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문제 정의
- 고온의 작동 온도에서도 높은 출력을 나타내는 태양전지 제작을 위해서는 태양전지 구조별 온도에 따른 태양전지 특성에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 homogeneous 에미터와 selective 에미터 구조를 가지는 상용 스크린 프린티드 단결정 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성을 측정했다. 온도에 따른 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 충진율(FF), 효율, 그리고 누설전류(I0, I01, I02) 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 고온의 지역, 혹은 일교차 및 연교차가 큰 지역에서 태양전지의 성능 변화를 파악하기 위해 homogeneous 에미터를 가지는 결정질 실리콘 태양전지와 selective 에미터의 구조를 가지는 결정질 실리콘 태양전지 두 가지 셀의 전류-전압 특성을 측정하였다. 온도를 25 ℃, 에서 80 ℃로 증가시킴에 따라 두 가지 셀 모두에서 Jsc 가 좁은 폭으로 상승했으나 Voc 이 크게 감소했으며 FF 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 누설전류가 발생되는 영역을 더 명확히 알아보기 위해서 암상태에서 측정한 전류-전압 곡선을 이용해 SCR 과 QNR 영역에서의 누설전류를 추출했다. 암상태에서의 전 류-전압 관계는 다음의 식처럼 영역을 나누어서 생각할 수 있다.
- 온도를 25, 40, 60, 80 ℃ 로 변화시켜가며 태양전지 특성을 측정했고 상온(25 ℃)의 효율 대비 80 ℃ 에서의 태양전지 특성 저하율을 계산하였다. 단락전류 상승의 원인을 설명하기 위해 온도에 따른 진성 캐리어 농도 변화를 계산하였으며, 개방전압 저하를 설명하기 위해 전류-전압 특성을 측정하고, Space Charge Region(SCR)과 Quasi-Neutral Region(QNR)의 누설전류를 추출해냈다. 온도 별 누설전류 값을 통해 homogeneous 에미터와 selective 에미터 구조의 태양전지를 비교하였다.
- 단락전류 상승의 원인을 설명하기 위해 온도에 따른 진성 캐리어 농도 변화를 계산하였으며, 개방전압 저하를 설명하기 위해 전류-전압 특성을 측정하고, Space Charge Region(SCR)과 Quasi-Neutral Region(QNR)의 누설전류를 추출해냈다. 온도 별 누설전류 값을 통해 homogeneous 에미터와 selective 에미터 구조의 태양전지를 비교하였다. 위의 측정, 추출 및 계산을 통하여 온도별 태양전지 특성 변화를 관찰하였다.
- 태양전지 제작 후 대면적 태양광 모사장치를 이용하여 온도에 따라 개방전압(Open circuit voltage, Voc), 단락전류(Short circuit current, Isc), 충진율(Fill factor, FF), 효율을 측정하였다. 온도를 25, 40, 60, 80 ℃ 로 변화시켜가며 태양전지 특성을 측정했고 상온(25 ℃)의 효율 대비 80 ℃ 에서의 태양전지 특성 저하율을 계산하였다. 단락전류 상승의 원인을 설명하기 위해 온도에 따른 진성 캐리어 농도 변화를 계산하였으며, 개방전압 저하를 설명하기 위해 전류-전압 특성을 측정하고, Space Charge Region(SCR)과 Quasi-Neutral Region(QNR)의 누설전류를 추출해냈다.
- 본 연구에서는 homogeneous 에미터와 selective 에미터 구조를 가지는 상용 스크린 프린티드 단결정 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성을 측정했다. 온도에 따른 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 충진율(FF), 효율, 그리고 누설전류(I0, I01, I02) 변화를 분석하였다.
- 온도 별 누설전류 값을 통해 homogeneous 에미터와 selective 에미터 구조의 태양전지를 비교하였다. 위의 측정, 추출 및 계산을 통하여 온도별 태양전지 특성 변화를 관찰하였다.
- 에미터를 형성한 후에는 PSG 층을 제거했다. 이후 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)을 통하여 실리콘 질화막 반사방지막을 증착하였다. 스크린 프린팅을 이용하여 전면 Ag 전극, 후면 Al 전극을 형성하였으며, 제작된 태양전지의 구조는 Fig.
- 실리콘 기판 전면은 요철구조(Texturing)를 형성하여 광 흡수를 늘렸다. 이후 샘플은 두 그룹으로 나누어 첫 번째 그룹은 인(P)을 확산시켜서 homogeneous 한 면저항을 가지는 n+ 에미터 층을 형성하였고, 두 번째 그룹은 전면전극의 접촉 영역만 고농도로 도핑하고 그외 영역은 저농도로 도핑하여 selective 에미터를 형성한 고효율 구조를 적용하였다. 에미터를 형성한 후에는 PSG 층을 제거했다.
- 1에 나타내었다. 태양전지 제작 후 대면적 태양광 모사장치를 이용하여 온도에 따라 개방전압(Open circuit voltage, Voc), 단락전류(Short circuit current, Isc), 충진율(Fill factor, FF), 효율을 측정하였다. 온도를 25, 40, 60, 80 ℃ 로 변화시켜가며 태양전지 특성을 측정했고 상온(25 ℃)의 효율 대비 80 ℃ 에서의 태양전지 특성 저하율을 계산하였다.
대상 데이터
- Cz법을 통해 성장된 1-3 Ω·cm 비저항의, 보론이 도핑된 p-type (100) 실리콘 기판을 이용하여 태양전지를 제작하였다.
- 이후 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)을 통하여 실리콘 질화막 반사방지막을 증착하였다. 스크린 프린팅을 이용하여 전면 Ag 전극, 후면 Al 전극을 형성하였으며, 제작된 태양전지의 구조는 Fig. 1에 나타내었다. 태양전지 제작 후 대면적 태양광 모사장치를 이용하여 온도에 따라 개방전압(Open circuit voltage, Voc), 단락전류(Short circuit current, Isc), 충진율(Fill factor, FF), 효율을 측정하였다.
성능/효과
- 특히, 결정질 실리콘 태양전지는 변환 효율이 높고 안정성과 지속성이 좋으며 제조 기술의 최적화가 용이하기 때문에 많은 연구가 이루어져 왔다.1,2) 태양전지는 가급적 많은 수의 광자를 흡수하여야 하기 때문에 일사량이 많을수록 출력이 증가한다. 하지만 일사량이 많은 지역은 대체적으로 온도가 높다.
- 일반적인 모듈은 40-50 ℃ 범위에서 작동하며 집광형 태양전지의 경우 그이상의 온도까지 올라간다.3) 우리 나라의 경우 1년 동안 모듈의 온도는 0 ℃ 부터 60 ℃ 이상의 온도 범위를 오르내리게 된다.1) Martin A.
- 34 % 를 나타냈다. 결과적으로 효율은 homogeneous 에미터 셀의경우 18.0 %, 에서 12.9 % 로 초기 효율과 대비하여 28.3% 의 효율이 감소했으며 selective 에미터 셀은 18.6 %에서 13.8 % 로 초기 효율 대비 25.8 % 의 감소율을 보였다(Fig. 2(d)).
- 그리고 Voc 와 FF의 온도계수가 homogeneous 에미터 태양전지가 −2.53 mV/℃와 −0.145 %/℃ 로 selective 에미터 태양전지의 Voc와 FF 온도계수 값인 −2.35 mV/℃ 와 −0.131 %/℃ 보다 상대적으로 높은 값을 보였다.
- 또한 온도계수를 태양전지의 종류에 따라 비교해 보았을 때, Isc는 homogeneous 에미터 태양전지가 4.64 × 10−3A/℃이고 selective 에미터 태양전지는 4.57 × 10−3A/℃로 상대적으로 homogeneous 에미터 태양전지의 값이 높은 값을 보였다.
- 두 식을 보면 Rs이 낮을수록, Rsh이 높을수록 FF이 향상되는 것을 알 수 있다. 실제 본 실험 결과를 이용하여 Rs과 Rsh 을 계산해 본 결과, homogeneous 에미터 태양전지와 selective 에미터 태양전지 모두 온도에 따라 Rs 이 증가 할 뿐만 아니라, Rsh 또한 감소하는 경향을 보였다. 자세하게 homogeneous 에미터 태양전지의 Rs는 25 ℃의 6.
- 고온의 지역, 혹은 일교차 및 연교차가 큰 지역에서 태양전지의 성능 변화를 파악하기 위해 homogeneous 에미터를 가지는 결정질 실리콘 태양전지와 selective 에미터의 구조를 가지는 결정질 실리콘 태양전지 두 가지 셀의 전류-전압 특성을 측정하였다. 온도를 25 ℃, 에서 80 ℃로 증가시킴에 따라 두 가지 셀 모두에서 Jsc 가 좁은 폭으로 상승했으나 Voc 이 크게 감소했으며 FF 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 온도 증가에 따라 Jsc 가 증가한 원인은 ni 농도가 증가하였기 때문이다.
후속연구
- 이러한 결과로 유추 해보았을 때 ni뿐만 아니라 어떤 구조의 형태가 되느냐에 따라서 온도에 따른 특성변화가 있을 것으로 판단된다. 이는 추후 여러 구조의 태양전지를 비교하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단한다.
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