SPst=W f - 태양전지공학 Chapter 8

2 ) 2 /

( b

W B

P

_sb

= W

»

) (

)

(

_t₁ _rf _rb _sf _sb

opt

res

p p p p p p

p

p = + = + + + +

Chapter 8

125mm × 125mm 다결정 태양전지의 전면전극 그리드

Chapter 8

핑거 간격에 따른 에미터 저항에 의한 전력 손실과 핑거와 버스바에 의한 전력 손실의 모의 실험

Chapter 8

핑거 간격에 따른 광 손실의 모의실험

Chapter 8

핑거 간격에 의한 광 손실과 저항에 의한 전력 손실 모의실험

Chapter 8

태양전지의 에미터 면저항과 핑거 간격에 따른 전력 손실

Chapter 8

박막형 다결정 실리콘 태양전지

태양광 발전이 기존의 발전기술과 비교하여 경제성을 갖추기 위해서는 모 듈 생산 단가를 US $1/Watt까지 낮추어야 한다. 현재까지 개발된 태양전지 기술 중 이러한 목표에 가장 근접한 형태가 바로 박막 실리콘 태 양전지(thin film silicon solar cell)이다.

현재 박막 실리콘 태양전지 기술은 오랜 연구개발 단계를 끝내고 예비생산(pilot production) 단계에서 대량생산(industrial production) 단계로 넘어가고 있다.

다결정 실리콘을 얻는 방법으로 비정질 실리콘 박막을 먼저 제조한 후에 Zone melting recrystallization(ZMR), laser annealing, RTA(rapid therm al annealing), furnace annealing을 이용하는 SPC(solid phase crystalli-zation)와 같은 재결정화 방법으로 고품질의 다결정 박막을 제작하고 있다.

Chapter 8

결정질 실리콘의 제조원가 분석

Chapter 8

박막형 실리콘 태양전지 변환효율과 태양전지 구조

Chapter 8

LPE 방법으로 제조된 박막형 다결정 실리콘 태양전지 구조

(a) UNSW 16.4%, (b) Astropower 14%(기판은 세라믹)

Chapter 8

다결정 실리콘 박막의 형성 방법에 따른 특성 비교

결 정 립 크 기(mm)

성 장 속 도

(mm/hr) 연 구 기 관 비 고

용 액 성 장 (LPE)

Hot-Wire CVD

Plasma CVD Sputtering

> 100 0.6 ~180

- 미 국 AstroPower, NREL, Delaware大

- 독 일 Max Planck연 구 소, Fraunhofer ISE

- 일 본 Canon, Daido Hoxan - 호 주 UNSW, ANU

- 열 평 형: 양 질 의결 정 질박 막 을 얻 을수 있 슴

- 다 결 정Si 박 막 태 양 전 지 에최 적 - AstroPower 상 업 화

< 1 3.6 ~ 10

- 미 국 NREL - 일 본 JAIST - 스 페 인LFCF

- 대 면 적어 려 움 - Filament에 의 한 오 염 - Filament의 Silicide화

- 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

< 1 3.6 ~ 6

- 일 본 Kaneka

- 스 위 스Neuchatel大

- 결 정 화어 려 움 - 낮 은 성 장 속 도

- 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

< 1 0.3 ~ 1

- 미 국 Illinois大 - 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

결 정 립 크 기(mm)

성 장 속 도

(mm/hr) 연 구 기 관 비 고

용 액 성 장 (LPE)

Hot-Wire CVD

Plasma CVD Sputtering

> 100 0.6 ~180

- 미 국 AstroPower, NREL, Delaware大

- 독 일 Max Planck연 구 소, Fraunhofer ISE

- 일 본 Canon, Daido Hoxan - 호 주 UNSW, ANU

- 열 평 형: 양 질 의결 정 질박 막 을 얻 을수 있 슴

- 다 결 정Si 박 막 태 양 전 지 에최 적 - AstroPower 상 업 화

< 1 3.6 ~ 10

- 미 국 NREL - 일 본 JAIST - 스 페 인LFCF

- 대 면 적어 려 움 - Filament에 의 한 오 염 - Filament의 Silicide화

- 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

< 1 3.6 ~ 6

- 일 본 Kaneka

- 스 위 스Neuchatel大

- 결 정 화어 려 움 - 낮 은 성 장 속 도

- 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

< 1 0.3 ~ 1

- 미 국 Illinois大 - 용 액 성 장 용Seed layer로 활 용 가 능

Chapter 8

결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 원자결합 및 에너지 밴드 구조

Chapter 8

수소화된 비정질 실리콘 (a-Si:H)빅막의 성장 기구

Chapter 8

a-Si:H의 Si-Hn 결합 유형에 관련된 진동 모드 및 흡수 진동수

Chapter 8

a-Si:H의 일반적인 특성

5 ~ 10 - holes in valence band

10 ~ 20 - electrons in conduction band

(cm²/V․s) Mobility at 300 K

3.32 Index of Refraction

1.72 (eV) Energy Gap at 300 K

~10¹⁹ (cm^-3) Effective Density of States in Valence Band

~10¹⁹ (cm^-3) Effective Density of States in Conduction Band

0.13 ~ 0.26 - holes in valence band

0.26 ~ 0.52 - electrons in conduction band

(cm²/s) Diffusion Constant at 300 K

~11 Dielectric Constant

~150 (meV) Width of Tail States Band

23 (meV) Tail States Characteristics Energy

~2×10²¹ (cm^-3/eV) Tail Localized States Density at E=E_C

86 (meV) Deep State Characteristic Energy

10¹⁵~10¹⁶ (cm^-3/eV) Deep Localized State Density at E=E_Fo

Chapter 8

Photon 에너지에 따른 광 흡수도

Chapter 8

다양한 실리콘 재료에 따른 에너지 밴드 다이어그램과 캐리어 이동

Chapter 8

전형적인 PECVD 시스템 개략도

Chapter 8

실리콘 박막 성장 개략도

Chapter 8

(i) Electron-molecule reactions

SiX

₄

+ e → SiX

+ (4 - n)X + e, SiX

₄

+ e → SiX

_n⁺

+ (4 - n)X + 2e, SiX

₄

+ e → SiX

_n⁺

+ (4 - n)X

(ii) Neutral-neutral reactions H + SiX

₄

→ SiX

+ HX

SiX

₄

+ SiX

→ Si

₂

X

₄

+ n + Si

X

(iii) Ion-molecule reactions

SiX

+ SiX

₄

→ Si

₂

X

_m⁺

+(4 + n - m)X

비정질 실리콘 태양전지의 장점은 다음과 같다.

(1) 결정질 실리콘에 비해 가시광 영역에서 10⁵ cm^-1 이상의 매우 높은 광흡수계수 를 갖기 때문에 매우 얇은 박막(100 ~ 500 nm)형 소자가 가능하다.

(2) 250 ℃ 정도의 낮은 온도에서 균일한 대면적 공정이 가능하여 저가의 유리 기판 금속 기판 또는 유연성 플라스틱 기판 사용이 가능하다.

(3) 비정질 실리콘은 광학적 밴드 갭이 1.7 eV 정도로 태양광 스펙트럼 세기의 정점 근처에 있기 때문에 높은 에너지 변환효율이 예상된다.

(4) 모듈 제작 시 각각 셀들의 단일 집적화(monolithic integration)가 간단하고, 쉽 게 할 수 있기 때문에 벌크형과 같이 자르고 붙이는 소모적인 방법이 불필요하다.

(5) 붕소(B) 또는 인(P)을 이용하여 p-형이나 n-형으로 도핑이 용이하다.

(6) 탄소(C) 또는 게르마늄(Ge)을 이용하여 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC:H)나 비 정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe:H) 등의 합금을 만들기 때문에 쉽게 광학적 밴드 갭 조절이 가능하다.

(7) 대기 중에 풍부한 수소(H₂)를 이용하여 저온에서 수소희석(dilution)법으로 프로 터결정 실리콘(protocrystalline(pc) Si), 미세결정 실리콘(microcrystalline,

μ

c-Si)으로 상전이(phase transition)가 용이하다.

박막형 실리콘에서는 재결합(recombination)이나 포획(trapping) 때문에 전하 반송 자의 확산거리가 짧기 때문에 비정질 실리콘 태양전지에서는 광흡수 목적용 진성층 (intrinsic layer)과 광 생성된 전하분리를 위한 내부전계 형성 목적용 층을 구분하여 태양전지를 제조한다. 그러므로 비정질 실리콘 태양전지는 p-i-n-형 구조가 가장 일반적이다.

Chapter 8

다양한 실리콘 박막 태양전지 구조

Chapter 8

비정질 실리콘 태양전지의 연구는 다음과 같은 문제의 해결에 초점을 맞 추어 진행되고 있다.

(1) Staebler-Wronski 효과에 의한 안정성 문제

(2) 사일렌(silane) 가스의 수소 가스 희석에 따른 낮은 증착률 문제

(3) 비정질 실리콘과 결정 실리콘 경계 사이의 프로토결정(protocrystal) 실리콘 박막의 구조적 특성의 이해

(4) 효율 향상을 위한 완충층 삽입을 통한 최적화 공정

(5) 높은 안정화 효율을 위한 다중접합 태양전지의 최적화 공정

Chapter 8

소면적 비정질 실리콘계 태양전지의 변환효율

United Solar Fuji

Univ. Toledo Sharp BP Solar

Sanyo United Solar Unvi. Toledo

Neuchatel 13.0

11.0 10.7 10.2 10.6 10.6 12.4 10.4 9.47 15.6

11.7 12.5

-11.6

-12.5

-a-Si/a-SiGe/a-SiGe

a-Si/a-SiGe/a-SiGe a-Si/a-SiGe/a-SiGe a-Si/a-SiGe/a-SiGe a-Si/a-SiGe

a-Si/a-SiGe a-Si/a-SiGe a-SiGe

a-Si

Description Stable Efficiency

(%) Initial Efficiency

Structure (%)

Chapter 8

비정질 실리콘계 태양전지 모듈의 변환효율

Fuji United Solar

ECD Sanyo BP Solar 0.32

0.45 0.39 0.52 0.36 9.0

7.9 7.8 9.3 8.1 a-Si/a-SiGe/a-SiGe

a-Si/a-SiGe/a-SiGe a-Si/a-SiGe/a-SiGe a-Si/a-SiGe

a-Si/a-SiGe

Large-area Modules

United Solar BP Solar

Sanyo 0.09

0.08 0.12 10.7

9.1 9.5 a-Si/a-SiGe/a-SiGe

a-Si/a-SiGe a-Si/a-SiGe R&D Modules

Description Size

(m²) Stable Efficiency

Structure (%)

Chapter 8

광학적 밴드 갭이 다른 얇은 전지를 2~3개 이용하는 다중접합 전지

(stacked cell)를 제작함으로서 빛에 대한 안정성을 개선시킬 수 있는데, 그 이유는 다음과 같다.

(1) 비정질 실리콘 다중전지는 단일전지에 비해 내부 전기장이 약 2배정 도 강하기 때문에 photocarrier의 재결합이 단일 전지에 비해 적게 일 어난다.

(2) 비정질 실리콘 다중전지의 열화현상은 bottom i층에 의해 영향을 많 이 받는데, 이러한 bottom i층이 받는 빛의 세기는 top cell 의 p층으 로 입사되는 최초의 빛 세기의 약 1/2정도이다.

(3) 비정질 실리콘에서 일반적으로 백색광의 단파장 영역의 빛이 장파장 영역의 빛에 비해 열화현상이 심한데, 다중전지의 bottom i층이 받는 빛은 장파장 영역의 빛이다.

(4) 비정질 실리콘 단일 전지의 경우 i층의 두께가 2000 Å 이하인 경우 빛에 대한 안정성이 높은데, 비정질 실리콘 다중전지의 top i층은 강한 빛이 입사되지만 단일전지에 비해 두께가 얇고 내부전기장이 강하다.

Chapter 8

3중 접합 태양전지의 에너지 밴드(a)와 흡수계수 및 에너지 밴드 갭(b)

Chapter 8

(1) 비정질 실리콘/비정질 실리콘 다중접합 구조

Ichikawa는 a-Si/ a-Si 탠덤(tandem)형 전지를 제작하였다. Top cell과 bottom cell의 i층 두께가 각각 70 nm, 300 nm 일 때, 1 cm² 면적에서 12 %, 30×40 cm² 의 submodule인 경우 10.5 %의 변환 효율을 얻었다. 한편 Yang 등은 PECVD를 이용하여 p-i-n-형의 a-Si/ a-SiGe/ a-SiGe 삼중 접합 태양전지를 제작하였고, 0.25 cm² 의 면적에서 안정화 효율은 13 %였다.

(2) 비정질 실리콘/다결정 실리콘 (또는 미세결정질 실리콘) 다중접합 구조 Saitoh 등은 PECVD를 사용하여 p-i-n-형 a-Si/ μc-Si 탠덤 형 전지를 제작하였고, 구조는 그림에 나타나 있다. 1 cm²의 면적에 서 초기화 변화효율은 9.4 %, 안정화된 변환효율은 8.5 %였다.

Yamamoto 등은PECVD를 사용하여 STAR 구조의 poly-Si 전지를 만들었고, 이것을 2중, 3중 태양전지 제작에 이용하였다. 면적 0.5 cm²로 제작된 a-Si:H/ poly-Si형 2중 전지와 a-Si:H/ poly-Si/poly로 -Si형 3중 전지에 대해서 변환효율은 각각 11.2 %와 11.5 %였다.

Nakajima 등은 PECVD로 a-Si/ poly-Si 탠덤형 전지를 제작하여 12.1 %의 변환효율을 얻었다.

Chapter 8

a-Si/μ

c

-Si tandem 태양전지

Chapter 8

a-Si/poly-Si tandem 태양전지

Chapter 8

Top cell과 bottom cell의 광학적 갭에 따른 변환효율

Chapter 8

Ma 등은 Plasma CVD와 ECR(electron cyclotron resonance) PECVD를 사용하여 그림 8.56에서와 같은 구조의 a-Si/ poly-Si 4단자 탠덤형 태양 전지를 제작하여 변환효율 21 %를 얻었다. 탠덤형 태양전지에서 변환효율 은 top cell과 bottom cell의 광학적 밴드 갭과 i층의 두께에 의존함을 보였 고, 또한 top cell과 bottom cell의 광학적 밴드 갭과 i층의 두께를 적당히 조절함으로서 28% 이상의 변환효율을 나타낼 수 있음을 보였다. 2중 접합 태양전지에서 top cell과 bottom cell의 광학적 밴드 갭에 따른 이론적인 변 환효율의 변화는 그림에 나타나 있다.

Kaneka에서는 기존의 하이브리드(hybrid) 적층 태양전지 구조에 중간 반 사막을 삽입하는 새로운 기술로 비정질 실리콘/중간 반사막/미세결정질(다 결정) 실리콘의 새로운 구조의 태양전지에서 14.1%의 초기 효율을 얻었다.

이때 단락전류는 13.6 mA/cm², 개방전압은 1.392 V, 곡선인자 74.3%, 소 자 면적은 1 cm²이다. 또한 비정질 실리콘/다결정 실리콘/다결정 실리콘 구조의 태양전지에서 550 시간 열화 후, 12.0%의 안정화 효율을 얻었다.

이때 단락전류는 8.54 mA/cm², 개방전압은 1.84 V, 곡선인자 76.2%, 소 자 면적은 1 cm²이다. 또한 100 cm² 면적의 모듈에서 12.3%의 초기 효율 과 11.1%의 안정화 효율을 얻었다. 4140.5 cm² 면적의 서브 모듈에11.7%

의 초기 효율을 얻었으며, 266개의 서브 모듈을 연결한 시제품에서 11.2%

의 평균 효율을 얻었다.

Chapter 8

IMT Neuchatel에서는 LPCVD로 제작된 ZnO 기판 위에 하이브리드 적층 태양전지를 제작하고 있다. 제작된 태양전지의 1000 시간의 열화 후 안정 화 효율은 10.8%이다. 이때 단락전류는 11.55 mA/cm², 개방전압은 1.40 V, 곡선인자 66.6%이다. 미세결정질 실리콘 bottom cell의 두께는 약 2 ㎛ 이며, 증착률은 약 0.5 nm/s이다.

Chapter 8

주요 태양전지용 반도체의 광흡수계수 스펙트럼

Chapter 8 CuInSe₂로 대 표 되 는

I-III-VI 족 chalcopyrite 계 화 합 물 반 도 체 는 직 접 천 이 형 (direct transition) 에너지 밴드 구조를 가지고 있고, 광흡수계수가 1x10⁵ cm^-1 로 반 도 체 중 에 서 가장 높아 두께 1~2 ㎛의 박 막 으 로 도 고 효 율 의 태양전지 제조가 가능하며, 또한 장기적으로 전기·광학 적 안정성이 매우 우수한 특성을 가지고 있어 태양전 지의 광흡수 층으로 매우 이상적이다.

적층(tandem) 구조 태양전지의 광자(photon) 이용률

Chapter 8

화합물 반도체의 격자상수와 밴드 갭

Chapter 8

CIS 박막 태양전지 기본구조

Chapter 8 첫 번째 Mo 층은 레이저로, 두 번째 CIS+CdS 층과 세 번째 ZnO 층은 기계적인 방법으로

스크라이빙 한다.

대면적 CIS 박막 태양전지의 패터닝 공정

Chapter 8

CIS 태양전지의 모듈구조

Chapter 8

CIS 태양전지의 제조 공정

Chapter 8

CIS 태양전지의 연속 제조 장치 예

Chapter 8

CIGSS 제조용 동시증착(co-evaporation) 시스템 개략도

Chapter 8

연도별 CIS계 태양전지 변환효율 추이

Chapter 8

CIS계 박막 태양전지 및 모듈의 효율

ISET(미) 24.7

8.2 Electrodeposition

CuInSe₂

IPE, ZSW(독) 90.6

13.9 Co-evaporation

Cu(In,Ga)Se₂

Showa Shell 50.2

14.1 Selenization

Cu(In,Ga)(S,Se)₂

EPV(미) 3,100

7.7 Selenization

Cu(In,Ga)Se₂

Shell Solar 3,651

12.1 Selenization

Cu(In,Ga)(S,Se)₂

모듈

NREL(미) 0.418

18.4 Electrodeposition

Cu(In,Ga)Se₂

Matsushita 0.96

18.5 Co-evaporation

Cu(In,Ga)Se₂

EUROCIS(유럽) 0.38

17.6 Co-evaporation

Cu(In,Ga)Se₂

NREL(미) 0.432

19.2 Co-evaporation

Cu(In,Ga)Se₂

전지

개발기관 면적(cm²)

효율 제조법 (%)

재료 구분

Chapter 8

문서에서 태양전지공학 Chapter 8 (페이지 50-125)