Bifacial Si 이종접합-페로브스카이트 탠덤

a-Si/c-Si 이종접합(HIT) 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 저가와 고효율을 실현할 수 있는 태양전지이고 서로 상호 보완적인 특성을 갖고 있다. 

  

HIT셀은 소자 해석과 소자 최적화로 부터 효율 >22%을 얻고 있고 페로브스카이트 셀은 공정과 재료 품질 향상으로 효율 >20%을 달성했다.  

(그림 1: (a) 태양전지 패널은 일반적으로 직사광을 이용한다. 광의 일부는 바닥에서 산란되어 패널의 후면으로 들어갈 수 있다. (b) 일반적인 탠덤 구조, 그리고 (c) bifacial 탠덤 구조.)

Perovskite/HIT 탠덤 디자인은 각자의 단점을 줄일 있고 그들의 보완적인 특성으로 부터 장점을 얻을 수 있어 효율을 더욱 증가 시킬 수 있다. 

일반적인 직렬 연결 탠덤 디자인은 밴드갭 불일치와 전류 매칭 제한을 극복해야 한다. Top 셀의 안 좋은 성능은 일반적인 탠덤 셀의 성능을 상당히 제한하기 때문이다. 

불행히도 페로브스카이트의 밴드갭은 1.55 eV로서 top 셀의 최적 밴드갭 1.7 eV 보다 상당히 낮다. 

연구자들은 광학적 시뮬레이션과 캐리어 수송 모델링을 통해 페로브스카이트/HIT 탠덤 디자인에서 페로스카이트의 최적 두께와 J-V 특성을 분석했다. 

(그림 2. 흡수된 태양광(Jabs와 대응된다)이 페로브스카이트(녹색)와 HIT(적색) sub 셀에 대해 Lpvk(페로브스카이트 두께)의 함수로 나타나 있다. 직렬 탠덤의 Jsc는 페로브스카이트와 HIT sub 셀의 Jabs의 최소값으로 제한된다. 여기서 HIT sub 셀의 두께는 200 um이다.)


최적의 페로브스카이트 두께는 bottom 셀(HIT) 두께가 200 um 일때 135 nm로 나왔고 두께 마진은 20~30 nm이다. 이것은 스핀 또는 drop casting에 의해 제어하기 힘든 두께이다. 

이 두께가 적용된 페로브스카이트/HIT 탠덤 셀의 효율은 ~25%로 HIT 셀만의 효율 ~24% 보다 약간 높은 정도이다. 

따라서 일반적인 탠덤 배치는 각개 셀에 비해 단지 조금 효율이 높을 뿐 비용 효과가 없다. 

Bifacial 페로브스카이트/HIT 탠덤 디자인은 HIT 셀의 bifacial 특성을 이용한 것인데 광전기 제한을 분리시킬 수 있어 sub-셀 두께 변화에 덜 민감해서 각 흡수층의 두께 최적화 필요성을 없애 준다. 

Bifacial 디자인은 태양광이 전면과 후면 모두로 부터 소자로 들어 갈 수 있게 한다.

일반 페로브스카이트/HIT 탠덤 구조에서 후면 접촉에서 Al만 제외하면 bifacial 페로브스카이트/HIT 탠덤 구조가 된다. 이렇게 할 경우 직력 저항이 약간 증가 하지만 탬던 셀 성능에는 큰 영향을 주지 않는다. 

Bifacial 탠덤이 HIT 셀의 Jsc를 증가시키기 때문에 페로브스카이트의 Jsc를 향상시키기 위해 더 두꺼운 페로브스카이트를 이용할 수 있다. 

광학 시물레이션을 통해 페로브스카이트의 두께는 350 nm일 때 최적이라는 것을 알 수 있었다. 

(그림 5: (a) Albedo Ra의 함수로서 sub 셀과 bifacial 탠덤의 Jsc. (b) 페로브스카이트와 HIT sub 셀(녹색과 적색 영역)의 ηt* 출력(1-sun으로 규격화한). Bifacial 탠덤(검은 점선)의 성능은 Ra < 40%에서 bifaical HIT 셀을 능가한다. 일반적인 배경인 잔디, 흰색 콘크리트, 그리고 눈은 Ra가 각각 30%, 60%, 그리고 90%이다.)

배경 반사 산란광 영향을 나타내는 albedo 값이 >40% 일때 일반적인 bifacial HIT 셀에 효율이 높았다. 

참고: Bifacial Si Heterojunction-Perovskite Organic-Inorganic Tandem to Produce Highly Efficient Solar Cell, Reza Asadpour, et al.,