[논문]집광 조건에서의 GaInP/AlGaInP 이종접합 구조 태양전지 특성 연구

김정환

doi:10.14478/ace.2019.1048

집광 조건에서의 GaInP/AlGaInP 이종접합 구조 태양전지 특성 연구
Study on the Characteristics of GaInP/AlGaInP Heterojunction Photovoltaic Cells under Concentrated Illumination 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.4, 2019년, pp.504 - 508

김정환 (세종대학교 에너지자원공학과)

초록
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GaInP/AlGaInP 이종접합 구조를 제안하고 집광 조건에서 가장 높은 효율을 달성한 III-V 화합물 반도체 다중접합 태양전지의 맨 위 subcell에 주로 사용되는 GaInP 동종접합 구조를 대체해 이종접합 구조가 응용될 가능성에 대하여 조사하였다. $2^{\circ}$ off 된 웨이퍼와 $10^{\circ}$ off 된 서로 다른 off-cut 방향을 갖는 두 종류의 GaAs 기판 위에 성장된 태양전지의 특성을 집광 조건에서 측정하고 비교하였다. $10^{\circ}$ off 된 태양전지에서 더 높은 단락전류와 변환효율을 얻었다. 1 sun 조건에서 $10^{\circ}$ off 된 기판 위에 제작된 $2{\times}2mm^2$ 면적의 태양전지에서 $9.21mA/cm^2$의 단락전류밀도와 1.38 V의 개방 전압이 측정되었다. $10^{\circ}$ off 기판 위에 제작된 $5{\times}5mm^2$ 태양전지에서 집광도 증가에 따라 곡선인자(fiill factor)가 감소하여 변환효율은 6.03% (1 sun)에서 5.28% (20 sun)로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The feasibility of replacing the tope cell of pn GaInP homojunction with our GaInP/AlGaInP heterojunction structure in III-V semiconductor multijunction photovoltaic (MJPV) cells having the highest current conversion efficiency was investigated. The performance of photovoltaic (PV) cells grown on $2^{\circ}$ and $10^{\circ}$ off-oriented GaAs substrates were compared to each other. The PV cells on the $10^{\circ}$ off-cut substrate showed higher short-circuit current density ($J_{sc}$) and conversion efficiency values than that of using the $2^{\circ}$ one. For $2{\times}2mm^2$ area PV cell on $10^{\circ}$ off substrate, the $J_{sc}$ of $9.21mA/cm^2$ and the open-circuit voltage of 1.38 V were measured under 1 sun illumination. For $5{\times}5mm^2$ cell on $10^{\circ}$ off substrate, the conversion efficiency was decreased from 6.03% (1 sun) to 5.28% (20 sun) due to a decrease in fiill factor (FF).

주제어

표/그림 (5)

그림 Figure 1. Schematic epitaxial layer structure of p-GaInP/N-AlGaInP heterojunction structure.
그림 Figure 2. Comparison of current density-voltage (J-V) characteristics between PV cells on 2° off and 10° off GaAs substrates under a 1-sun illumination condition without ARC (a) 2 × 2 mm² area, (b) 5 × 5 mm².
그림 Figure 3. Current density-voltage (J-V) characteristics under concentrated illumination.
그림 Figure 4. Open-circuit voltage variation in 5 × 5 mm² solar cells on 2° off and 10° off GaAs substrates under concentrated illumination.
그림 Figure 5. Conversion efficiency and fill factor variation under concentrated illumination in 5 × 5 mm² solar cells (a) on 10° off GaAs substrates, (b) on 2° off GaAs substrates.

AI 본문요약
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문제 정의

p-GaInP/N-AlGaInP의 이종접합 에피 구조를 제안하고 이 구조가 기존의 pn-GaInP의 동종접합을 대체하여 변환효율을 증가시킬 수 있을지에 대하여 집광 조건 하에서의 작동 특성에 대하여 조사하였다. 1 sun 조건하에서 10° off 된 기판 위에 제작된 2 × 2 mm² 면적의 태양전지에서 9.
이 연구에서는 기존의 pn 동종접합 GaInP를 p-GaInP/N-AlGaInP의 이종접합으로 대체하여 변환효율의 증가 가능성을 살펴보았다. GaAs 기판의 off-cut 각도에 따른 산소 불순물(impurity)의 흡착은 집광 측정시에도 태양전지의 성능 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
염료감응형 태양전지에서도 전극의 도핑을 통해 재결합을 줄여 변환효율을 증가시킨 연구가 보고되었다[13]. 이 연구의 GaInP/AlGaInP 이종접합은 생성된 전자가 N층을 통과하는 동안에 이 층에서 태양광에 의해 전자-양공이 생성이 거의 없게 하면 전자의 재결합 확률이 감소하게 되고 셀의 변환효율 증가가 가능하다는 점에 착안하여 제안되었다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합 태양전지의 특성을 집광 조건하에서 측정하여 제안된 이종접합 구조가 기존의 pn-GaInP 동종접합을 대신하여 다중 접합 구조 태양전지에서 sub cell로 응용될 가능성에 대하여 조사하였다.

제안 방법

(100) 표면이 A 방향으로 2° off 된 웨이퍼와 10° off 된 서로 다른 off cut 방향을 갖는 두 종류의 GaAs 기판이 사용되었고 두 종류의 기판 위에 성장된 태양전지의 동작 특성을 비교하였다.
36 eV)과 맨 위에는 옴 접합(ohmic contact)을 위한 200 nm p-GaAs층으로 이루어져 있다. 각 에피층은 GaAs에 격자정합(lattice match) 구조로 설계되었다. (100) 표면이 <111>A 방향으로 2° off 된 웨이퍼와 10° off 된 서로 다른 off cut 방향을 갖는 두 종류의 GaAs 기판이 사용되었고 두 종류의 기판 위에 성장된 태양전지의 동작 특성을 비교하였다.
높은 집광도에서의 측정을 위해서는 집광에 의해 발생되는 열이 셀에서 잘 외부로 전달되어야 하기 때문에 보통 태양전지의 후면에 수 μm 두께의 금속을 전기도금 (electroplating)하는 공정이 필요한데 이 연구에서 측정된 셀들은 전기 도금 공정을 하지 않았기 때문에 1 sun에서 20 sun까지의 집광 조건까지 측정하였다.
전면의 p-전극은 포토레지스트(photoresist)를 코팅한 후 노광장비를 사용하여 그리드 패턴을 형성하고 e-beam 증착기를 이용하여 Ti/Pt/Au를 증착한 후 리프트 오프(lift-off) 공정으로 생성하였다. 열처리(annealing) 과정을 통해 옴(ohmic)전극을 형성하였다.
현재까지 대부분의 연구는 각 서브 셀들이 동종접합 구조를 갖는 구조에 대한 연구가 주를 이루었다. 이 연구에서는 GaInP pn 동종접합(homojunction) 대신 p-GaInP/N-AlGaInP 이종접합을 제안하였다. 고분자 태양전지에서는 이러한 이종접합(bulk heterojunction)이 가장 고효율을 얻는 구조로 적용되고 있다[11].
이 연구의 GaInP/AlGaInP 이종접합은 생성된 전자가 N층을 통과하는 동안에 이 층에서 태양광에 의해 전자-양공이 생성이 거의 없게 하면 전자의 재결합 확률이 감소하게 되고 셀의 변환효율 증가가 가능하다는 점에 착안하여 제안되었다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합 태양전지의 특성을 집광 조건하에서 측정하여 제안된 이종접합 구조가 기존의 pn-GaInP 동종접합을 대신하여 다중 접합 구조 태양전지에서 sub cell로 응용될 가능성에 대하여 조사하였다.

대상 데이터

5 global, 1 sun 조건)에서 태양전지의 전류 밀도와 전압특성을 나타낸다. 이 연구에서 태양전지는 반사방지막(antireflection coating, ARC)이 증착되지 않은 상태에서 측정되었다. Figure 2 (a)는 2 × 2 mm² 면적의 태양전지의 측정결과로 태양전지 전면 전극은 폭 20 μm, 간격 374 μm인 라인이 가로와 세로로 교차하는 격자형이다.

성능/효과

(b)는 5 × 5 mm2 면적의 태양전지의 경우에는 10° off 기판 위의 태양전지에서는 Jsc = 6.54 mA/cm2, Voc = 1.38 V가 각각 측정되었고 2° off 기판 위의 태양전지 에서는 Jsc = 4.84 mA/cm2, Voc = 0.98 V가 각각 측정되었다.
1 sun 조건하에서 10° off 된 기판 위에 제작된 2 × 2 mm2 면적의 태양전지에서 9.21 mA/cm2의 단락전류밀도와 1.38 V의 개방전압, 8.2% 의 변환효율이 얻어졌다.
이 연구에서는 기존의 pn 동종접합 GaInP를 p-GaInP/N-AlGaInP의 이종접합으로 대체하여 변환효율의 증가 가능성을 살펴보았다. GaAs 기판의 off-cut 각도에 따른 산소 불순물(impurity)의 흡착은 집광 측정시에도 태양전지의 성능 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이 연구에서 이종접합 태양전지의 에피층 최적화가 이루어지지 않아서 효율이 증가되는 결과를 얻지는 못하였지만 p-GaInP와 N-AlGaInP 층에서의 두께와 도핑농도에 대한 최적화를 통하면 변환효율이 증가의 가능성은 충분함을 알 수 있었다.
그 결과 10° off 기판 위에 제작된 태양전지보다 낮은 변환효율(conversion efficiency)을 나타냈다.
두 경우 모두 10° off 기판 위의 태양전지에서 Jsc가 35% 증가한 결과를 얻었다.
변환효율은 2 × 2 mm2 면적의 태양전지의 경우 10° off GaAs 기판에서 8.6%, 2° off GaAs 기판에서 3.0%를 얻었고 5 × 5 mm2 면적의 태양전지에서는 10° off GaAs 기판에서 6.0%, 2° off GaAs 기판에서 2.1%를 각각 얻었다.
이 연구에서 사용된 2° off 기판에 성장된 에피층은 10° off 기판에 성장된 에피층보다 20배 높은 산소 불순물(impurity) 농도 차이가 측정되었고 이 불순물 농도차이가 Jsc의 큰 차이를 만들어 낸 것으로 분석되었다[15].
GaAs 기판의 off-cut 각도에 따른 산소 불순물(impurity)의 흡착은 집광 측정시에도 태양전지의 성능 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이 연구에서 이종접합 태양전지의 에피층 최적화가 이루어지지 않아서 효율이 증가되는 결과를 얻지는 못하였지만 p-GaInP와 N-AlGaInP 층에서의 두께와 도핑농도에 대한 최적화를 통하면 변환효율이 증가의 가능성은 충분함을 알 수 있었다. 대부분의 태양광의 흡수가 일어 나는 p-GaInP층의 두께가 600 nm로 상대적으로 얇은 층이 사용되었는데 이 에피층의 두께를 증가시키면 단락전류의 개선이 가능하고 800 nm 두께의 N-AlGaInP층을 얇게 하여 태양광에 의해 생성된 광전자가 이동하는 동안 재결합 확률을 줄인다면 전하의 수집확률을 높아져 변환효율이 증가될 것으로 생각된다.
2% 의 변환효율이 얻어졌다. 집광 조건 하에서 10° off 기판 위에 제작된 5 × 5 mm² 태양전지의 전류-전압특성 곡선에서 단락전류는 1 sun의 6.5 mA/cm²로부터 20 sun에서 132 mA/cm²로 집광도에 따라 선형증가 하였으나 상대적으로 큰 직렬저항 값으로 인해 곡선인자가 감소하여 변환효율은 6.03% (1 sun)에서 5.28% (20 sun)로 감소하였다. 2° off 된 기판 위에 제작된 태양전지는 높은 병렬저항으로 인해 10° off 기판 위에 제작된 태양전지에 비해 낮은 단락 전류와 변환효율을 나타냈다.

후속연구

대부분의 태양광의 흡수가 일어 나는 p-GaInP층의 두께가 600 nm로 상대적으로 얇은 층이 사용되었는데 이 에피층의 두께를 증가시키면 단락전류의 개선이 가능하고 800 nm 두께의 N-AlGaInP층을 얇게 하여 태양광에 의해 생성된 광전자가 이동하는 동안 재결합 확률을 줄인다면 전하의 수집확률을 높아져 변환효율이 증가될 것으로 생각된다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합구조의 최적화를 통해 변환확률의 증가가 얻어진다면 이를 다중접합구조 태양전지의 맨 위의 서브셀(top subcell)에 적용시킬 수 있을 것으로 생각된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그리드 패리티(grid parity)를 달성하기 위해 해야 힐 것은?	태양광 발전이 대규모 발전시설에 사용되고 그리드 패리티(grid parity)를 달성하기 위해서는 집광형 태양전지(concentrator photovol- taic) 시스템을 통하여 태양전지 면적을 줄임으로써 셀 생산단가를 낮추고 집광도를 높여 태양광 발전의 균등화 발전비용(levelized cost of electricity)을 낮추어야 된다[1]. 이러한 경제성을 달성하기 위해서는 300~1,000배의 고집광이 요구되는데 현재 태양광 패널의 대부분을 차지하는 실리콘은 간접천이형 밴드갭을 갖기 때문에 100배 이상의 집광형에는 사용되기 어렵다.
	염료감응형 태양전지에서도 전극의 도핑을 통해 재결합을 줄여 변환효율을 증가시킨 연구의 배경원리는?	염료감응형 태양전지에서도 전극의 도핑을 통해 재결합을 줄여 변환효율을 증가시킨 연구가 보고되었다[13]. 이 연구의 GaInP/AlGaInP 이종접합은 생성된 전자가 N층을 통과하는 동안에 이 층에서 태양광에 의해 전자-양공이 생성이 거의 없게 하면 전자의 재결합 확률이 감소하게 되고 셀의 변환효율 증가가 가능하다는 점에 착안하여 제안되었다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합 태양전지의 특성을 집광 조건하에서 측정하여 제안된 이종접합 구조가 기존의 pn-GaInP 동종접합을 대신하여 다중 접합 구조 태양전지에서 sub cell로 응용될 가능성에 대하여 조사하였다.
	Sah-Noyce-Shockley 재결합이란?	고분자 태양전지에서는 이러한 이종접합(bulk heterojunction)이 가장 고효율을 얻는 구조로 적용되고 있다[11]. 기존의 단일 p-n접합에서는 태양광에 의해 생성된 전자-양공이 공핍층(depletion region)에서 주로 생성된다. 입사광의 세기가 매우 큰 집광형 태양광의 경우 단일 p-n접합에서는 증가된 입사광에 의해 공핍층(depletion region)에 생성된 전자-양공의 수가 증가하게 되고 charge screen 효과가 훨씬 커진다. 따라서 전자의 이동이 느려지게 되면 재결합의 확률이 커지므로 전류 변환효율이 낮아지게 된다. 이러한 공핍층에서의 재결합을 Sah-Noyce-Shockley 재결합이라고 한다[12]. 염료감응형 태양전지에서도 전극의 도핑을 통해 재결합을 줄여 변환효율을 증가시킨 연구가 보고되었다[13].

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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