Wafer 기반 c-Si 태양전지

[동작 원리]

・ 태양광이 Si에 흡수되면 Si 내에 소수 캐리어(p-type 반도체일 경우 전자)가 생성된다. 소수 캐리어는 p-n 접합으로 형성된 전기 포텐셜에 의해 n형 반도체를 거쳐 전극으로 이동한다.



[가격]

[효율 및 출력]

・ p-type mc-Si은 효율 >22%, n-type c-Si 태양전지의 경우 HIT셀(Panasonic)과 IBC 셀 구조(SunPower)에서 25% 이상 효율 달성

・ 효율 한게(단일층 반도체일 경우)
반도체는 자신의 특정 밴드갭으로 인해 활성화되기 때문에 흡수할 수 있는 태양광 에너지 만큼 전기를 발생시킨다. 만약 태양광 에너지지가 밴드갭 보다 크면 초과된 에너지는 열로 소실되어 전기를 그 만큼 덜 만들고 태양광 에너지가 밴드갭 보다 적으면 아예 전기가 생산되지 않는다. 따라서 태양광 에너지의 1/3은 열로 소실되고 또 다른 1/3은 요구되는 에너지보다 낮아서 이론적 효율 한계는 33%가 되고 표면 반사까지 고려하면 30%가 된다. 

(그림 1. MIT가 예측한 상용 c-Si과 CdTe 태양전지 모듈의 평균 효율과 가격 추이. CdTe 태양전지는 이미 p-Si 태양전지에 의해 시장이 잠식되고 있는 상황이고 2030년까지 Si 태양전지는 시장에서 지배적인 위치를 차지할 전망이다.)

[시장 점유율]

[신뢰성]

・ 25년 수명을 보장하며 가장 좋은 상용 단결정 Si 태양전지는 50년 이상 동작한다. 하지만 매년 최대 0.5%까지 셀 효율이 저하될 수 있다.  



[핵심 기술]

・ 셀 디자인
 -bifacial, monofacial
・ 표면 패시베이션 
・ wafer
・ 전자/홀 추출층 품질
・ Metallization
・ 모듈화 기술



[연구 과제]

어떻게 Si 기술과 나노기술을 결합할 것인가?

・ 효율 증가(Jsc 증가를 통해)
   - ARC 또는 광 포획(광손실 최소화
     a) 나노임프린트: wet chemical 테스처링에 비해 패시베이션 해야하는 표면적을 줄일 수 있어 Voc를 향상시킬 수 있다.
     b) 플라즈몬 입자층: 텍스처링 역할을 할 수 있다.
     c) 광 포획 나노 코팅 막: 광 입사각에 상관없이 광과 커플링할 수 있다

   - 광 스펙트럼 조정(c-Si이 흡수할 수 있는 새로운 포톤 생성)
     a) Down-conversion 물질: Si 양자점은 c-Si이 더 잘 흡수할 수 있도록 입사광을 더 긴 파장으로 downshift시킨다. 보통 텍스처링 역항을 하는 플라즈몬 입자층과 함께 코팅된다. 

   - 다른 밴드갭의 Si 또는 추가 반도체 물질 사용(탠덤: 더 넓은 흡수 윈도우를 만들기 위해)
     a) Si/변형 Si, Si/화합물 반도체 나노와이어, Si/CdTe, Si/GaAs, Si/페로브스카이트


・ 저가격
-Thin wafer
-Ag 대체 기술
-Frameless 기술 


・ 제조 공정 단순화 

     

[근원적인 문제]

・ p-type 태양전지의 경우 LID(Light Induced Degradation) 문제가 있다. 
 : 이를 해결하기 위해 잉곳 제조시 낮은 O 함유량을 사용하는 것 말고 B-O 복합체를 영구 비활성시키기 위해 열과 빛 조사가 결합된 처리가 개발되었다. 

・ 박막 태양전지에 비해 재료 소모량(wafer 두께가 >150 um)이 많고 제조할 때 에너지가 많이 든다. 

・ 두껍고 부서지기 쉬운 웨이퍼를 사용하기 때문에 높은 자본 비용이 들고 무게 대비 전력이 낮고 모듈 유연성과 디자인에 제약이 있다.   

[향후 전망]

・2050년까지 Si 태양전지는 주력 태양전지를 유지할 것이고 이머징 태양전지(페로브스카이트 등)와 결합을 통해 이론 효율 ~30%에 도달할 것이다. 

[참고]

1)http://www.pv-tech.org/guest_blog/limit_for_industrial_c_si_solar_cells_reached_in_2030_what_next