[태양전지 교과서] Week 6 - Optical properties of Solar cell

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

태양전지의 optical property는 중요하다. 태양전지는 태양빛을 많이 받아야 하기 때문에 태양광을 잘 흡수해야 하고, 반사는 최대한 줄여야 한다. 

태양전지의 optical property를 결정하는 중요한 요소는 굴절률이다. (빛이 매질 내에서 얼마나 굴절하는지를 나타낸다) 굴절률은 reflection과 transmission의 강도를 조절하고 빛의 손실에 영향을 미친다. 굴전율은 단순한 숫자가 아닌 복소수 형태로 표현된다. 복소수는 실수 부분과 허수 부분(imaginary part)으로 구분할 수 있다. 굴절률의 imaginary 부분은 κ라고 하는 extinction coefficient인데 absorption의 강도를 조절한다. 

 

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파란선: 굴절률, 빨간선: κ

물질의 굴절률과 κ는 빛의 파장, 에너지에 따라 변한다. 빛의 에너지가 물질의 밴드갭보다 작다면 κ = 0이다. 그리고 흡수는 일어나지 않는다.

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물질이 외부 전기장에 대해 반응하는 정도를 permittivity라 한다. 기호는 ε이다. 

이 permittivity는 굴절률과 κ로 표현된다. 그런데 이해하기 힘들지만 ε에는 실수 부분과 허수 부분이 있어서 실수 부분을 굴절률 n이 허수 부분을 κ로 표현한다.

놀랍게도 유전율을 이루는 n과 κ는 독립적이지 않다.

빛이 공기나 유리처럼 투명한 물질을 통과하다가 태양전지 실리콘처럼 불투명한 물질에 들어가는 경우를 생각해보면, 투명한 물질에는 빛의 흡수가 없으므로 κ = 0이다. 그리고 실리콘의 유전율은 (n_2+iκ)^2로 표현할 수 있다.

Reflecitivity는 다음과 같다.

반도체의 경우 κ가 작지만, 금속의 경우 κ가 커 반사가 많이 일어난다.

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만약, 반도체 위에 얇은 투명한 막이 있다면 어떻게 될까? 이 경우, 공기 - 얇은 투명한 막 - 반도체 순으로 layer가 생기면서 2개의 interface가 생긴다. 2개의 interface는 조금은 복잡한 문제를 만든다.

모든 interface에서는 reflection과 transmission이 같이 일어난다. 반도체에서 반사된 빛이 투명한 막에서 다시 반사되고 그 빛이 다시 반도체에 반사되고 다시 얇은 막에 반사될 수 있다. 최종적으로 반도체에서 반사된 빛들이 모여 reflectivity가 결정된다. reflectivity를 최소화하기 위해선 위 그림의 R들이 상쇄 간섭을 일으키도록 하면 된다. 그리고 우리는 얇은 막의 두께를 조절함으로써 상쇄 간섭을 유도할 수 있다.

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상쇄 간섭을 일으키기 위해서는 두 파동의 위상 차가 180°=π이면 된다. 그리고 얇은 막의 굴절률이 n_2, 두께가 d, 빛의 파장이 λ일 때 빛이 얇은 막을 한 번 통과할 때 원래 파동과의 위상 차는 다음과 같다.

그런데, 반사광(R)끼리는 얇은 막을 2번 통과하므로, 위상 차는 위의 2배이다. 이 위상 차가 π, 3π, 5π... 등등 π의 홀수 배일 경우 상쇄 간섭이 일어난다.

이렇게 reflection을 최소화하는 막을 태양전지에 씌울 수 있다. 이를 antireflecting이라 한다.

Antireflecting(AR) 처리시키면 확실히 reflectivity가 낮아짐을 확인할 수 있다. 참고로 얇은 막의 굴절률이 막 양쪽 매질의 굴절률(n1, n3)과 기하평균을 이룰 때 반사율을 최소화할 수 있다.

반사율을 줄이는 방법으로 표면 texturing이 있다. texturing은 표면을 일정한 모양으로 만들어 반사되는 빛을 줄인다.

위 그림처럼 표면을 뾰족뾰족하게 만들어 빛이 2번 부딪혀 반사되게 하면 한 번만 반사되었을 때보다 더 적은 빛을 반사시키게 된다. 빛의 흡수가 첫 번째 충돌할 때, 두 번째 충돌할 때 2번 일어나기 때문이다.

AR처리만 했을 때보다 Texturing을 같이 했을 때 더 reflectivity가 작다.

texturing 모양도 여러 가지

Si와 GaAs의 extinction coefficient를 보면 bandgap보다 빛의 에너지가 커야 흡수가 일어남을 볼 수 있다.

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그래서 둘 다 밴드갭 이상이 되어야 absorption coefficient가 증가하기 시작한다. 이상한 건 Si보다 GaAs의 absorption coefficient가 이상하게 높다는 것. 왜 그런지는 담 시간에 보자.