[논문]실리콘 기반 탠덤 태양전지 연구 동향

배수현; 이상원; 황재근; 조경진; 이원규; 강윤묵; 이해석; 김동환

실리콘 기반 탠덤 태양전지 연구 동향 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.3 no.2, 2017년, pp.6 - 15

배수현 (고려대학교 신소재공학과) , 이상원 (고려대학교 신소재공학과) , 황재근 (고려대학교 신소재공학과) , 조경진 (고려대학교 신소재공학과) , 이원규 (고려대학교 신소재공학과) , 강윤묵 (고려대학교 그린스쿨대학원) , 이해석 (고려대학교 그린스쿨대학원) , 김동환 (고려대학교 신소재공학과 그린스쿨대학원)

초록
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실리콘 태양전지는 현재 태양광 시장의 90% 이상을 차지하고 있으며 향후에도 기술 개발을 통해 태양광 시장을 주도하는 기술로 예상되고 있다. 실리콘 태양전지의 가격 경쟁력 확보를 위해 새로운 기술이 개발되고 있는 상황에서 효율 한계를 극복하기 위한 탠덤 태양전지 연구가 주목 받고 있다. 실리콘 기반 탠덤 태양전지의 여러 후보 물질 중 페로브스카이트는 공정의 용이성뿐 아니라 물질의 특성이 탠덤 태양전지 소재로써 적합하여 최근 주요하게 연구되고 있다. 본 논문 에서는 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

최근 상부 태양전지 물질로 밴드갭 조절이 용이하고, 저가 공정이 가능한 페로브스카이트를 적용하여 22% 이상의 효율이 구현됨으로써^[6] 실리콘 기반 탠덤 태양전지에 적합한 후보군으로 대두되었다. 본 연구에서는 가장 이슈가 되고 있는 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 연구 동향에 대해 살펴보기로 한다.
^[14] 기존의 투명 전극은 대부분 스퍼터 공정을 사용한 TCO(ITO, IZO 등) 였지만, 페로브스카이트 박막 손상이 발생하는 문제가 있었다. 본 연구에서는 투명 산화물 전도체 대신 금속 박막을 증착하는 공정을 개발함으로써 전도도와 투과도를 동시에 확보하였다(그림 5).

제안 방법

73 ev) PbI₂가 잔류하지 않는 페로브스카이트 박막을 제작하여 캐리어의 lifetime을 높였다. 또한 하부 태양전지의 광학적 손실 저감을 위하여 전면에 전극이 위치하지 않은 IBC 태양전지를 적용하였다. 4-terminal 탠덤 태양전지는 상부 태양전지의 밴드갭을 변화시키는 연구 및 투과도 증가를 위한 투명 전극 개발에 초점을 맞추고 있다(그림 6).
전자 전달층과 정공전달층 역시 안정한 소재로 알려진 SnO₂과 NiO를 사용하였으며, 결과적으로 봉지재를 적용한 상태에서 온도 85°C, 상대습도 85%, 1,000시간 안정성 시험을 통과하였다. 또한 하부셀의 후면부에 실리콘 나노 파티클을 형성하여 장파장 빛의 흡수를 향상시켰으며, 고온 공정이 필요한 용액 기반의 NiO 박막을 저온․장시간 열처리 공정으로 대체하였다. 표면이 거친 Mixed 페로브스카이트로 인한 shunt 및 short 방지를 위하여 LiF 층을 추가로 사용하였으며 전자 전달층의 conformal 코팅을 위하여 Chemical Vapor Deposition(CVD)공정과 Atomic Layer Deposition(ALD)공정을 도입하였다.
상부 페로브스카이트 태양전지는 광 흡수층으로 MAPbI₃, 전자전달층과 전공전달층으로 각각 다공성 TiO₂ 와 Spiro-OMeTAD를 사용하였다. 상부 투명전극으로는 Ag 나노와이어를 전사하여 제작하였으며 LiF 반사방지막을 증착하여 광흡수를 증가시켰다. 상부셀과 하부셀의 연결 부위로 사용되는 tunnel junction의 경우 PECVD 장비를 사용하여 a-Si:H층을 증착하고 열처리하여 제작하였다.
직렬로 연결이 되지 않은 구조이기 때문에 2-terminal 태양전지에서와 같이 전류를 매칭할 필요가 없지만 하부 태양전지 효율 증가를 위해 상부 태양전지의 투과도를 향상시키는 연구가 중요하다. 여러 연구기관에서 효율 및 이론 계산 결과에 대한 발표를 진행하였고, 주요한 결과들을 요약하였다(표 1).
^[12] FA, Cs 기반 페로브스카이트 물질을 제작하고 최적화함으로써 밴드갭이 향상되면서도 기존 태양전지와 유사한 결과를 확인하였다. 특히 다공성 구조의 전극을 적용하지 않고 고효율의 투명 박막 태양전지를 제작함으로써 2-terminal 탠덤 태양전지 제작에도 적합한 기술을 개발하였다(그림 4).
표면이 거친 Mixed 페로브스카이트로 인한 shunt 및 short 방지를 위하여 LiF 층을 추가로 사용하였으며 전자 전달층의 conformal 코팅을 위하여 Chemical Vapor Deposition(CVD)공정과 Atomic Layer Deposition(ALD)공정을 도입하였다.

대상 데이터

6% 효율을 갖는 탠덤 태양전지를 보고하였다(그림10).^[21] 공동 연구진은 상부셀과 하부셀의 전류 매칭을 최적화 하고 안정성을 확보하기 위하여 Cs과 FA를 양이온으로, Br과 I를 halide로 사용한 페로브스카이트를 상부셀로 사용하였다. 전자 전달층과 정공전달층 역시 안정한 소재로 알려진 SnO₂과 NiO를 사용하였으며, 결과적으로 봉지재를 적용한 상태에서 온도 85°C, 상대습도 85%, 1,000시간 안정성 시험을 통과하였다.
[9,10] Ballif 교수 팀에서는 하부셀은 HIT 구조의 실리콘 태양전지를 사용하였고 상부셀로는 MAPbI3와 meso-TiO2를 사용한 구조의 페로브스카이트 태양전지를 사용하였다.
^[18] 공동연구팀은 n-type 실리콘 웨이퍼에 과 도핑 된 p-type 에미터와 과 도핑 된 n-type back surface field(BSF)를 사용하여 하부 실리콘 태양전지를 제작하였다. 상부 페로브스카이트 태양전지는 광 흡수층으로 MAPbI₃, 전자전달층과 전공전달층으로 각각 다공성 TiO₂ 와 Spiro-OMeTAD를 사용하였다. 상부 투명전극으로는 Ag 나노와이어를 전사하여 제작하였으며 LiF 반사방지막을 증착하여 광흡수를 증가시켰다.

성능/효과

[9] 다음으로 스퍼터 공정 최적화를 통해 IZO 투명 전극을 개발함으로써 상부 투명 페로브스카이트 태양전지의 효율을 10% 이상으로 제작하였고, 그 결과 18% 이상의 탠덤 태양전지 효율을 달성하였다(그림 3).
그림 8은 EPFL에서 보고한 소자의 개략도 이다. 결과적으로 MIT와 Stanford의 공동 연구에 비해 전압과 전류 모두 큰 폭으로 상승하여 18.1%의 효율이 보고되었다.
현재까지 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 Mixed 페로브스카이트 사용, 반사방지막 도입, 하부셀 후면 구조 개선, 구성 층들의 두께 조절 등을 통한 전류 매칭과, 저온공정 개발, 스퍼터 데미지 방지를 위한 희생 층 도입을 중심으로 기술 개발이 이루어졌다. 그 결과로 2015년 3월 13.7% 최초 보고에서부터 현재 23.6%까지 효율 상승이 이루어졌다. 한 가지 주목할 만한 점은 현재까지 제작된 페로브스카이트/실리콘 2-terminal 탠덤 태양전지의 경우 하부셀 전면의 텍스쳐링이 모두 제거되어 평평한 구조라는 점이다.
단일 접합 실리콘 태양전지의 Shockley-Quieisser 이론 한계 효율은 약 33%이며,[3] Auger recombination, Band gap narrowing, Free carrier absorption 등의 물리적 해석을 고려한 실리콘 태양전지의 이론 효율은 약 29.5%이다.
4%의 높은 효율을 보였다. 상부셀은 FA/MA/Cs/Rb 을 조합하여 밴드갭을 조절하였으며(1.73 ev) PbI₂가 잔류하지 않는 페로브스카이트 박막을 제작하여 캐리어의 lifetime을 높였다. 또한 하부 태양전지의 광학적 손실 저감을 위하여 전면에 전극이 위치하지 않은 IBC 태양전지를 적용하였다.
전자 전달층과 정공전달층 역시 안정한 소재로 알려진 SnO2과 NiO를 사용하였으며, 결과적으로 봉지재를 적용한 상태에서 온도 85°C, 상대습도 85%, 1,000시간 안정성 시험을 통과하였다.

후속연구

페로브스카이트 태양전지는 고효율이 보고되었을 뿐 아니라 제작의 용이성, 저가화 ,밴드갭 조절 등의 특징 또한 가지고 있어 탠덤 태양전지의 유망한 물질이라고 할 수 있다. 지속적 연구 개발을 통해 단일접합 효율 한계를 극복하고 동시에 안정적으로 산업에 적용됨으로써 태양광 산업의 경쟁력을 확보할 수 있는 기술이 되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	n-type 태양전지의 장단점은 무엇인가?	이 중 에미터 도핑, 표면 패시베이션 등의 기술적 제약이 상대적으로 낮은 p-type 태양전지의 경우가 시장을 점유하고 있다. 반면 n-type 태양전지는 제작 공정이 상대적으로 어려운 부분이 있지만 웨이퍼의 전기적 특성이 p-type 보다 우수하여 고효율을 달성할 수 있는 잠재력이 존재하며, 최근 26%를 상회하는 결과가 발표되었다.[2]
	결정질 실리콘 태양전지는 어떻게 구분되는가?	결정질 실리콘 태양전지는 실리콘의 타입에 따라 p-type 과 n-type 태양전지로 구분된다. 이 중 에미터 도핑, 표면 패시베이션 등의 기술적 제약이 상대적으로 낮은 p-type 태양전지의 경우가 시장을 점유하고 있다.
	제품 생산의 관점에서 페로브스카이트가 적합한 물질인 이유는 무엇인가?	[5] 하지만 제품 생산의 관점에서 공정의 용이성 및 공정 단가 저감이 중요하다고 할 수 있다. 최근 상부 태양전지 물질로 밴드갭 조절이 용이하고, 저가 공정이 가능한 페로브스카이트를 적용하여 22% 이상의 효율이 구현됨으로써 [6] 실리콘 기반 탠덤 태양전지에 적합한 후보군으로 대두되었다. 본 연구에서는 가장 이슈가 되고 있는 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 연구 동향에 대해 살펴보기로 한다.

참고문헌 (22)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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