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배경
태양 전지 (PV) 에너지는 세계적인 주요 에너지 원 중 하나가되는 가장자리에 있으며 결정질 실리콘은 가까운 장래에 변화의 징조없이 시장을 장악하고 있습니다. 실리콘 기반 헤테로 접합 태양 전지 (Si-HJT)는 26.6 %의 기록 효율 에너지 변환을 갖는 태양 전지를 허용하기 때문에 결정질 실리콘 광전지에서 가장 중요한 주제이다 (그림 1, Yoshikawa et al., Nature Energy 2 , 2017 ). Si-HJT의 핵심은 와이드 밴드 갭 (wide bandgap)을 갖는 막의 삽입에 의한 결정질 표면으로부터의 높은 재조합 - 활성 접촉의 변위이다. 전체 장치 전위에 도달하려면 헤테로 - 인터페이스 상태 밀도가 최소화되어야합니다. 실제적으로 수 나노 미터 두께의 수소화 된 비정질 실리콘 (a-Si : H) 막이 이것에 대한 매력적인 후보이다 : 밴드 갭이 c-Si의 밴드 갭보다 넓으며, 본질적으로 이러한 막은 c-Si 표면을 감소시킬 수있다 수소화에 의한 상태 밀도. 또한, 이들 막은 n- 또는 p- 형 중 어느 하나로 상대적으로 용이하게 도핑 될 수있어, 포화 전류 밀도에 대해 낮은 기록 값을 갖는 콘택트의 (리소그래피가없는) 제조를 허용한다. 여러 회사에서 인상적인 대 면적 (> 100cm 2 ) 에너지 변환 효율 (~ 25 %)이보고되었습니다 ( Tagushi 외, IEEE JPV 4,2014 , Adachi et al. APL 104, 2015 ...).
그림 1 : 지난 20 년간의 단결정 실리콘 태양 전지의 효율 개선
일반적인 헤테로 접합 태양 전지의 스케치 및 밴드 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 기본 디바이스는 전면 (조명)면에 플라즈마로 증착 된 고유 한 a-Si : H 패시베이션 층과 p- 도핑 된 비정질 실리콘 이미 터를 연속적으로 갖추고 있습니다 향상된 화학 기상 증착 (PECVD). 실리콘 층의 꼭대기에, 반사 방지 투명 전도성 산화물 (TCO)이 물리적 기상 증착 (PVD)에 의해 증착되고, 전하 수집은 스크린 인쇄 된 금속 접촉 격자에 의해 이루어진다. 뒷면에는 전자 수집 스택이 사용되며, 고유 한 a-Si : H 패시베이션 층, 도핑 된 n 형 비정질 실리콘 (모두 PECVD에 의해 증착 됨), TCO 층 및 금속 접촉 층 PVD에 의해 증착 됨).
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그림 2 : 왼쪽 : 헤테로 접합 태양 전지의 도식 다이어그램 (비례하지 않음). 오른쪽 : 헤테로 접합 태양 전지의 평형 상태에서 암흑 상태의 전자 밴드 다이어그램 (비례하지 않음).
그림 3은 현재이 그룹에서 추진중인 주요 연구 주제를 보여줍니다. 이것은 패시베이션 매커니즘의 기본에서부터 음 (전자) 및 양 (홀) 전하를 추출하기위한 대체 접촉 방식 개발, 혁신적인 소자 아키텍처 개발 및 작동 조건이 에너지 생산량에 미치는 영향 연구에 이르기까지 다양합니다. 태양 광 모듈의
그림 3 : 실리콘 기반 헤테로 접합 태양 전지에 관한 활발한 연구 주제.
표면 패시베이션
최근 고순도 실리콘의 대규모 생산에 대한 진보는 대량 생산을 위해 손쉽게 사용할 수있는 매우 고품질 실리콘 웨이퍼를 만들었습니다. 이러한 웨이퍼의 결함 밀도가 낮기 때문에 적절한 장치 아키텍처에서 25 % 이상의 효율을 달성 할 수 있습니다. 이러한 고효율 디바이스를 만드는 첫 번째 과제는 웨이퍼의 표면이 전기적으로 활성 결함을 나타내지 않도록하는 것입니다. 이러한 표면 패시베이션은 다양한 방식으로 달성 될 수 있는데, 가장 널리 연구 된 것은 PV-Lab에서 플라즈마 증착 수소화 비정질 실리콘 (a-Si : H)을 사용하는 것이다. 이는 매우 우수한 패시베이션을 제공하는 가장 효율적인 층 중 하나 인 것으로 입증되어 실리콘 웨이퍼에서 매우 큰 캐리어 수명과 기록적인 높은 효율을 제공합니다. 수소의 역할 인 a-Si : H (및 그 산화물 및 탄화물 합금)의 표면 패시베이션 뒤에있는 현상은 가열이나 조명의 영향으로 매혹적인 과학적 심문으로이 분야가 여전히 매우 활발해졌습니다 [Kobayashi2016].
연락 형성
고품질 실리콘 웨이퍼로 고효율 태양 전지를 제작할 때 두 번째 과제는 두 개의 공간적으로 분리 된 단자에서 양극 및 음극 전하를 선택적으로 수집하는 것입니다. 이러한 선택적 수집은 반투막 전자 막에 의존하며 한 유형의 전하 (예 : 전자)에 대해 저 저항 전기 연결을 제공하면서 다른 유형 (홀)은 최소화하면서 차단합니다. 도핑 된 비정질 실리콘 층 (p 형 및 n 형 a-Si : H)의 사용은 여러 실험실 및 회사 [DeWolf2012]가 이러한 접촉을 사용하여 얻은 세계 기록 효율성으로 그러한 선택성을 제공하는 매우 효율적인 방법임을 입증합니다. 이러한 필름은 빛의 기생 흡수 및 비 이상적인 선택성 (특히 전하 추출 및 낮은 측면 전도에 대한 무시할 수없는 저항성을 포함하여)과 같은 몇 가지 제한을 제시합니다. 이상적인 선택적 접촉 (재료와 인터페이스 특성을 포함)에 필요한 기본 특성을 풀어내는 것이 간단한 공정을 기반으로보다 효율적인 장치를 개발하는 데 중요합니다. 캐리어 선택적 컨택트로서 신규 한 적합한 재료를 적용하는 것은 매우 활발한 주제이며, 적절한 재료의 설계 및 제조는 그룹의 강력한 초점이다.
장치 아키텍처
도펀트가없는 태양 전지 : 광전지 소자가 효율을 높이기 위해 반대 극성의 도핑 된 접점을 필요로한다는 오랜 아이디어가 있었지만 태양 전지 의 물리학에 대한 최근의 이해는 그것이 사실이 아니라고 제안했다. 몇몇 접촉 구조는 이론적으로 유사하게 효율적인 장치. 홀 효과 및 전자 선택성 접촉으로 약간 화학 양 론적 인 MoO3 및 LiF를 사용하여 고효율이지만 완전히 도펀트가없는 결정 실리콘 셀을 실험적으로 시연함으로써 훨씬 단순한 공정과 극도로 극도로 새로운 디바이스 아키텍처를 향한 길을 열었다. 간단한 디자인 [Bullock2016].
Interdigitated back contacted (IBC) 태양 전지 : 실리콘 태양 전지에서 전하를 추출하려면 금속 접촉이 필요합니다. 전통적인 아키텍처의 태양 전지에서 음 (전자) 및 양 (홀) 전하가 웨이퍼의 각면에 수집되는 반면, IBC 설계는 웨이퍼 후면의 두 가지 전하 유형을 모두 수집합니다. 이를 통해 이러한 전하를 추출하는 데 필요한 모든 금속을 웨이퍼 후면에 배치하여 섀도 잉을 방지하고 더 높은 전류를 생성 할 수 있습니다. 원칙적으로 단순하지만 그러한 접근은 많은 과학 기술 과제를 제시한다 [Tomasi2017].
소규모 장치 : 대부분의 광전지 기술에 대한 기록 셀이 1cm 2 이하의 소 영역 장치에서 얻어진 반면 웨이퍼 기반 실리콘 장치에 대한 최근의 기록 효율은 100cm 2 보다 큰 훨씬 큰 영역에서 얻어졌습니다. 실리콘에 광 생성 된 캐리어 (일반적으로 밀리미터 스케일)의 큰 확산 길이는 에지 재조합을 특별한 문제로 만들고 도전적인 소형 장치의 제조를 가능하게합니다. 영역 관련 손실 및 에지 패시베이션의 개발에 대한 더 나은 이해는 효율적인 소형 영역 장치가 금속 화 측면에서 완화 된 요구를하도록 허용 할 수 있습니다.
작동 조건
태양 전지의 일반적인 최적화는 표준 테스트 조건 (25 ° C, 1000 W / m2, AM1.5 스펙트럼)에서 최고의 성능을 발휘하도록 만들어졌습니다. 이러한 조건은 수술 중 현장에서 경험 한 것들을 대표하지 않습니다. 특히, 덥고 맑은 기후에 설치된 모듈은 높은 조사 수준뿐만 아니라 높은 작동 온도를 경험하기 때문에 에너지 출력에 좋지 않습니다. 그러나 높은 작동 온도는 열 이온 장벽을 극복하고 전하 수송을 향상시키는 특별한 경우에 유용 할 수 있습니다. 특정 기후 조건을위한 최적화 된 최적화는 표준 접근법에 비해 몇 퍼센트의 연간 에너지 이득을 제공 할 수 있습니다. 또한 셀 상호 연결로 인한 저항 손실은 모듈 효율뿐만 아니라 모듈의 온도 계수에도 영향을 미치며 더운 기후에서 저 저항 상호 연결에 대한 더 큰 필요성을 강조했다.
