재)를 1 % 미만으로 사용할 수있어 와트 피크 용량 당 가격이 현저히 떨어집니다. 전 세계적으로 다양한 박막 접근법 및 / 또는 재료를 적극적으로 연구하는 많은 연구 그룹이 있습니다.

특히 유망한 기술 중 하나는 유리 기판상의 결정질 실리콘 박막입니다. 이 기술은 박막 방식의 비용 절감으로 태양 전지 소재 (풍부, 무독성, 고효율, 장기 안정성) 인 결정질 실리콘의 장점을 결합합니다.

박막 태양 전지의 또 다른 흥미로운 점은 유연한 기판 (예 : PET)을 비롯한 모든 종류의 재료에 셀을 증착 할 수 있다는 점입니다. 이는 새로운 응용 분야에 새로운 차원을 열었습니다.

변성 다 접합 태양 전지
2014 년 12 월 현재 독일의 Fraunhofer ISE와 함께 프랑스 CEA-Leti의 Soitec과의 협력을 통해 개발 된 다중 접합 집광기 태양 전지를 사용하여 46 %의 태양 전지 효율성에 대한 세계 기록을 달성했습니다.

국립 신 재생 에너지 연구소 (NREL)는 태양 에너지를 기록 효율로 전환시키는 초경량의 유연한 셀인 Metamorphic Multijunction 태양 광 전지에 대해 R & D Magazine의 R & D 100 상을 수상했습니다.

초경량의 고효율 태양 전지는 NREL에서 개발되었으며 앨버 커키의 커틀 랜드 공군 기지 (Cirtland Air Force Base) 공군 연구소의 우주 비행 연구소 (Air Vehicle Research Laboratories Space Vehicles Directorate)와 공동으로 뉴 멕시코 주 앨버 커키 (Albuquerque, N.M.)의 Emcore Corp.에서 상용화 중이다.

그것은 성능, 엔지니어링 설계, 운영 및 비용면에서 분명한 이점을 가진 새로운 종류의 태양 전지를 대표합니다. 수십 년 동안, 종래의 셀은 유사한 결정 구조를 갖는 반도체 성 재료의 웨이퍼를 특징으로했다. 성능과 비용 효율성은 셀을 직립형으로 성장시킴으로써 제한됩니다. 그 사이에, 세포는 게르마늄으로 만든 바닥층으로 딱딱하고 무겁고 두껍습니다.

새로운 방법에서는 세포가 거꾸로 자랍니다. 이 레이어는 특히 전원의 대부분이 생산되는 셀의 상위 레이어에서 매우 높은 품질의 크리스털로 고 에너지 재료를 사용합니다. 모든 레이어가 원자 간격의 격자 패턴을 따르는 것은 아닙니다. 그 대신, 세포는 태양 공간의 더 큰 흡수와 사용을 허용하는 모든 범위의 원자 간격을 포함합니다. 두껍고 단단한 게르마늄 층이 제거되어 셀의 비용과 무게의 94 %가 감소합니다. 기존의 접근 방법을 머리 위로 돌리면 결과적으로 초경량의 유연한 셀이 형성되어 기록 효율 (326 태양 농도에서 40.8 %)으로 태양 에너지를 변환합니다.

고분자 가공
전도성 고분자 (Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid 및 Hideki Shirakawa가 노벨상을 수상한)의 발명은 값싼 플라스틱을 기반으로 훨씬 저렴한 전지를 개발할 수 있습니다. 그러나 유기 태양 전지는 일반적으로 자외선에 노출되면 열화되어 수명이 너무 짧아 실용화 될 수 없습니다. 고분자의 결합은 짧은 파장으로 방사 될 때 항상 파열되기 쉽습니다. 또한, 전하를 운반하는 중합체 내의 공액 이중 결합 시스템은 빛 및 산소와보다 쉽게 ​​반응한다. 따라서 대부분의 전도성 고분자는 고도로 불포화되고 반응성이 높기 때문에 대기 중 습기 및 산화에 매우 민감하여 상업적 응용이 어려워집니다.

나노 입자 가공
실험용 비 실리콘 태양 전지 패널은 양자 헤테로 구조로 만들 수있다. 탄소 나노 튜브 또는 양자점, 전도성 중합체 또는 메조 포러스 금속 산화물에 매립된다. 또한, 기존의 실리콘 태양 전지에서 이러한 많은 물질로 된 박막은 실리콘 전지로의 광학 결합 효율을 높여 전반적인 효율을 높일 수 있습니다. 양자점의 크기를 변화시킴으로써, 세포는 상이한 파장을 흡수하도록 조정될 수있다. 연구가 초기 단계에 머물러 있지만, 양자점 수정 된 광전지는 다중 엑시톤 생성 (MEG)으로 인해 최대 42 %의 에너지 변환 효율을 달성 할 수 있습니다.

MIT 연구진은 태양 전지 효율을 1/3로 향상시키기 위해 바이러스를 사용하는 방법을 발견했습니다.

투명한 도체
많은 새로운 태양 전지는 전기 전도체 인 투명 박막을 사용합니다. 현재 연구에 사용되는 지배적 인 도전성 박막은 투명 전도성 산화물 (약칭 “TCO”)이며, 불소 도핑 된 산화 주석 (SnO2 : F 또는 “FTO”), 도핑 된 산화 아연 (예 : ZnO : 인듐 주석 산화물 (약칭 “ITO”)이다. 이 전도성 필름은 평면 패널 디스플레이 용 LCD 산업에도 사용됩니다. TCO의 이중 기능은 빛이 기판 윈도우를 통과하여 활성 광 흡수 물질 아래로 전달되도록하며, 광 흡수 물질로부터 광 생성 전하 캐리어를 수송하기위한 오믹 접촉으로서도 작용한다. 현재의 TCO 재료는 연구에 효과적이지만, 아마도 대규모 태양 광 생산을 위해 최적화되지 않았을 것입니다. 그들은 고진공에서 매우 특별한 증착 조건을 필요로하며 때때로 기계적 강도가 약하며 스펙트럼의 적외선 부분에서 투과율이 낮습니다 (예 : ITO 박막도 비행기 창문의 적외선 필터로 사용할 수 있음). 이러한 요소로 인해 대규모 제조는 더 많은 비용이 소요됩니다.

탄소 나노 튜브 네트워크를 유기 태양 전지의 투명 도체로 사용하는 비교적 새로운 영역이 등장했습니다. 나노 튜브 네트워크는 유연하고 다양한 방법으로 표면에 증착 될 수 있습니다. 일부 처리에서는 나노 튜브 필름이 적외선에서 매우 투명 해져 효율적인 저 밴드 갭 태양 전지를 구현할 수 있습니다. 나노 튜브 네트워크는 p 형 전도체이며, 전통적인 투명 전도체는 n ​​형 전도체입니다. p 형 투명 도체를 사용하면 제조를 단순화하고 효율을 향상시키는 새로운 셀 설계가 가능합니다.

실리콘 웨이퍼 기반의 태양 전지
새롭고 이국적인 물질을 사용하여 더 나은 태양 전지를 만드는 수많은 시도에도 불구하고 실제로 태양 전지 시장은 여전히 ​​실리콘 웨이퍼 기반 태양 전지 (1 세대 태양 전지)에 의해 주도되고 있습니다. 이것은 대부분의 태양 전지 제조 업체가 현재 이러한 유형의 태양 전지를 생산할 준비가되어 있음을 의미합니다. 결과적으로 실리콘 웨이퍼 기반 태양 전지를 저렴한 비용으로 제조하고 생산 비용을 엄청나게 높이 지 않고 변환 효율을 높이기 위해 전 세계에서 많은 연구가 진행되고 있습니다. 웨이퍼 기반 및 대체 태양 광 개념의 궁극적 인 목표는 현재 시장 지배적 인 석탄, 천연 가스 및 원자력에 비견되는 비용으로 태양 전기를 생산하여 주요 1 차 에너지 원으로 만드는 것입니다. 이를 위해서는 태양 광 시스템의 설치 비용을 벌크 Si 기술의 경우 약 1.80 달러에서 와트 피크 전력 당 약 0.50 달러로 줄이는 것이 필요할 수 있습니다. 전통적인 벌크 실리콘 모듈의 최종 비용의 주요 부분은 태양열 폴리 실리콘 공급 원료의 높은 비용 (약 US $ 0.4 / 와트 피크)과 관련이 있기 때문에 Si 태양 전지를 더 얇게 (물질 저축) 만들거나 더 싼 업그레이드 된 금속 실리콘 (소위 “더티 실리콘”)의 태양 전지.

IBM은 특수 패턴 제거 기술을 사용하여 스크랩 반도체 웨이퍼를 실리콘 기반 태양 전지판을 제조하는 데 사용되는 형태로 바꾼 반도체 웨이퍼 재생 공정을 보유하고 있습니다. 이 새로운 공정은 최근 NPPR (National Pollution Prevention Roundtable)에서 “2007 년 가장 가치있는 오염 예방 상”을 수상했습니다.

적외선 태양 전지
아이다 호 국립 연구소의 연구원은 매사추세츠 주 캠브리지에있는 Lightwave Power Inc.의 파트너와 미주리 대 (University of Missouri)의 패트릭 피너로 (Patrick Pinhero)와 함께 태양 및 기타 환경에서 발생하는 열 에너지를 수집하는 수십억 개의 나노 안테나를 포함하는 플라스틱 시트를 생산하는 저렴한 방법을 고안해 냈습니다. 소식통은 2007 년 Nano50 상 2 점을 획득했다. 회사는 2010 년에 사업을 중단했습니다. 에너지를 사용할 수있는 전기로 전환하는 방법은 여전히 ​​개발되어야하지만, 시트는 하이브리드 자동차에서 기존의 태양 광보다 높은 효율의 컴퓨터 및 iPod에 이르기까지 모든 것을 구동하는 가벼운 “스킨”으로 제조 될 수 있습니다. 세포. 나노 안테나는 태양 광선으로부터 에너지를 흡수 한 후 지구가 지속적으로 열을 방출하는 중간 적외선을 목표로합니다. 또한 양면 나노 안테나 시트는 Sun 스펙트럼의 다른 부분에서 에너지를 얻을 수 있습니다. 대조적으로 전통적인 태양 전지는 가시 광선만을 사용하여 어두워지면 유휴 상태로 만듭니다.

자외선 태양 전지
일본 산업 기술 종합 연구소 (AIST)는 자외선 (UV) 빛을 사용하여 전기를 발생 시키지만 가시 광선을 통과시키는 투명 태양 전지를 개발하는 데 성공했다. 대부분의 기존 태양 전지는 가시 광선 및 적외선을 사용하여 전기를 생성합니다. 기존의 창유리를 교체 할 때 설치 면적이 커질 수있어 발전, 조명 및 온도 제어 기능을 결합한 잠재적 인 용도로 사용됩니다.

이 투명 UV 흡수 시스템은 Nb가 도핑 된 티타늄 산 스트론튬 기판에 증착 된 p 형 반도체 성 폴리머 PEDOT : PSS 필름으로 만들어진 유기 – 무기 헤테로 구조를 사용하여 달성되었습니다. PEDOT : PSS는 공기 안정성 및 물 용해성으로 인해 박막으로 쉽게 제조됩니다. 이러한 태양 전지는 자외선 영역에서만 활성화되며 16 %의 전자 / 광자의 상대적으로 높은 양자 수율을 초래합니다. 이 기술의 향후 연구는 저비용, 대 면적 제조를 달성하기 위해 스트론튬 티타 네이트 기판을 유리 기판 상에 증착 된 스트론튬 티타 네이트 필름으로 대체하는 것을 포함한다.

그 이후로 태양 전지 발전에 UV 파장을 포함하는 다른 방법이 발견되었습니다. 일부 회사는 자외선을 가시 광선으로 바꾸기 위해 나노 인광체를 투명 코팅으로 사용한다고보고합니다. 다른 사람들은 망간과 같은 전이 금속으로 GaN과 같은 넓은 밴드 갭 투명 반도체를 도핑함으로써 단일 접합 광전지의 흡수 범위를 확장한다고보고했다.

유연한 태양 전지 연구
유연한 태양 전지 연구는 연구 수준 기술입니다. 예를 들어 매사추세츠 공과 대학 (Massachusetts Institute of Technology)에서 화학 기상 증착 기술을 사용하여 일반 종이와 같은 유연한 소재 위에 광전지 재료를 증착하여 태양 전지를 제조하는 사례가 있습니다. 종이에 태양 전지를 제조하는 기술은 매사추세츠 공과 대학교 (National Science Foundation)와 Eni-MIT 얼라이언스 솔라 프론티어 (Eni-MIT Alliance Solar Frontiers) 프로그램의 지원을 받아 연구진이 개발했습니다.

3D 태양 전지
3 차원 태양 전지는 거의 모든 빛을 포착하여 크기, 무게 및 기계적 복잡성을 줄이면서 광전지 시스템의 효율을 높일 수 있습니다. 조지아 공과 대학 (Georgia Tech Research Institute)에서 창안 된 새로운 3D 태양 전지는 햇빛으로부터 도시의 거리 그리드에서 고층 건물과 유사한 소형 “타워”구조를 사용하여 포톤을 포착합니다. Solar3D, Inc.는 그러한 3D 셀을 상업화 할 계획을 가지고 있지만 그 기술은 현재 특허 출원 중입니다.

발광 형 태양 집중 장치
발광 형 태양 집중 장치는 햇빛이나 다른 광원을 원하는 주파수로 변환합니다. 그들은 전기와 같은 바람직한 형태의 전력으로 변환하기 위해 산출물을 집중시킨다. 그들은 적절한 코팅 또는 도펀트로 처리 된 액체, 유리 또는 플라스틱과 같은 매체에서 발광 (일반적으로 형광)에 의존합니다. 구조는 큰 입력 영역의 출력을 집중 변환기가 광전자를 생성하는 소형 변환기로 보내도록 구성됩니다. 목적은 저렴한 비용으로 넓은 지역에서 빛을 모으는 것입니다. 발광 집광 장치 패널은 유리 또는 플라스틱과 같은 재료로부터 저렴하게 제조 될 수있는 반면, 광전지 셀은 고정밀, 첨단 기술 장치이며, 따라서 큰 크기로 구성하는 데 비용이 많이 든다.

Radboud University Nijmegen과 Delft University of Technology와 같은 대학에서 연구가 진행 중입니다. 예를 들어, 매사추세츠 공과 대학 (MIT) 연구원은 창을 전기 생성을위한 햇빛 집중 장치로 변환하는 방법을 개발했습니다. 그들은 유리 또는 플라스틱의 유리창에 염료 혼합물을 칠합니다. 염료는 햇빛을 흡수하여 유리 내부에서 형광으로 재사용 할 수 있습니다. 내부 반사에 의해 갇혀 유리 가장자리에 새어 나와 집중된 햇빛의 전환에 최적화 된 태양 전지를 만나게됩니다. 집중 계수는 약 40이며, 광학 설계는 렌즈 기반 집광 기와 달리 태양 집광기를 산출하며 태양에서 정확하게 지향 될 필요가 없으며 확산 광에서도 출력을 생성 할 수 있습니다. 코발트 솔라는 공정의 상업화를 위해 노력하고 있습니다.

메타 물질
Metamaterials은 많은 미세 요소가 병렬 배치 된 이질적인 재료로 일반적인 고체에서는 볼 수없는 특성을 발생시킵니다. 이것들을 사용하여 좁은 범위의 파장 범위에서 우수한 흡수체 인 태양 전지를 만들 수 있습니다. 마이크로 웨이브 영역에서 높은 흡수가 증명되었지만 300-1100 nm 파장 영역에서는 아직 나타나지 않았다.

광전지 열 하이브리드
일부 시스템은 광전지와 열 솔라 션을 결합하여 열 솔라 부품이 열을 운반하고 광전지를 냉각한다는 장점이 있습니다. 온도를 낮추면 저항이 낮아지고 셀 효율성이 향상됩니다.

Penta 기반 태양 전지
펜타 센 (Pentacene) 기반의 광전지는 에너지 효율성을 95 %까지 향상시켜 현재 가장 효율적인 기술의 효율성을 두 배로 높인다고합니다.

중급 밴드
태양 전지 연구에서 중간 대역 광전지는 세포의 효율에 대한 Shockley-Queisser 한도를 초과하는 방법을 제공합니다. 그것은 원자가 밴드와 전도 밴드 사이에 중간 밴드 (IB) 에너지 레벨을 도입합니다. 이론적으로, IB를 도입하면 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 2 개의 광자가 전자를 가전 자대에서 전도대로 여기시킬 수있다. 이것은 유도 된 광 전류를 증가시켜 효율을 증가시킨다.

루크 (Luque)와 마르티 (Marti)는 첫째로 중간 균형 에너지 레벨을 가진 IB 디바이스에 대한 이론적 인 한계를 도출했습니다. 그들은 IB에서 어떤 운송 업체도 모으지 않았고 그 장치가 완전히 집중되지 않았다고 가정했습니다. 그들은 최대 효율이 63.2 %이고 밴드 갭이 1.95eV이고 IB가 0.71eV 인 것을 원자가 또는 전도대에서 발견했다. 한 태양 조명 하에서 제한 효율은 47 %입니다.