Stack cells, split the spectrum.
페로브스카이트와 다중접합, 33%라는 천장을 넘는 길
Perovskite and multi-junction — the path beyond the 33% ceiling
앞 레슨에서 단일 접합 셀에는 약 33%라는 보이지 않는 천장(쇼클리-퀘이서 한계)이 있다고 했습니다. 한 종류의 밴드갭만으로는 햇빛에 섞인 온갖 색의 빛을 알뜰하게 다 쓸 수 없기 때문입니다. 그렇다면 이 천장을 어떻게 넘을 수 있을까요. 더 좋은 한 장의 셀을 만드는 것만으로는 한계가 분명합니다. 발상을 바꿔, 밴드갭이 서로 다른 셀을 여러 층 쌓아 햇빛을 색깔별로 나눠 받는 길이 열려 있습니다.
The previous lesson established that single-junction cells face an invisible ceiling of roughly 33% (the Shockley-Queisser limit), because one band gap cannot efficiently use every colour of sunlight. How, then, can this ceiling be exceeded? Making a single better cell has clear limits. A different approach opens a way forward: stacking cells with different band gaps so sunlight is split by colour and each portion is absorbed by the cell best matched to it.
여기서 두 주인공이 등장합니다. 하나는 페로브스카이트로, 유기물과 무기물이 섞인 결정인데 재료 조성을 바꿔 밴드갭을 1.5~2.3 eV 사이에서 자유롭게 조절할 수 있고 값싸게 만들 수 있습니다. 다른 하나는 다중접합(탠덤) 구조로, 밴드갭이 넓은 셀을 위에 두어 짧은 파장(파랑)을 받고, 좁은 셀을 아래에 두어 긴 파장(빨강·적외선)을 받게 합니다. 페로브스카이트를 실리콘 위에 얹은 탠덤 셀은 연구실에서 단일접합 한계를 넘는 효율이 보고되고 있습니다(예시 수준의 연구실 측정값).
Two protagonists drive this story. One is perovskite — a hybrid organic-inorganic crystal whose composition can be tuned to set the band gap anywhere from roughly 1.5 to 2.3 eV, and which can be deposited cheaply from solution. The other is the multi-junction (tandem) architecture: a wide-band-gap cell on top absorbs short wavelengths (blue), and a narrow-band-gap cell below catches the longer wavelengths (red and infrared) that the upper cell transmits. Tandem cells pairing perovskite with silicon have been reported in laboratory settings to exceed the single-junction efficiency limit (illustrative research-level values).
재미있게도 이 방식은 자연의 광합성이 빛을 단계적으로 받아 쓰는 원리와 닮았습니다. 한 셀의 한계를 깨는 비결이 "더 나은 셀"이 아니라 "셀의 조합"에 있다는 것이지요. 아래 시뮬레이션에서 단일 실리콘, 페로브스카이트/실리콘 탠덤, 그리고 우주에 쓰이는 III-V 삼중접합 셀을 바꿔 가며, 햇빛이 층마다 색깔별로 나뉘어 흡수되는 모습과 효율이 어떻게 달라지는지 직접 살펴보세요.
Interestingly, this strategy resembles the step-by-step way natural photosynthesis uses different pigments to absorb different wavelengths. The key to breaking a single cell's limit is not a better cell but a smarter combination of cells. Use the simulation below to switch between a single-silicon cell, a perovskite/silicon tandem, and the III-V triple-junction cell used in space — watch how sunlight is split by colour into each layer and see how efficiency changes.
스펙트럼을 나눠 받기.
Splitting the spectrum.
왜 한 종류의 셀로는 햇빛을 다 쓸 수 없을까요?
햇빛은 한 가지 색이 아니라 보라부터 빨강, 적외선까지 온갖 파장이 뒤섞인 빛입니다. 그런데 셀은 하나의 밴드갭만 가지므로, 그 밴드갭에 딱 맞는 에너지만 알뜰하게 쓸 수 있습니다. 밴드갭보다 약한 빛은 흡수되지 못한 채 통과하고(미흡수 손실), 밴드갭보다 센 빛은 떼어 낸 전자에 쓰고 남은 에너지를 열로 흘려보냅니다(열화 손실). 이 두 손실이 서로 반대 방향으로 작용해, 단일접합 셀의 효율은 아무리 잘 만들어도 약 33%를 넘기 어렵습니다. 이것이 쇼클리-퀘이서 한계입니다.
해결의 실마리는 "한 가지 밴드갭"이라는 전제에 있습니다. 만약 밴드갭이 다른 셀을 여러 층 쌓는다면 어떨까요. 넓은 밴드갭을 가진 셀을 맨 위에 두면 짧은 파장(파랑·보라)을 알맞게 받고, 그 셀을 통과한 긴 파장은 아래의 좁은 밴드갭 셀이 받습니다. 이렇게 햇빛을 색깔별로 나눠 각자 알맞은 셀이 받으면, 미흡수 손실과 열화 손실을 동시에 줄일 수 있습니다. 이것이 다중접합(탠덤)의 핵심 아이디어이고, 밴드갭을 자유롭게 조절할 수 있는 페로브스카이트가 그 위층 셀로 안성맞춤인 이유입니다.
Why can a single cell type not use all of sunlight?
Sunlight is not a single colour; it spans the full spectrum from violet to red and into the infrared. Yet a single-junction cell has only one band gap, so it can use efficiently only photons whose energy matches that gap. Photons with less energy than the band gap pass straight through without being absorbed (sub-bandgap loss); photons with more energy are absorbed, but the surplus beyond the band gap is wasted as heat (thermalisation loss). These two losses pull in opposite directions, and no single band gap can eliminate both simultaneously. The result is the Shockley-Queisser limit: roughly 33% efficiency for the best-matched single-junction cell, no matter how perfectly it is made.
The key lies in that single-band-gap assumption. What if cells with different band gaps were stacked? A wide-band-gap cell placed on top handles short wavelengths (blue, violet) efficiently; the longer wavelengths it cannot absorb pass through to a narrow-band-gap cell below. By splitting the spectrum in this way each colour is caught by the cell best suited to it, reducing both losses simultaneously. This is the core idea of multi-junction (tandem) cells, and it is why perovskite — whose band gap can be tuned across a wide range — is such a compelling top-cell candidate.
Q1 셀을 두 층 쌓으면 정확히 무엇이 좋아지나요?
Q1 Exactly what improves when two cells are stacked?
Q2 페로브스카이트는 왜 이렇게 주목받나요? 약점은 없나요?
Q2 Why is perovskite attracting so much attention, and what are its weaknesses?
단일 밴드갭 셀의 효율 천장(약 33%, 최적 밴드갭 1.34 eV 부근)은 두 손실에서 나옵니다. 밴드갭보다 작은 광자는 흡수되지 못하고 그대로 빠져나가는 미흡수 손실, 그리고 밴드갭보다 큰 광자의 여분 에너지가 열로 흩어지는 열화 손실입니다. 밴드갭을 키우면 앞쪽이 늘고 뒤쪽이 줄어 서로 맞물리기 때문에, 어느 한 밴드갭으로는 둘을 동시에 없앨 수 없습니다.
The efficiency ceiling of roughly 33% (optimum near 1.34 eV) for a single-junction cell arises from two losses. Sub-bandgap loss: photons with energy below the band gap pass through unabsorbed. Thermalisation loss: the surplus energy of photons above the band gap is wasted as heat. Raising the band gap increases the first loss while decreasing the second — and lowering it does the opposite. No single value eliminates both simultaneously, which is why a ceiling exists at all.
밴드갭이 다른 셀을 위에서 아래로 큰 것부터 작은 것 순으로 쌓으면, 햇빛이 위에서 아래로 내려가며 색깔별로 알맞은 층에 흡수됩니다. 위층이 짧은 파장을, 아래층이 긴 파장을 맡으니 열화 손실이 크게 줄고, 직렬로 이어진 셀들의 전압이 더해져 합산 개방전압이 커집니다. 이론적으로는 층을 무한히 늘리면 효율 한계가 약 86%까지 올라갑니다.
Arranging cells from widest band gap at the top to narrowest at the bottom routes sunlight downward so each wavelength is absorbed by the best-matched layer. The top cell handles short wavelengths; each successive cell catches what the layer above it transmitted. Thermalisation loss falls substantially, and the voltages of the series-connected cells sum, giving a larger combined $V_{oc}$. In theory, an infinite stack of junctions could reach roughly 86% efficiency.
가장 활발히 연구되는 것은 페로브스카이트(밴드갭 약 1.6 eV)를 실리콘(약 1.12 eV) 위에 얹은 2단 탠덤으로, 연구실에서 단일접합 한계를 넘는 효율이 보고됩니다. 한편 우주·집광용으로는 GaInP(약 1.9 eV)/GaAs(약 1.42 eV)/Ge(약 0.67 eV)를 쌓은 III-V 삼중접합 셀이 쓰이며, 렌즈로 빛을 수백 배 모으는 집광 조건에서 가장 높은 효율을 냅니다. 다만 값이 매우 비싸 일반 발전에는 거의 쓰이지 않습니다(이상의 수치는 연구실·집광 기준의 예시 수준).
The most actively researched tandem is perovskite (~1.6 eV) on silicon (~1.12 eV) — a two-terminal two-junction device for which laboratory efficiencies exceeding the single-junction limit have been reported. For space and concentrator use, III-V triple-junction cells stacking GaInP (~1.9 eV) / GaAs (~1.42 eV) / Ge (~0.67 eV) achieve the highest efficiencies under concentrated light (hundreds of suns), but their very high cost rules them out for ordinary flat-plate generation (all numbers are illustrative research/concentrator-context values).
햇빛을 여러 크기의 공이 섞여 쏟아지는 것이라 생각해 보세요. 단일 셀은 한 가지 크기의 구멍만 가진 채반이라, 너무 큰 공은 못 받고 너무 작은 공은 받아도 힘이 남아 흘립니다. 다중접합은 위에서 아래로 구멍이 점점 작아지는 채반을 여러 겹 포갠 것입니다. 큰 공은 위 채반이, 작은 공은 아래 채반이 알맞게 받아 버려지는 게 줄어듭니다. 페로브스카이트는 구멍 크기를 자유롭게 바꿀 수 있는 똑똑한 채반이라 맨 위에 얹기 좋지만, 비를 오래 맞으면 약해지는 게 흠입니다.
Imagine sunlight as a shower of balls of different sizes. A single cell is a sieve with holes of just one size: balls that are too large cannot pass through and bounce off (sub-bandgap loss), and balls small enough to fall through carry leftover momentum that goes nowhere (thermalisation loss). A multi-junction cell is a stack of sieves whose holes grow progressively smaller from top to bottom. Large balls are caught by the top sieve, medium balls by the next, and so on — far less is wasted. Perovskite is a clever sieve whose hole size can be freely adjusted, making it an ideal top layer, but it weakens over time when exposed to moisture and heat.
쇼클리와 퀘이서(1961)는 흡수와 복사 재결합만 고려하는 상세 균형(detailed balance) 논증으로, 단일접합 셀의 최대 효율을 AM1.5 기준 약 33%, 최적 밴드갭 약 1.34 eV로 도출했습니다. 밴드갭이 작으면 전류는 크지만 전압이 작고, 크면 그 반대라 중간에서 최적이 잡힙니다. 밴드갭이 다른 셀을 직렬로 쌓으면 각 층의 전압이 더해져, 무한 접합 극한에서 이론 한계가 약 86%에 이릅니다.
Shockley and Queisser (1961) applied the detailed-balance argument — considering only radiative absorption and recombination — to derive a maximum efficiency of roughly 33% under AM1.5 illumination, at an optimal band gap of approximately 1.34 eV. A narrow band gap gives a high current but low voltage; a wide band gap gives high voltage but low current, so the optimum lies between the two extremes. Stacking cells with different band gaps in series adds each layer's voltage, and in the infinite-junction limit the theoretical ceiling rises to roughly 86%.
2단 탠덤을 두 단자로 직렬 연결하면(2-terminal) 두 층에 같은 전류가 흘러야 하므로, 위층과 아래층의 광전류가 같아지도록 위층 밴드갭과 두께를 맞추는 전류 정합(current matching)이 중요합니다. 실리콘(약 1.12 eV) 위에는 약 1.6~1.7 eV의 위층 밴드갭이 잘 맞아, 페로브스카이트의 조성 조절 가능성이 큰 강점이 됩니다. 정합이 어긋나면 작은 쪽 전류가 전체를 제한합니다.
In a 2-terminal (series-connected) two-junction tandem, the same current must flow through both subcells, so current matching — adjusting the top-cell band gap and thickness so that both subcells generate equal photocurrent — is critical. For silicon (≈ 1.12 eV) as the bottom cell, a top-cell band gap of roughly 1.6–1.7 eV gives a good match, which is one reason perovskite's widely tunable composition is such a strong advantage. If the match is off, the lower-current subcell limits the output of the entire tandem.
개방전압은 빛 세기에 로그로 천천히 올라가므로, 렌즈로 햇빛을 수백~수천 배 모으는 집광(CPV)에서는 효율이 더 높아집니다. GaInP/GaAs/Ge 삼중접합은 격자 정합이 잘 맞아 고품질로 성장시킬 수 있어 우주와 집광 발전에서 최고 효율을 기록해 왔습니다. 다만 단가가 높아 일반 평판 발전에는 적합하지 않습니다.
Open-circuit voltage rises only logarithmically with light intensity, so concentrating sunlight hundreds to thousands of times with lenses pushes efficiency higher. The GaInP/GaAs/Ge triple-junction is well-lattice-matched and can be grown to high quality, giving it the highest recorded efficiencies for space and CPV applications. Its high manufacturing cost makes it impractical for flat-plate terrestrial generation.
단일접합 셀의 33% 천장은 한 가지 밴드갭으로 온갖 색의 햇빛을 다 알뜰하게 쓸 수 없다는 데서 비롯됩니다. 밴드갭이 다른 셀을 층층이 쌓아 스펙트럼을 나눠 받으면 미흡수·열화 손실을 함께 줄여 그 천장을 넘을 수 있고, 밴드갭을 자유롭게 조절하는 페로브스카이트가 그 선두에 있습니다. 다만 효율 못지않게 중요한 것이 오래 견디는 안정성입니다. 다음 레슨에서는 빛이 아니라 화학에서 에너지를 꺼내고 저장하는 리튬이온 배터리로 넘어갑니다.
The 33% ceiling of a single-junction cell comes from the inability of one band gap to use all colours of sunlight efficiently. Stacking cells with different band gaps splits the spectrum and reduces both sub-bandgap and thermalisation losses simultaneously, allowing that ceiling to be exceeded. Perovskite leads this effort with its tunable band gap, but long-term stability matters just as much as efficiency. The next lesson leaves solar energy and moves to lithium-ion batteries — storing energy through chemistry rather than extracting it from light.
CHECK 스스로 확인하기
1. 단일접합 셀의 약 33% 한계는 어떤 두 손실에서 나올까요?
→ 밴드갭보다 약한 빛이 흡수되지 못하는 미흡수 손실과, 밴드갭보다 센 빛의 여분 에너지가 열로 빠지는 열화 손실입니다.
2. 탠덤에서 밴드갭이 넓은 셀을 위에, 좁은 셀을 아래에 두는 이유는?
→ 위층이 짧은 파장(센 빛)을 먼저 받아 열화 손실을 줄이고, 통과한 긴 파장을 아래층이 받게 하기 위해서입니다. 그래야 색깔별로 알맞게 흡수됩니다.
3. 페로브스카이트의 가장 큰 약점은 무엇일까요?
→ 수분·자외선·온도 변화에 약해 안정성·내구성이 떨어진다는 점입니다(많은 조성에 납이 들어가는 환경 문제도 있습니다). 이것이 상용화의 마지막 관문입니다.
CHECK Self-check
1. What two losses produce the roughly 33% limit of a single-junction cell?
→ Sub-bandgap loss (photons too weak to be absorbed pass straight through) and thermalisation loss (excess energy from high-energy photons is wasted as heat).
2. In a tandem, why is the wide-band-gap cell placed on top and the narrow-band-gap cell below?
→ The top cell intercepts short-wavelength (high-energy) photons first, reducing thermalisation loss; the transmitted long-wavelength light is then absorbed by the bottom cell. This ensures each wavelength is caught by the best-matched absorber.
3. What is perovskite's most significant weakness?
→ Degradation in the presence of moisture, UV light, and temperature cycling (many compositions also contain lead, raising environmental concerns). Overcoming this stability-durability problem is the final hurdle to commercialisation.