고효율 다결정 태양전지 제작의 방향을 제시하기 위해 PC1D 프로그램을 이용하여 전, 후면 재결합 속도, 소수 캐리어 확산거리, 접합깊이, 에미터 층 면저항, 후면 전계층이 미치는 영향을 조사하였다. 최적화된 전지 파라미터는 후면 재결합 속도 1000 cm/sec, 베이스 층에서의 소수 캐리어 확산거리 50 [${\mu}m$], 전면 재결합 속도 100 [cm/sec], 에미터 층 면저항 $100{\Omega}/\Box$, 후면 전계층 두께 및 도핑 농도는 각각 0.5 [${\mu}m$]와 $5{\times}10^{19}\;cm^{-3}$로 조사되었다. 특히 19.8% 이상의 변환효율을 얻기 위해서는 베이스층의 확산거리가 가장 중요한 파라미터임을 알 수 있었다.
고효율 다결정 태양전지 제작의 방향을 제시하기 위해 PC1D 프로그램을 이용하여 전, 후면 재결합 속도, 소수 캐리어 확산거리, 접합깊이, 에미터 층 면저항, 후면 전계층이 미치는 영향을 조사하였다. 최적화된 전지 파라미터는 후면 재결합 속도 1000 cm/sec, 베이스 층에서의 소수 캐리어 확산거리 50 [${\mu}m$], 전면 재결합 속도 100 [cm/sec], 에미터 층 면저항 $100{\Omega}/\Box$, 후면 전계층 두께 및 도핑 농도는 각각 0.5 [${\mu}m$]와 $5{\times}10^{19}\;cm^{-3}$로 조사되었다. 특히 19.8% 이상의 변환효율을 얻기 위해서는 베이스층의 확산거리가 가장 중요한 파라미터임을 알 수 있었다.
Poly-Si wafers with resistivity of 1 [${\Omega}$-cm[ and thickness of 50 [${\mu}m$] were used as a starting material. Various efficiency influencing parameters such as rear surface recombination velocity and minority carrier diffusion length in the base region, front surface re...
Poly-Si wafers with resistivity of 1 [${\Omega}$-cm[ and thickness of 50 [${\mu}m$] were used as a starting material. Various efficiency influencing parameters such as rear surface recombination velocity and minority carrier diffusion length in the base region, front surface recombination velocity, junction depth and doping concentration in the Emitter layer, BSF thickness and doping concentration were investigated. Optimized cell parameters were given as rear surface recombination of 1000 [cm/sec], minority carrier diffusion length in the base region 50 [${\mu}m$], front surface recombination velocity 100 [cm/sec], sheet resistivity of emitter layer 100 [${\Omega}/{\Box}$], BSF thickness 0.5 [${\mu}m$], doping concentration $5{\times}10^{19}\;cm^{-3}$. Among the investigated variables, we learn that a diffusion length of base layer acts as a key factor to achieve conversion efficiency higher than 19.8 %. Further details of simulation parameters and their effects to cell characteristics are discussed in this paper.
Poly-Si wafers with resistivity of 1 [${\Omega}$-cm[ and thickness of 50 [${\mu}m$] were used as a starting material. Various efficiency influencing parameters such as rear surface recombination velocity and minority carrier diffusion length in the base region, front surface recombination velocity, junction depth and doping concentration in the Emitter layer, BSF thickness and doping concentration were investigated. Optimized cell parameters were given as rear surface recombination of 1000 [cm/sec], minority carrier diffusion length in the base region 50 [${\mu}m$], front surface recombination velocity 100 [cm/sec], sheet resistivity of emitter layer 100 [${\Omega}/{\Box}$], BSF thickness 0.5 [${\mu}m$], doping concentration $5{\times}10^{19}\;cm^{-3}$. Among the investigated variables, we learn that a diffusion length of base layer acts as a key factor to achieve conversion efficiency higher than 19.8 %. Further details of simulation parameters and their effects to cell characteristics are discussed in this paper.
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문제 정의
한편, 고효율 다결정 실리콘 태양전지의 제작을 위해서는 태양전지의 변환 효율에 영향을 주는 요소들을 정확히 알아야하며, 이들이 미치는 영향이 어떠한 것인지를 아는 것이 중요하다. 본 논문에서는 실리콘 p-n 접합 태양전지의 구조를 이용하여, 각 층의 영향요소가 변환 효율에 어떠한 영향을 미치는가를 조사하였다.
본 논문에서는 후면 전계층이 변환효율에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 도핑 농도(Na)와 침투 깊이의 영향을 고려하여 최적화하였다.
제안 방법
고효율 다결정 실리콘 태양전지 제작을 위해 위하여 PC1D 프로그램을 이용하여 태양전지의 각 층의 요소들이 변환효율에 미치는 영향을 조사하였다.
Ln은 길수록 좋으며, Sr은 느릴수록 좋으나 도달할 수 있는 기술적 한계가 존재하므로 이들의 영향을 고려하여 적정한 값을 정하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 소수 캐리어 확산거리 Ln을 10 [㎛]에서 70[㎛]까지 변화시켰으며, 각각의 Ln에 대해서 후면 재결합 속도는 100 [cm/sec], 1000 [cm/sec], 10000 [cm/sec]까지 변화시키면서 이들의 영향을 조사하였다.
본 연구에서 모의실험에 이용된 프로그램은 IBM PC용으로 호주의 UNSW(University of New South Wales)에서 개발된 PC1D(version 5.0)로서 손쉽게 파라미터를 변환시킬 수 있으며, 태양전지의 전류-전압 특성 뿐 아니라 IQE(Internal Quantum Efficiency)까지도 조사가 가능하다.
전면 재결합 속도는 100 [cm/sec], 1000 [cm/sec], 10000 [cm/sec]에 대해서 조사하였으며, 표면저항은 20 Ω/□에서 500 Ω/□까지 변화시켰다.
따라서 적절한 범위에서 에미터 층 형성조건을 최적화할 필요가 있다. 최적화를 위하여 사용된 변수는 접합 깊이(Xj), 표면의 면저항(R□), 전면 재결합 속도(Sf)이며, 후면 재결합 속도는 100 [cm/sec],베이스 층 확산거리는 30 [㎛]로 고정하였다. 전면 재결합 속도는 100 [cm/sec], 1000 [cm/sec], 10000 [cm/sec]에 대해서 조사하였으며, 표면저항은 20 Ω/□에서 500 Ω/□까지 변화시켰다.
후면 재결합 속도가 에미터 층에 주는 영향을 최소화하기 위하여 재결합 속도는 100 [cm/sec]로 고정하고 에미터 층의 모의실험을 수행하였다. 에미터 층의 면저항은 도핑 농도를 변화시켜 조절할 수 있는데, 전면 전극을 설계할 때 매우 중요한 요소이므로 이들이 변환 효율에 주는 영향을 그림 4에 나타내었다.
대상 데이터
출발 물질은 두께 50 [㎛], 비저항 1[Ω-cm]의 실리콘 웨이퍼를 이용했으며, 최적화 절차를 그림 1에 나타내었다.
성능/효과
(1) 베이스 층에 대한 모의실험 결과 소수 캐리어 확산거리가 30 [㎛]이하에서는 후면 재결합 속도가 전지의 효율에 큰 영향을 미치지 못하며, 고효율 태양전지를 제작하기 위해서는 소수 캐리어 확산거리를 30 [㎛] 이상, 후면 재결합 속도를 1000 [cm/sec] 이하로 하기 위한 효과적인 후면 패시베이션 공정의 확립이 필수적임을 알았다.
(2) 에미터 층에 대한 모의 실험결과 전면 전극의 차광 면적과 직렬저항 성분을 무시할 수 있다면 에미터의 면저항이 약 100 [Ω/□] 정도에서 변환 효율이 포화되며, 이때 전면 재결합 속도는 1000 [cm/sec] 이하가 되어야 함을 알았다.
(3) 후면 전계층에 대한 모의실험 결과, 농도 5×1019 cm-3, 접합 깊이는 약 5 [㎛] 정도가 가장 적절함을 알 수 있었다.
(2) 에미터 층에 대한 모의 실험결과 전면 전극의 차광 면적과 직렬저항 성분을 무시할 수 있다면 에미터의 면저항이 약 100 [Ω/□] 정도에서 변환 효율이 포화되며, 이때 전면 재결합 속도는 1000 [cm/sec] 이하가 되어야 함을 알았다. 같은 면저항에서는 접합깊이가 IQE에 미치는 영향을 극히 미약했으며, 표면 재결합속도가 중요한 변수임을 알았다.
모의실험 결과 도핑 농도 5×1019 cm-3, 접합 깊이는 약 5 [㎛] 정도가 가장 적절함을 알 수 있다.
그림 2에는 이들이 변환효율에 미치는 영향을 보였다. 소수 캐리어 확산거리가 증가함에 따라 후면 재결합 속도에 관계없이 전지 효율이 향상됨을 알 수 있다. 그러나 확산거리가 웨이퍼 두께에 해당하는 50 [㎛] 이상의 값에서는 효율에 큰 영향을 미치지 못한다.
에미터 층 면저항을 100 [Ω/□]로 고정하고 접합 깊이와 전면 재결합 속도를 변수로 하여 IQE를 조사해본 결과 같은 면저항을 사용하였을 경우에는 전면 재결합 속도가 가장 큰 변수로 작용하였으며, 접합깊이는 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있었으며, 도핑 농도를 변수로 하여 같은 실험을 수행한 결과 도핑 농도가 낮을수록 IQE가 좋아짐을 알 수 있었다. 따라서 좋은 IQE를 얻기 위해서는 낮은 표면 재결합 속도가 필요하며, 이를 달성하지 못할 경우 낮은 도핑 농도와 접합깊이가 필요함을 알 수 있었다.
후면 전계는 후면 금속 전극과의 접촉저항을 줄이거나 낮은 후면 재결합 속도를 얻음으로 해서 전지의 역포화 전류를 억제하는 효과를 얻을 수 있으므로 높은 개방 전압을 얻을 수 있어 매우 중요한 부분이다. 표 2에 전면 재결합 속도 100 [cm/sec], 에미터 면저항 100 [Ω/□], 베이스 확산거리 50 [㎛]인 경우의 후면 전계의 특성이 전지 효율, 개방전압, IQE에 주는 영향을 보였다. 침투 깊이가 5 [㎛] 이상이 되면 도핑 농도는 큰 영향을 주지 않고 있는 것을 볼 수 있으며, 1 [㎛]에서는 도핑 농도에 비례함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내부 양자효율이란?
내부 양자효율(IQE)은 태양전지가 입사된 포톤의 에너지를 얼마만큼 효과적으로 이용하는가를 판가름할 수 있는 매우 중요한 특성이다. 베이스 층은 비교적 낮은 에너지를 가지는 장파장 영역의 IQE 특성에 많은 영향을 주고 있으며 이를 높이는 것은 효율향상을 위해 필수적이다.
태양광 발전의 장점은?
점차 심각해져 가는 지구 환경문제와 자원고갈 문제로 인해 주목을 받기 시작한 태양광 발전은 자원이 거의 무한정하고, 지역 편재성이 적으며, 공해 등 오염이 전혀 없는 가장 바람직한 에너지 기술 중의 하나이다. 미국, 일본, 독일 등에서는 청정 에너지원으로써 태양광 발전의 실용화 촉진이 정부 차원에서 추진되고 있으며, 특히 일본의 경우 각 가정에 태양전지를 설치하여 2기가 와트에 해당하는 전력을 충당하는 백만호 건설을 추진 중에 있다.
에미터 층의 면저항의 경우 약 50 Ω/□이하에서는 변환 효율이 급격히 떨어짐을 보이는 이유는?
에미터 층의 면저항이 약 50 Ω/□이하에서는 변환 효율이 급격히 떨어짐을 볼 수 있다. 이는 도핑 농도가 높아짐에 따라 에미터 층의 캐리어 이동도가 현저히 떨어지고 내부의 재결합이 증가하여 단락 전류와 개방 전압이 급격히 감소하는 것으로 해석된다. 재결합 속도를 1000 [cm/sec] 이하로 떨어뜨릴 수 있는 공정을 확립할 경우 적절한 에미터 층의 면저항은 약 100 [Ω/□]이나 모의실험에서 사용된 것과 같이 전면 전극이 차지하는 면적을 전지 면적의4 %이하로 유지하면서 동시에 직렬저항을 0.
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