[태양전지 교과서] Week 11 - IBC & Application
그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다
Prof. Christophe Ballif
Interdigitated back contacted solar cell
이번에는 IBC, Interdigitated back contacted solar cell(back 부분에 contact이 p+, n+ 번갈아가며 배치된 태양전지)이라는 새로운 유형의 태양전지에 대해 다룰 것이다. 지금까지의 태양전지와는 다르게 front side에 metal contact, 회로가 없다.
IBC
IBC의 front에는 오직 passivation layer만 존재한다. 전면부에 회로가 없기 때문에 전면부의 모든 면적이 빛을 받을 수 있다. cell을 연결하기도 쉬워서 module 제작이 용이하고 모듈 단가를 낮출 수 있다.
IBC 구조
맨 윗층에는 texturing과 ARC, antireflecting coating 층이 있어 태양전지의 반사도를 최대한 낮춘다.(흰 색 얇은 층과 그 밑 파란층으로 추정) 그 밑에는 passivation 역할을 하는 SiO₂ layer가 있다. (파란층과 빨간층 사이 흰색 층으로 추정) 그 밑에는 약하게 도핑된 실리콘 층으로 이뤄진다. (빨간층) 위 그림에서는 n+로 도핑되었는데 n+/SiO_x/SiN의 접합 덕분에 완벽한 passivation이 가능하도록 한다. 중간의 웨이퍼는 N-type 웨이퍼이다.(분홍색 층) 웨이퍼의 바닥에는 p+ 실리콘과 n+ 실리콘이 번갈아가며 배치되어 있다. 이를 diffusion layer라고 한다. (빨간 층과 하늘색 층) 그 밑의 초록색 층은 반사판으로 태양전지에서 흡수되지 않은 빛을 반사시켜 더 많은 빛을 흡수할 수 있도록 해준다. 맨 밑의 회색 층은 metal contact이다. 전류를 모아 외부 회로로 전송하는 역할이다. IBC에는 후면에만 전극이 있기 때문에 전류는 후면에서 나와 후면으로 들어간다. 하지만 나오고 들어가는 부분이 다르다. p+와 연결된 contact에서 전류가 나와 n+와 연결된 contact으로 들어간다.
태양전지가 빛을 받아 전자-정공 쌍이 생성될 때 주로 태양전지 표면에 가까운 웨이퍼에서 생성된다. 따라서 높은 확산 거리를 가져 diffusion layer 지역으로 이동할 수 있어야 한다. 또한, p+ Si의 면적을 넓게 설치해 minority carrier인 정공을 잘 모을 수 있도록 해야 한다. 빛흡수에 의해 생성된 전자는 n+ Si로 이동하고, 정공은 p+ Si로 이동한다. n+를 통해 외부 회로로 나간 전자는 p+로 들어와 정공과 재결합한다.
전세계적으로 고효율의 IBC가 연구되었다. 이미 2004년에 Sunpower에서 21% 효율의 IBC가 개발되었다. 2014년에는 25%를 넘기기도 하였다.
IBC-SHJ
그런가하면, IBC와 SHJ를 결합한 태양전지도 있다. IBC-SHJ이다. 26%가 넘는 효율을 보여준다.
만드는 과정이 간단하다. tuxturing후 passivation layer와 ARC를 설치한다. 그 뒤 전자를 전달하는 용도인 n-type a-Si layer를 태양전지의 후면에 증착한다. 이 때, 후면 전부에 증착하지 않고 특정 구역에만 증착하는데 이러한 pattern을 만들기 위해 증착되지 않기를 원하는 곳에 mask를 씌워 가려버린다. 그러면 mask로 가려지지 않은 곳에만 n type a-Si가 증착된다. 그 뒤 후면 전체에 p-type a-Si를 증착한다.
IBC-SHJ cell의 최종 모습이다. 후면에서 p-type a-Si로만 증착되어 있는 곳은 hole contact 부분(노란색 선과 주황색 선)으로 정공만 통과할 수 있는 곳이다. n-type a-Si와 p-type a-Si가 모두 증착된 곳은 electron contact으로 전자를 전달하는 곳이다. n-type a-Si는 p-type a-Si에 의해 둘러싸여 있으나 n-type layer처럼 행동할 수 있다. IBC-SHJ를 제조하는 데 오직 2가지의 pattering 과정이 필요하다. 첫 번째는 n-type a-Si를 증착할 때, 두 번째는 metal을 증착할 때이다.
위 그림에서 보이는 것처럼 주황색 층인 p-type a-Si의 결정 방향이 세로로 나있다. 이러한 미세구조로 인해 p/n interface에서 높은 전도성을 보인다. 반면, 측면 방향으로의 전도성은 약화된다.
IBC-SHJ 역시 25%의 효율을 보장하는 것으로 보인다.
Application
고효율의 태양전지는 발전하기 위해 다양한 분야에서 활용된다.
1) Planet solar
2012년에 만들어진 첫 번째 태양전지 크루즈이다. 5~8 노트로 이동하며 93kWp의 용량을 가지고 있다.
2) Plane NASA
Aerovironnment라는 미국 방위 산업체에서 만들어진 무인항공기이다.
3) Sunpower cell to equip solar impulse
3년간, Sunpower는 태양전지의 효율을 늘리는 데 뿐만 아니라 모양을 바꾸고 무게를 줄이는 데에도 노력해왔다. 무게, 효율성, 강도, 비용 등 다양한 조건을 고려하여 2011년 처음으로 24시간동안 태양광만으로 유인비행을 하는데 성공한다. 물론 향상된 기능의 배터리를 탑재하였다.