[태양전지 교과서] Week 11 - High efficiency solar cell

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

Prof. Christophe Ballif

과학자들은 고효율 태양전지를 만들기 위해 노력해왔다. 고효율 태양전지의 장점은 정확히 무엇일까?

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태양전지의 효율이 높으면 같은 양의 전력을 생산하기 위해 필요한 면적이 줄어든다. 그러면 발전 시스템을 유지하기 위한 비용을 아낄 수 있고 에너지 밀도가 높아진다. 태양전지의 효율에 악영향을 주는 높은 온도와 저광량 환경에서도 높은 효율을 유지할 수 있다.

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태양전지가 태양의 방향을 따라 회전하도록 tracker를 설치할 수 있다. 하나의 축으로 움직이는 tracker는 25~30% 정도 효율을 높여줄 수 있다. 양면 발전 모듈을 사용하면 지면의 albedo(반사도)에 따라 5~20% 정도의 에너지를 더 얻을 수 있다. 고효율 태양전지가 갖는 장점으로 인해 고효율 태양전지는 일반적인 태양전지보다 가격이 비싸다. standard module이 0.2~0.3$/W인데 반해 2020년의 Sunpower에서 만든 22.7%짜리 모듈의 경우 0.7$/W였다.

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태양전지의 효율을 높이는 데 크게 2가지의 방법이 있다. 첫 번째는 module/cell 디자인을 조절하는 것으로 cell과 module의 크기를 늘려 edge 부분의 비율을 줄이는 등 구조적으로 효율을 높이는 것이다. 두 번째는 태양전지의 내부 조성을 바꿔 cell의 성능을 intrinsic하게 바꾸는 것이다.

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태양전지의 효율은 온도의 영향을 받는다. 온도가 증가할수록 효율은 감소하는데 온도가 1℃ 증가할 때마다 감소하는 효율을 coefficient of temperature라 한다. 전에도 봤듯이 pn diode에 forward bias가 가해질 때, forward current가 증가함을 봤었다. 온도가 증가하면, p형 반도체와 n형 반도체의 carrier들이 에너지를 받아 전이하여 더 많은 carrier들이 생긴다. 이는 dark 조건에서의 forward current를 증가시킨다. forward current는 majority carrier가 움직이면서 발생하는 전류였다. n형 반도체의 전자가 p형 반도체로 이동하면서, p형 반도체의 정공이 n형 반도체로 이동하면서 생기는 전류이다. 이는 우리가 필요로 하는 photocurrent와 반대 방향이다. photocurrent는 minority carrier에 의한 전류이기 때문에 n형 반도체의 정공이 p형 반도체로 이동하면서, p형 반도체의 전자가 n형 반도체로 이동하면서 생기는 전류이다. 따라서 높은 온도는 태양전지 효율에 악영향을 준다.

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위 식은 온도와 전압 사이의 관계를 나타낸다. 온도가 증가할수록 태양전지의 전압은 감소함을 볼 수 있다. open circuit voltage가 증가할수록 온도에 대한 전압의 의존도는 커진다. 즉, V_OC가 클수록 온도가 오를 때마다 전압이 더 빨리 떨어진다. Fill factor 역시 감소한다.

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때문에 온도에 대한 의존도가 낮은 태양전지가 필요하다. Al-BSF의 경우 -0.45%/℃, PERC의 경우 -0.37%/℃, 나중에 다룰 heterojunction cell의 경우 -0.25%/℃의 계수를 갖는다.

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위 그림의 a와 b는 저번에 다뤘던 Al-BSF와 PERC이다. 이 둘 말고도 더 높은 효율의 태양전지를 개발해왔다. 이 중 대표적인 것이 TOPCon과 silicon heterojunction(SHJ)이다. TOPCon은 tunnel oxide passivating contact의 줄임말이다. 자세한 내용은 뒤에서 다룰 것이다.

cell의 두께에 따른 효율 변화

실리콘의 문제점은 광흡수율이 떨어진다는 점이다. 위 그래프에서 실리콘의 두께가 얇을 때 빛을 흡수하지 못해 효율이 낮음을 볼 수 있다. 때문에 실리콘 태양전지는 어느 정도 두껍게 만들어야 한다.

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PERC를 포함한 기존의 태양전지는 Si와 metal이 직접적으로 접해있어 재결합이 많이 일어난다. 이를 방지하기 위해 metal의 부분을 줄이고 실리콘을 더 많이 도핑한다. 하지만, PERC cell은 이미 개발될 대로 개발되어 있어 더 이상 유의미하게 효율을 높이기 어렵다. 이에 아예 구조가 다른 새로운 태양전지가 필요하다. passivating contact cell은 Si와 metal 사이의 직접적인 contact이 없다. 덕분에 재결합 속도를 효과적으로 줄인다. 이를 위해선 interface에 있는 defect를 줄이고 전자와 정공 중 한 가지의 전하만 선택적으로 전달할 수 있는 층이 필요하다.

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이를 passivating contact라 한다. interface의 defect density를 줄이고 한 가지 전하만 전달한다. 위 그림에서 태양빛을 받은 전자는 VBM에서 전이해 CBM으로 올라가고 에너지 준위 경사를 따라 ETM으로 흘러간다. ETM은 전자만을 전달해주는 전극이다. 반대로 정공은 정공만 전달해주는 물질인 HTM으로 흘러간다.

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실제로 최근에는 PERC보다 이러한 passivating contact이 적용된 TOPCon과 heterojunction cell 비중이 늘어나고 있다.