초록 ▼

최근 들어 전기차의 증가, Internet of things(IOT) 및 스마트 전자기기 제품들의 증가, 코로나로 인한 재택근무 및 화상회의, 클라우드의 사용 등으로 다양한 기기들이 전기를 사용하고 있다. 이런 기기 및 장치들을 통해 편리한 현대 시대의 삶을 영위할 수 있다. 특히 전기자동차는 배터리에 일반 가정집에서 5~7일 정도 사용할 수 있는 전기를 충전하기 때문에 전기자동차가 늘수록 전기 사용량이 급격하게 증가된다. 한편, 에너지 소비자들도 기후변화 및 공해로 인하여 환경적으로 영향을 덜 주는 안전한 에너지를 선호하는 성향이

최근 들어 전기차의 증가, Internet of things(IOT) 및 스마트 전자기기 제품들의 증가, 코로나로 인한 재택근무 및 화상회의, 클라우드의 사용 등으로 다양한 기기들이 전기를 사용하고 있다. 이런 기기 및 장치들을 통해 편리한 현대 시대의 삶을 영위할 수 있다. 특히 전기자동차는 배터리에 일반 가정집에서 5~7일 정도 사용할 수 있는 전기를 충전하기 때문에 전기자동차가 늘수록 전기 사용량이 급격하게 증가된다. 한편, 에너지 소비자들도 기후변화 및 공해로 인하여 환경적으로 영향을 덜 주는 안전한 에너지를 선호하는 성향이 점차 증가되고 있다.



늘어가는 전기 수요를 충당하기 위하여 좀 더 많은 발전소의 건립이 요구되고 있다. 최근 들어 화석연료 신규 발전소는 점차 감소되고 있고, 신재생에너지 신규 발전소 건립의 비율이 점차 커지고 있다. 이러한 신재생에너지 발전원으로의 이동이 더욱더 뚜렷해지고 있다[1]. 특히, 태양광이 2019년 전 세계 신규 에너지 발전원 중 49%를 차지하며 단연 높은 점유율을 나타내고 있다[2]. 그림 1에서 알 수 있듯이, 과거 2011년까지만 해도 태양광에너지는 상대적으로 비싼 에너지였기 때문에 정부 보조금에 의지해야 하는 상태였다(>1 USD/Wp). 하지만 태양광 모듈 업체 간 경쟁이 심화되고 태양전지 및 모듈 기술이 발전함에 따라 태양광 모듈 가격이 빠른 속도로 낮아졌다. 최근 에너지 발전원별 발전단가 비교 결과, 화석연료 에너지 발전과 비교하여 태양광발전이 단가가 동등 수준 혹은 오히려 더 저렴한 에너지 발전원으로 보고되고 있다[3].



그림 1. 결정질실리콘 태양전지 모듈 가격의 변화[4]. 각각의 데이터 점들은 각각의 연도의 가격을 나타낸다.



독일 프라운호퍼 태양광 연구소의 보고서에 따르면, 2017년에 설치된 태양광 모듈 중 93% 이상이 결정질실리콘 태양전지 모듈이었고 점차 증가되는 추세를 보여주고 있다[5]. 이는 결국 실리콘 태양전지 관련 기술의 흐름을 이해하는 것이 태양광 관련 기술의 흐름을 이해하는 것과 같다 해도 과언이 아님을 잘 보여준다.



그림 2에서 볼 수 있듯이, 산업형 태양전지 구조는 효율 상승을 위하여 점차 변화되어왔다. 실리콘 앞면에 균일한 에미터를 형성하고 뒷면 전체를 알루미늄으로 접촉하는 구조(그림 2(a)[6])는 구조가 가장 간단하지만, 넓은 금속 접촉면적 및 상대적으로 고농도 도핑된 에미터로 인하여 효율 손실이 커 상대적으로 효율이 낮았다. 그림 2(b)에서 볼 수 있는 것처럼, 에미터에서 손실되는 효율을 줄이고자 앞면에 금속과 접촉하는 영역에 국부적 고농도를 형성하고, 나머지 영역에서 낮게 도핑을 하였다. 이를 통해 고농도로 도핑된 에미터에서 손실되는 효율을 줄이고, 국부적 고농도를 통해 금속과 실리콘 간의 접촉저항 및 콘택트 재결합 전류밀도를 낮추어 전반적 효율 손실을 줄였다. 그림 2(c)에서 볼 수 있듯이, 추가 효율 개선을 위하여 뒷면에 있는 넓은 금속 접촉영역을 국부적으로 줄이고, 유전막으로 패시베이션하여 광학적 및 전기적으로 후면에서의 발생하는 효율 손실을 줄여서 현재 가장 많이 이용되는 구조가 만들어졌다[7, 8]. 이 태양전지 구조를 passivated emitter and rear cell (PERC)이라고 영어로 명칭한다. 그 후 그림 2(d)와 같이 양면 수광형(빛을 앞면-뒷면 모두 받는 구조) 셀 구조가 개발되었다. 앞면에 있는 금속 전극뿐만 아니라 뒷면에 있는 금속 전극도 앞면과 비슷하게 빛이 들어올 수 있도록 전체를 덮는 것이 아닌 일부만 덮는 구조를 이용하였다. 양면 수광형 태양전지의 경우 바닥에서 반사되는 정도에 따라 실제 에너지 생산량이 단면 수광형 태양전지에 대비하여 약 10~30%가량 높다.



그림 2. 태양전지 구조 변화 흐름도. (a) 균일한 에미터 및 후면 알루미늄 접촉 구조, (b) 국부적 고농도 에미터 및 후면 알루미늄 접촉, (c) 국부적 에미터 및 국부 후면접촉 구조, (d) 양면 수광형 국부 에미터 및 국부 후면접촉 구조.



태양전지의 고효율을 달성하는 데는 결국 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 재결합시키지 않고 각각의 전극까지 잘 추출하는 것이 필요한데, 이를 위해 전자-정공이 재결합될 수 있는 결함(defect)을 줄여야 한다. 웨이퍼 표면에 생성된 불포화결합(dangling bond)이 큰 결함으로 작용하는데, 유전막으로 표면에 있는 결함의 영향을 미미한 수준으로 개선시켰다. 유전막으로 패시베이션된 표면에서의 재결합 전류밀도(J0,passi)가 약 10 fA/cm2 수준까지 감소되었다[9]. 하지만 앞면 혹은 뒷면의 금속 접촉부에서 발생하는 전자-정공 재결합 손실은 매우 크다. 재결합 전류밀도 수치(J0,contact)로는 약 1000~ 3000 fA/cm2 수준이다[10, 11]. 태양전지의 효율이 높아질수록 금속 접합부 재결합 전류밀도를 줄이는 것이 점차 중요해진다. 그래서 고효율 셀을 개발하기 위하여 금속 접합부의 재결합 전류밀도를 줄이는 기술을 개발해야 했고, 패시베이션 효과를 주는 콘택트 혹은 패시베이션된 콘택트(Passivating 혹은 passivated contact)라고 이 기술을 부르고 있다. 패시베이팅 콘택트는 여러 가지 방법이 있지만, 다음 섹션에서 크게 세 가지로 설명하고자 한다.



** 원문은 파일 다운받기를 해주세요 :-)