[태양전지 교과서] Week 10 - Al-BSF vs PERC
그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다
Prof. Christophe Ballif
웨이퍼만 만들었다고 다가 아니다. 웨이퍼를 만들었다면 이제 태양전지의 회로, 전극 등 다른 요소들도 설계하는 과정이 필요하다. 실리콘 태양전지도 다 똑같은 것이 아니라 어떤 구조로 설계되었는지에 따라 여러 가지 종류가 있다.
우리가 원하는 고효율의 태양전지는
- 전하 carrier들의 수명이 길고 완벽한 surface passivation이 되어 있어야 한다.
- 실리콘과 금속 사이의 접합 면적이 작아야 한다. 금속과 만나는 접합 면에서 재결합이 일어나기 때문
- metal contact를 최대한 가리기 위해 높은 doping 농도가 필요하다. 단, doping 농도가 너무 높아도 재결합이 증가한다. (Auger recombination 등)
- 빛의 반사를 줄일 수 있는 표면 구조와 흡광 손실을 최소화해야 한다.
- 낮은 저항을 가져야 한다.
이러한 조건을 모두 충족할 수 있는 태양전지의 구조가 필요하다.
위 태양전지는 오스트레일리아 사우스 웨일스 대학에서 개발한 PERL(Passivated emitter, rear locally diffused) 이라고 하는 태양전지이다. 대부분의 표면이 oxide로 덮여 있어 재결합을 막을 수 있다. 효율을 25%까지 높이면서 태양전지 효율의 기록을 세웠다. 이 PERL cell을 만들기 위해서 photolithography와 5가지의 고온 과정, chemical claning 등 총 32개의 step이 필요했다. 때문에 PERL은 상용화되기 어려운 cell이었다. 이렇게 2000년까지는 간단하고 저비용으로 만들 수 있는 고효율 태양전지가 없었다. 그러던 중 2000년, Al-BSF(Aluminum back-surface field)가 개발되었다.
Al-BSF
Al-BSF의 특징으로 metal로 후면을 모두 채우고, 전면부는 screen printing 기술을 이용해 front grid를 잉크로 프린트 하듯이 제조했다는 것이 있다.
PERC
하지만 Al-BSF는 후면이 passivation 되어 있지 않다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 새로운 태양전지 PERC(passivated emitter and rear cell)가 개발되었다. Emitter(n+ 반도체)뿐만 아니라 후면까지 산화막을 배치해 passivation 면적을 넓혔다.
왼쪽: Al-BSF 오른쪽: PERC
PERC cell에서는 후면에 산화막이 있기 때문에 전류가 제한된 contact을 통해 흐른다. metallized된 면적과 passivated area 사이에서 최적화할 수 있다. metallized area가 너무 크면 재결합이 발생하지만 그렇다고 contact 면적이 너무 작으면 저항이 증가한다. 적당히 재결합도 방지하면서 전류도 잘 흐르게 했다.
또한 Al-BSF에 비해 후면의 반사도가 높아 더 많은 양의 빛을 발전에 사용할 수 있다.
위 그림은 Al-BSF과 PERC를 제조하기 위한 공정 과정이다. PERC는 Al-BSF보다 2단계가 더 필요하다.
1. Texture + Clean
웨이퍼의 sawing damage를 없애기 위한 과정. texture는 웨이퍼의 표면을 원하는 패턴으로 만드는 과정이다.
2. Diffusion
n형 dopant를 도핑해 n-type emitter를 만든다.
3. Rear side etch
후면을 etching시켜 깔끔하게 만든다.
4. Al₂O₃ deposition(PERC 전용)
후면에 산화막을 깔아 passivation 층을 만든다.
5. Front passivation stack
전면부에 빛 반사를 막는 코팅 처리를 한다.
6. Laser contact opening(PERC 전용)
후면의 Al₂O₃ 층을 일부 제거해 p-type Si가 금속과 접합할 수 있는 부분을 만들어준다.
7. Screen printing
전면부와 후면부에 전극을 설치한다.
8. Contact firing
태양전지의 효율은 매년 꾸준히 높아지고 있다. Q.ANTUM은 한화의 PERC cell로 전세계적으로 좋은 성능을 보여준다.
위 그래프는 PERC cell의 IV curve이다. cell의 전압에 따른 전류 값을 나타낸다. short circuit 전류는 41.13mA/cm², open circuit voltage는 693mV, fill factor는 82.63%로 평가되고 모든 조건이 최적으로 맞춰졌을 때 효율을 23.5%까지 기록하는 것으로 보인다.