§ LG전자
4. HIT 태양전지
그림 2-24. HIT 태양전지 [72]
HIT 태양전지11)는 실리콘 이종접합 태양전지라고도 하고, HIT라는 용어 는 Heterojunction with Intrinsic Thin Layer의 줄임말로 현재 Panasonic社에서 판매되고 있는 실리콘 이종접합 태양전지의 상품명이다.
HIT 태양전지는 n형 웨이퍼 양면에 3~10nm 두께의 얇은 진성 비정질 실 리콘층(i-a-Si:H, intrinsic amorphous silicon layer)을 증착하고, 전면에 는 10nm 정도 두께의 p형 비정질 실리콘층(p-a-Si:H, p-type amorphous silicon layer)을 후면에는 10nm 정도 두께의 n형 비정질 실 리콘층(n-a-Si:H, n-type amorphous silicon layer)을 증착하는 과정으 로 제작된다. 전자수집을 위해 p형/n형 비정질 실리콘층 위에 100~150nm 두께의 투명전도층(TCO, Transparent Conductive Oxide)을 형성하고, 전자수집 능력을 극대화시키기 위해 은 금속 전극을 형성해준다. HIT 태양 전지에서 결정질 실리콘(n형)과 비정질 실리콘(p형)이 pn 접합을 이루고 있 기 때문에 이종접합(Heterojunction)이라고 한다. HIT 태양전지의 핵심은
11) HIT HIT는 Panasonic社에서 처음으로 사용한 상표명으로 Heterojunction with Intrinsic Thin layer의 줄임말이다. 실리콘 이종접합 태양전지라고 표현하는 것이 더 정확하나 본 보고서에서는 편의상 실리콘 이종접합 태양전지를 HIT 태양전지라 한다.
n형 결정질 실리콘과 p/n형 비정질 실리콘 사이에 진성 비정질 실리콘층 이 얇게 형성되어 있다는 점이다. 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)은 결정 질 실리콘 표면 보호 특성이 우수하다고 널리 알려져 있고, 기판 내 벌크 수명을 증가시켜 Voc를 향상시킬 수 있다.
그림 2-25. Panasonic社 HIT 태양전지 개발 이력 [73]
그림 2-25는 Panasonic社 HIT 태양전지 개발 이력을 나타내고 있다.
Panasonic社(구 Sanyo社)에서는 1990년부터 HIT 태양전지를 개발해왔는 데, 2009년에 200μm 두께의 n형 실리콘 웨이퍼를 이용하여 23.0%를 달성 하였고, 98μm 두께의 n형 실리콘 웨이퍼를 이용하여 2011년에 23.7%, 2013년에 24.7%를 달성하였다. 이 때 제작하였던 태양전지의 셀면적은 5 인치 웨이퍼 면적보다 조금 작은 101.8cm2였다. [73]
현재 HIT 태양전지를 양산하고 판매하는 업체는 Panasonic社가 유일한 것으로 알려져 있다. Panasonic社에서는 5인치 웨이퍼를 사용한 HIT 태양 전지를 양산 및 판매하고 있고, 평균효율은 22%로 알려져 있다. 이를 태양 광 모듈로 제작을 하면 모듈 효율은 19.4%에 이른다. [74]
Panasonic社 외에 다양한 업체 및 연구기관에서 HIT 태양전지를 개발하 고 있는데, 개발업체로는 Choshu Industry, AU Optronics, Roth&Rau, Meyer Burger, Canadian solar, IBM 등이 있고, 개발 연구기관으로는 INES, Delft 공대, HZB, HTW Berlin, CiS Institute fur Mikrosensorik und Photovoltaik, Fraunhofer ISE, ANU, EPFL, KANEKA, ISFH,
Hannover 대학, King Abdulaziz 대학, CAS, Next Energy 등이 있다.
Choshu Industry社에서는 후면에 p형 비정질 실리콘층을 위치시켜 pn 이종접합을 형성한 HIT 태양전지를 제작하였고, 6인치 CZ 웨이퍼를 사용 하여 22.3%의 효율을 달성하였다. Panasonic社에서 제작한 것을 포함하여 대부분의 HIT 태양전지는 전면에 pn 이종접합이 형성되어 있다. Choshu Industry社에서 새롭게 pn 이종접합을 후면에 위치시켜 22% 이상의 고효 율을 달성한 것은 주목할 만한 결과라고 할 수 있겠다. 또한, 60셀 태양광 모듈을 제작하여 모듈 효율 19.2%, 모듈 출력 313.1W를 달성하였고, Meyer Burger社에서 개발한 multi wire를 이용한 SWCT(SmartWire Connecting Technology) 기술을 이용하여 모듈 효율 19.5%, 모듈 출력 319.8W를 달성하였다. [75]
그림 2-26. INES에서 mono-like n형 웨이퍼를 이용하여 제작한 HIT 태양전지 공정 순서도 [76]
INES에서는 HIT 태양전지 시뮬레이션과 제작을 동시에 진행하고 있는 데, HIT 태양전지 시뮬레이션은 Silvaco Atlas 프로그램과 OPAL 프리웨어 프로그램을 사용하였다. Silvaco Atlas 프로그램으로는 HIT 태양전지의 에
미터가 전면에 형성되어 있는 경우와 후면에 형성되어 있는 경우에 대해 und Wirtschaft) Berlin, CiS Institut fur Mikrosensorik und Photovoltaik 연구기관과 공동으로 IPA free 첨가제(Alkatex ZeroTM)를 사 용한 텍스쳐링 공정을 통해 텍스쳐 피라미드 크기를 최적화하였고, 진성 비 정질 실리콘층 증착 후 계면 특성 향상을 위해 후열처리 및 수소 플라즈마 공정에 대한 연구를 진행하였으며, 진성 비정질 실리콘층 두께의 TCO 증
착 조건을 최적화하였다. 이렇게 최적화된 공정으로 4인치 FZ 웨이퍼를 사 용하여 제작된 HIT 태양전지의 최고효율은 20.24%였다. [81, 82, 83]
AU Optronics社에서는 에미터층으로 p형 비정질 실리콘층을 사용하지 않고, p형 비정질 실리콘 카바이드층을 사용하여 HIT 태양전지를 제작하였 다. p형 비정질 실리콘 카바이드층 증착시 증착 파워, 전극/기판 간 간격, CH4 도핑량 조절을 통해 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고효율 22.26%를 달성하였다. [84] 또한, p형 비정질 실리콘층을 에미터로 사용하여 HIT 태 양전지를 제작하기도 하였는데, 진성 비정질 실리콘층 증착시 비정질 실리 콘층 두께, 증착 압력, 증착 파워, R값(H2 가스량/SiH4 가스량)을 조절하였 다. 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 HIT 태양전지를 제작하였으며, 효율은 [84] 결과와 동일하다. [85]
Roth&Rau에서는 HIT 태양전지 제작을 위한 pilot line을 만들어서 1년 넘게 1만개 이상의 HIT 태양전지를 제작하였다. 비정질 실리콘층과 결정질 실리콘층의 계면 특성을 향상시키기 위해 PECVD 공정을 개선하였고, 비정 질 실리콘층과 TCO층의 두께 균일도를 향상시켰다. 배치당 평균효율은 20.95%(@ 239cm2)를 달성하였고, 최고효율은 21.1%(@ 239cm2)를 달성하 였다. [86] 또한, 5 busbar를 이용한 태양광 모듈과 smart wire 기술을 이용한 태양광 모듈을 제작하여 290~300W의 모듈출력을 달성하였으며, CTM(Cell To Module) loss는 2% 정도로 낮은 결과를 얻었다. 일반 양산 형 실리콘 태양전지로 제작한 모듈과 HIT 모듈의 발전량 비교를 하였는데, HIT 모듈이 7% 정도 더 많은 발전량을 보이는 것이 확인되었다. [87]
그림 2-27. Kaneka社에서 개발한 Cu 도금 전극이 형성된 HIT 태양전지 [88]
업체 혹은 기관 공정 특이사항 효율 Ref.
§ INES
§ HTW
§ Roth&Rau
§ CAS
§ Canadian solar
§ TCO 재료로 AZO와 ITO 사용
§ RF magnetron sputtering 방 법 사용하여 AZO층 증착, RPD (Reactive Plasma Deposition) 방법 사용하여 ITO층 증착
§ AZO층의 경우 증착 파워와 AZO층 저항의 관계 분석
§ ITO층의 경우 공정 온도와 ITO 층 저항 및 투과도 간 관계 분석
- [94]
§ King
Abdulaziz city for science and technology
§ IBM T.J.
Watson Research Center
§ ITO 층의 후열처리 실험
§ 전면 전극 Al 금속 그리드 패턴으로 형성, 후면 전체 Al 금속 형성
§ 최고효율 12.53%
12.5% [95]