에너지 소자 공학

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2017년 2학기 3^rd class

Jihoon Jang

에너지 소자 공학

실리콘 태양전지 제조 및 모듈, 효율측정 장치

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*. 실리콘 태양전지의 제조

■ 실리콘 태양전지 제조를 위한 공정

1. 실리콘의 정련 (SiO₂ → poly Si stick or particle)

2. 실리콘 잉곳의 제조 (poly Si stick or particle → Si ingot) 3. 실리콘 웨이퍼의 제조 (Si ingot → Si wafer)

4. 실리콘 태양전지의 제조 (Si wafer → Si solar cell)

5. 실리콘 태양전지 모듈의 제조 (Si solar cell → PV module)

1 2 3, 4 5

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1. 실리콘 태양전지 제조

■ 실리콘의 정련

1. SiO₂ → MG-Si 정련

: 이산화규소 (SiO₂)를 환원하여 약 98% 의 순도를 가지는 실리콘을 만드는 정련공정

→ MG-Si(metallurgical grade silicon) : 순도 약 98%의 실리콘

* MG-Si 의 반응식

SiO

₂

+ C → Si + CO

₂

* MG-Si 의 통상적인 불순물 농도

http://pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/refining-silicon

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1. 실리콘 태양전지 제조

■ 실리콘의 정련

2. MG-Si → 고순도 Si (SeG-Si, semiconductor grade Si)의 정련

: 통상적인 MG-Si 의 경우 불순물 농도가 높아 반도체 산업 및 태양전지 사용에는 부적합 → 더 높은 순도의 Si으로 정련이 필요

→ HCl(염산)과 반응시켜 SiHCl(삼염화실란) 을 제조하고 이를 수소와 반응시켜 고순도의 실리콘을 제조

* 고순도 Si 의 반응식

Si +

₃

HCl → SiHCl

₃

+ H

₂

SiHCl + H

₂

→ Si + 3HCl

₃

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1. 실리콘 태양전지 제조

■ 실리콘 웨이퍼의 제조

1. CZ 법 (Czochralski method)

: 시드 결정을 이용하여 실리콘 웨이퍼를 성장시키는 방법

→ 단결정 실리콘 웨이퍼 제조에 사용 (반도체 & 태양전지용)

→ 가장 일반적인 실리콘 웨이퍼 제조방법

http://pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/czochralski-silicon

(a) 시드를 실리콘 용탕에

담금 (b) 시드를 천천히 회전하며

실리콘 웨이퍼를 성장 (c) 단결정 실리콘 웨이퍼를 성장 완료

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1. 실리콘 태양전지 제조

2. FZ 법 (Floating Zone melting) : 실리콘 로드 혹은 바를

용융하여 고순도의 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조

→ CZ 법 웨이퍼보다 순도 ↑

→ 직경이 큰 웨이퍼 만들기 힘듬

& 가격이 비쌈

http://pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/float-zone-silicon

FZ법 웨이퍼 성장의 개략도

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1. 실리콘 태양전지 제조

3. Bridgman 법 (directional solidification 법)

: 용융 실리콘을 도가니에 담아 도가니를 한 방향으로 냉각

→ 일방향 성장된 다결정 실리콘 잉곳 제조

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=krlee013&logNo=220224541136

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1. 실리콘 태양전지 제조

4. Casting 법

: 실리콘 용탕을 도가니에 붓고 자연응고 (or 서냉)

→ 랜덤한 형태의 다결정 실리콘 잉곳 제조

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=krlee013&logNo=220224541136

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1. 실리콘 태양전지 제조

■ 실리콘 웨이퍼 태양전지의 제조

1. wafer defect etching & texturing

: KOH or HF/HNO₃ 를 이용하여 웨이퍼 표면의 결함 제거 및 텍스쳐 표면 형성

2. emitter diffusion

: 열처리로에서 가스 확산법 등을 이용하여 에미터 형성

ex) p type wafer 사용시 n type emitter 형성을 위해 POCl₃ gas 확산

3. Edge isolation

: 태양전지 가장자리에 형성된 에미터를 제거

→ 앞면 에미터와 가장자리의 절연 실시

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1. 실리콘 태양전지 제조

4. oxide etching & cleaning

: 에미터 형성 및 edge isolation 등의 공정에서 발생된 표면 산화막의 제거 및 웨이퍼 세정

5. AR coating 형성

: AR coating 을 위해 SiNx 박막을 표면에 형성

→ 통상적으로 화학기상증착법을 이용하여 증착 6. 표면 & 후면 전극 형성

: screen printing 법을 사용하여 표면 전극 및 후면 전극 형성

→ 일반적으로 전극 재료로는 Ag, Al 이 사용되며, paste 형태로 도포됨 7. Firing : 전극과 태양전지간의 접합특성 향상을 위해 소성(firing) 실시

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1. 실리콘 태양전지 제조

4. oxide etching & cleaning

: 에미터 형성 및 edge isolation 등의 공정에서 발생된 표면 산화막의 제거 및 웨이퍼 세정

5. AR coating 형성

: AR coating 을 위해 SiNx 박막을 표면에 형성

→ 통상적으로 화학기상증착법을 이용하여 증착

6. 표면 & 후면 전극 형성

: screen printing 법을 사용하여 표면 전극 및 후면 전극 형성

→ 일반적으로 전극 재료로는 Ag 가 사용되며, paste 형태로 도포됨

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2. 태양전지 모듈

■ 태양전지 모듈 (photovoltaic modules, PV modules)

- 모듈 : 표준화한 하나의 조립 부품(유닛)의 단위

→ 태양전지를 상호연결하고 봉지하여 하나의 튼튼한 구조로 만듬

→ 일반적으로 36개의 태양전지를 직렬연결

https://news.samsung.com/kr/%EC%82%BC%EC%84%B1%EC%A0%84%EC%9E%90-%EC%97%85%EA%B3%84-

%EC%B5%9C%EA%B3%A0%ED%9A%A8%EC%9C%A8-%ED%83%9C%EC%96%91%EC%A0%84%EC%A7%80-%EB%AA%A8%EB%93%88-

%EC%84%A0%EB%B3%B4%EC%97%AC

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2. 태양전지 모듈

■ 태양전지 어레이 (photovoltaic array)

: 필요한 전력을 얻기 위해 1장 또는 여러 장의 태양전지모듈을 사용여건에 맞게 연결시켜 놓은 장치

http://m.cafe.daum.net/fangxia/FFqm/171?q=D_aZp2-t-R4ic0&

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2. 태양전지 모듈

■ 태양전지 모듈화의 이유

1. 가혹한 환경으로부터 태양전지의 보호

→ 봉지화

(1) 기계적 손상 방지

(2) 전기 접촉의 부식 방지

→ 20년 이상의 수명 보증 2. 필요수준의 출력특성 확보

→ 직렬연결 및 병렬연결

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2. 태양전지 모듈

■ 태양전지 모듈의 구조

: bulk 실리콘 태양전지 모듈의 구조

태양전지의 보호

유리, 태양전지 cell, back sheet 간의 접착 & 습기, 먼지 등의 차단

태양전지 cell 의 방수, 절연, 자외선 차단

http://pveducation.org/pvcdrom/modules/module-materials

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3. 태양전지 효율 측정

■ solar simulator

: 크게 인공광원(illumination source) 및 측정장치(electronics)로 나눌 수 있음

→ 측정장치 부분은 하나의 유닛으로 구성

→ 미세한 램프 전력은 램프 혹은 시편의 높이를 조정

http://pveducation.org/pvcdrom/characterisation/measurement-of-solar-cell-efficiency

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3. 태양전지 효율 측정

1) illumination source

(1) 자연 태양광 조건에 맞는 광원이 필요

→ 광의 세기 및 스펙트럼을 표준조건에 일치 (2) 이상적인 인공광원의 조건

: 공간적인 불 균일도 (uniformity) 1% 이하

: 시간에 따른 전체 조사강도 변화 (irradiance) 1% 이하 : 스펙트럼 부정합 (spectral mismatch) 1% 이하

⇒ 기준 전지(reference cell) 을 이용하여 인공광원의 특성 평가 및 측정 전 보정

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3. 태양전지 효율 측정

http://pveducation.org/pvcdrom/characterisation/illumination-sources

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3. 태양전지 효율 측정

(3) 인원광원에 사용되는 램프 - 제논(xenon) lamp

: quartz tube 에 Xe gas 주입 후 전극의 방전으로 발광 : 자연광에 가까우며 연색성이 우수

: 적외선 방출량이 많음

→ 가시광과 자외선의 선택적 반사로 태양전지에 입사

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3. 태양전지 효율 측정

(3) 인원광원에 사용되는 램프 - 할로겐(halogen) lamp

: quartz tube 에 halogen gas 주입 후 전극의 방전으로 발광 : 시간적 안정성 우수

: 수명 우수

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3. 태양전지 효율 측정

(4) 태양광과 인공광원의 스펙트럼 비교

→ 스펙트럼의 보정 필요

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3. 태양전지 효율 측정

(4) 태양광과 인공광원 스펙트럼의 보정 필요 : 교정 태양전지 이용

→ 교정된 태양전지를 이용하여 동일한 단락전류가 측정되도록 인공광원의 세기를 조절

: 분광응답 측정

→ 각 파장에 대한 입사 에너지와 출력 에너지를 분석하고 그 차이를 보정

→ 일반적으로 교정 태양전지를 교정할 때 사용

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2. 태양전지 효율 측정

■ Temperature control

: 온도제어 불량 시 개방전압 측정 오류 : 금속 블록을 수냉 방식으로 냉각

→ 금속 블록 위에 태양전지를 위치하여 태양전지의 온도 제어

→ 열전대를 이용하여 금속 블록의 온도 확인

: 일부 태양전지의 경우 측정을 매우 빠르게 하는 flash 방식으로 온도제어 무시

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2. 태양전지 효율 측정

■ Probing

: 탐침자의 접촉 불량 시 곡선인자의 측정 불량

→ 불량이 클 경우 단락전류 및 개방전압에도 오류 발생 : four point probe 를 이용한 측정

→ 4개의 probe 를 이용하여 전압 및 전류를 각각 측정 : 전류 측정을 위해 다수의 probe 사용

→ probe 사이는 접촉되지 않아야 하며, probe 간의 간격 중요

: 일부 태양전지의 경우 측정을 매우 빠르게 하는 flash 방식으로 온도제어 무시

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2. 태양전지 효율 측정

■ Electronics

: 가변저항의 사용 대신 전류를 싱크할 수 있는 가변 전압 소스를 이용하여 전압을 변경하여 측정

OL AD

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감사합니다

■ 참고 문헌 1. PVCDROM

: http://pveducation.org/pvcdrom 2. 태양전지공학 개론

: 이준신 등 8명, 도서출판 그린, 65 ~ 184 page 3. 기타 그림자료 : 그림 밑에 표시