[논문]전하선택형 태양전지의 연구개발 동향

조은철; 조영현; 이준신

doi:10.21218/cpr.2018.6.2.043

전하선택형 태양전지의 연구개발 동향
Research and Development Trend of Carrier Selective Energy Contact Solar Cells 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.6 no.2, 2018년, pp.43 - 48

조은철 (전자전기공학부, 성균관대학교) , 조영현 (전자전기공학부, 성균관대학교) , 이준신 (전자전기공학부, 성균관대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The traditional silicon heterojunction solar cells consist of intrinsic amorphous silicon to prevent recombination of the silicon surface and doped amorphous silicon to transport the photo-generated electrons and holes to the electrode. Back contact solar cells with silicon heterojunction exhibit very high open-circuit voltages, but the complexity of the process due to form the emitter and base at the backside must be addressed. In order to solve this problem, the structure, manufacturing method, and new materials enabling the carrier selective contact (CSC) solar cell capable of achieving high efficiency without using a complicated structure have recently been actively developed. CSC solar cells minimize carrier recombination on metal contacts and effectively transfer charge. The CSC structure allows very low levels of recombination current (eg, Jo < 9fA/cm2), thereby achieves high open-circuit voltage and high efficiency. This paper summarizes the core technology of CSC solar cell, which has been spotlighted as the next generation technology, and is aiming to speed up the research and development in this field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

과제의 목표는 CSC 태양전지 변환효율 24% 이상의 기술 개발, CSC용 새로운 전자수송, 홀수송 재료개발 및 전하선택 형접촉 신규 물질 개발 및 CSC 태양전지 6인치(156 mm × 156 mm)급 산업화 핵심 기반 기술 확보를 목표로 한다.
2는 google scholar에서 “carrier selective contacts”으로 검색한 논문의 수로, 관련된 연구가 지속적으로 증가함을 보여 준다. 본 논문에서는 실리콘 태양전지의 고효율화를 달성할 수 있는 차세대 기술로 각광을 받으며, 최근 연구개발에 속도를 높이고 있는 CSC 태양전지의 핵심 기술을 정리하였다.
본 리뷰는 poly-Si와 MoOx를 이용한 ESC와 HSC 태양전지의 개발 현황과 주요 개발 이슈를 정리하였다. 본 리뷰를 통해 ESC, HSC 및 CSC에 대한 이해도를 높이고 연구개발을 촉진하여, CSC 분야의 연구개발이 좀 더 활성화되기를 기원한다.
5%, 모듈에서 22% 이상을 개발하기 위해 산학연 협력체를 구성하였다. 본 연구는, 일사량에 따라 다르지만, 균등화 전력 비용(LCOE: Levelized Costs of Electricity) 0.04-0.07 $/kWh를 달성하여 태양광 발전이 가장 저렴한 전력원중의 하나가 되는 핵심요소를 제공하고, 기후환경 변화 대응에 공헌하며 유럽에서의 태양광 연구, 기술 개발, 생산기반 확보의 기반 제공을 목표로 한다.
초고효율(>26%) 실리콘 웨이퍼 기반 태양전지 기술 개발” 과제로 ESC의 기술개발 과제를 진행하였다. 이 과제는 poly-Si을 이용한 ESC 태양전지 개발을 목표로 한다. 성균관대학교에서는 “고효율 결정질 실리콘 태양전지용 전하선택접촉 기술개발” 과제를 10개 산학연 기관과 ESC, HSC 및 ESC/HSC 태양전지 개발을 목표로 협업하고 있다.
유럽 EPFL 중심으로 12개 기관이 “Double side contacted cells with innovative carrier-selective contacts”이란 초대형 연구과제 수행을 2016년 10월부터 2019년 9월까지 수행하고 있다. 이 연구과제는 실리콘의 잠재력을 최대화하고 기존의 생산 라인을 개선하거나 미래의 생산라인에서 활용 가능한 CSC 태양전지를 개발한다. 컨소시엄에서는 경쟁력 있는 원가와 시생산 준비성을 증명하고, 대면적 셀에서 변환효율 25.

제안 방법

이구조의 주요 특징은 상대적으로 두꺼운 2~3 nm 두께의 산화막을 성장시킨 후, 1,000°C 이상의 고온 열처리 공정에서 산화막에 pinhole을 형성하여 표면 passivation과 전하 이동에 이용하였다. ETL과 HTL로 사용되는 poly-Si층은 LPCVD에 의해 증착한 후, P와 B의 이온주입으로 도핑농도를 정밀하게 조정하였다. ISFH에서 보고된 POLO구조는 Table 2와 같이 CSC을 평가 하는 주요 인자인 재결합전류 밀도(Joe, recombination current)와 접촉저항이 가장 우수한 특성을 보여 준다.
CSC 태양전지에 사용될 수 있는 물질은 ① 비정질 실리콘 ② Metal-Insulator 또는 Metal- Semiconductor-Insulator ③ SIPOS (P-doped Semi-Insulating POlycrystalline Silicon), ④ Poly-Si ⑤ TMO 등이 있다. Table 1은 CSC 구성물질, 선택전하 특성 (ESC, HSC 또는 ESC/HSC)과 태양전지 특성을 정리하였다.
아래 절에서는 ESC의 대표적인 구조인 SiO₂ /poly-Si과 HSC의 대표적인 구조인 a-Si/TMO의 특성과 연구개발 결과를 정리 하였다.
ESC 또는 HSC을 따로 적용하는 CSC 구조 외에 ESC와 HSC을 동시에 CSC 태양전지를 구현하는 것도 가능하다. 앞서 언급한 FhISE에서의 SiO_x/ poly-Si(n형)과 후면에 SiOx/ poly-Si(p 형)을 이용한 구조⁸⁾ 외에 ANU/Berkeley/EPFL 연구진의 공동 연구로 MoO x /a-Si:H(i)/n-Si/a-Si:H(i)/LiF_x 구조로 실리콘에 도핑을 하지 않은 태양전지를 제조하였다 ¹⁶⁾ . Work function이 큰 MoO_x(≈ 5.
이구조의 주요 특징은 상대적으로 두꺼운 2~3 nm 두께의 산화막을 성장시킨 후, 1,000°C 이상의 고온 열처리 공정에서 산화막에 pinhole을 형성하여 표면 passivation과 전하 이동에 이용하였다.

대상 데이터

Work function이 큰 MoOx(≈ 5.7 eV)을 HTL 물질로, work function이 작은 LiFx (≈ 2.87 eV)을 ELT 물질로 사용하였다.

성능/효과

MoOx/i a-Si:H 소자는 투명전도막과 금속 전극 형성후 200°C 정도에서 열처리를 진행하며, MoOx와 투명전도막 사이에 층간 intermixing이 발생하며 소자의 특성이 저하됨을 발견하였다.

후속연구

MIRACLE (Material Independent Rear pAssivated Contact soLar cEll)은 실리콘 기판이 n형 또는 p형에 무관하게 23%의 효율을 달성하고자 하는 bifacial 태양전지 개발과제이다. RADAR (tRansparent pAssivating contact Design for Advanced solaR cells)는 변환효율 24% 이상의 Bifacial 태양전지를 개발하는 과제로 투과도가 높고 CSC 특성과 passivation이 우수한 도핑된 금속산화물과 poly-SiCx 또는 poly-SiOx를 개발할 예정이다. 이 물질들은 bifacial 태양전지의 전, 후면에 적용될 예정이다.
본 리뷰는 poly-Si와 MoOx를 이용한 ESC와 HSC 태양전지의 개발 현황과 주요 개발 이슈를 정리하였다. 본 리뷰를 통해 ESC, HSC 및 CSC에 대한 이해도를 높이고 연구개발을 촉진하여, CSC 분야의 연구개발이 좀 더 활성화되기를 기원한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통적인 실리콘 태양전지의 구조는?	7%의 효율을 기록하였다1) . 전통적인 실리콘 태양전지의 구조는 수광면에 전극과 pn 접합, 후면에 전류의 수집을 위한 p-p+ 접합이 형성되어 있으며, IBC 태양전지 구조의 장점은 전면에 전극이 없고 광전류의 재결합을 방지하는 절연체 박막이 형성되어 있다. IBC의 26.
	IBC 태양전지 구조의 장점은?	7%의 효율을 기록하였다1) . 전통적인 실리콘 태양전지의 구조는 수광면에 전극과 pn 접합, 후면에 전류의 수집을 위한 p-p+ 접합이 형성되어 있으며, IBC 태양전지 구조의 장점은 전면에 전극이 없고 광전류의 재결합을 방지하는 절연체 박막이 형성되어 있다. IBC의 26.
	금속/실리콘 접촉 영역의 재결합을 막기 위한 CSC태양전지의 역할은?	금속/실리콘 접촉 영역의 재결합은 고효율화를 위한 가장 큰 제한 요소이다. CSC 태양전지는 금속접촉에서 전하의 재결합이 최소화되고 효과적으로 전하를 이송시킨다. 실리콘과 금속전극이 분리된 CSC 구조는 재결합 전류 매우 낮은 수준으로(예, Jo < 9 fA/cm 2 ), 높은 개방전압과 고효율 달성을 가능하게 한다.

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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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