p-Si Al-BSF에서 n-Si PERT 셀로 유전체 패시베이션 혁명

1980년대 태양전지는 내부 전계로 후면 패시베이션을 하는 Al-BSF(back surface field) 기술이 이용됐고 전면은 TiO2 유전체 층이 스프레이 코팅 또는 APCVD로 형성되어 반사방지코팅(ARC)의 역할을 했다. (TiO2는 유리한 고굴절률과 제한적인 기생 흡수를 갖는다.)

표면 패시베이션은 스크린 인쇄된 Ag 금속 그리드와 접촉을 좋게 하기 위해 고도핑된 이미터에서는 필요없다. Firing-through 공정이 되면 좋겠지만 그것은 꿈 같은 얘기고 대신 접촉을 위한 열처리 후 TiO2 층이 종종 적용되었고 인터컨넥션을 위한 솔더링을 하기 위해 버스바 위의 ARC를 마스킹 또는 브러싱(brushing)을 해야한다.  

1990년대 첫 번째 유전체 패시베이션인 SiNx 코팅이 등장했다. SiNx 막을 형성하기 위한 뚜렷이 다른 두 버젼인 저온 플라즈마 기반(PECVD)와 고온 버젼(LPCVD)이 나왔는데 PECVD가 가장 성공적이고 다양하다는 것이 입증됐다. 

SiNx의 성공은 "수소 패시베이션”으로 요약될수 있다. PECVD SiNx:H 층에 포함된 수소가 스크린 인쇄된 접촉의 열처리 동안 방출되어 이미터와 벌크를 패시베이션 한다. 특히 저품질의 다결정 Si 태양전지에 효과적이었다. 

공정이 매우 단순해 졌는데 인쇄된 접촉을 열처리할 때 SiNx:H에 의한 우수한 패시베이션과 동시에 우수한 후면 Al-BSF을 얻을 수 있기 때문이다. 

표면 패시베이션이 가능하기 때문에 더 적절하게 도핑된 이미터를 사용할 수 있어서 높은 옴저항 이미터를 접촉하기 위한 Ag 페이스트 개발을 가능하게 했다. 

SiOx는 태양전지에서 가장 우수한 패시베이션을 한다. 열 산화(thermal oxidation)는 태양전지 효율을 향상시키는 매우 중요한 공정이되고 있다. UNSW는 열 산화막을 전면과 후면에 적용한 PERL 셀에서 효율 25%을 얻었다. 

열 산화막이 태양전지 기술 개발에서 항상 중심에 있지만 지금은 상용셀에서 진전은 덜 하다.

열 산화막 뿐아니라 Al2O3가 유전체 패시베이션으로 주목받고 있다. Al2O3는 “음전하”로 요약될 수 있다. 이 고유 특성은 p-Si셀을 PERC 기술의 단점 중 하나를 피할 수 있게 해준다. 

사실 양전하로 후면 유전체 패시베이션을 할 경우 p-Si에 역전층(inversion layer)이 형성되어 생성된 캐리어가 shunting에 의해 지역적 손실이 야기될 수 있다. 이 나쁜 효과는 저조도에서 상대적 중요해진다. 하지만 음전하를 띤 유전체는 역전층 대신 축적층(accumulation layer)을 생성시켜 이 특별한 문제를 피할 수 있다.   

장비 제조사와 몇몇 연구소가 협력하여 Al2O3 증착 시스템을 상용화하고 있다: ALD(theraml, spatial, plasma assisted), PECVD, 스퍼터링, APCVD 그리고 스크린 인쇄. 현재 Spatial ALD와 PECVD가 주도하고 있다.

n-Si 셀에서 B이 도핑된 이미터는 우수한 패시베이션을 요구하기 때문에 Al2O3 층이 필요하다. IMEC은 열 산화막(SiO2)에 비해 Al2O3의 표면 재결합 속도의 급격한 감소를 보였다. Al2O3 패시베이션 이미터에서의 재결합은 표면 성분이 무시되는 Auger 재결합에 의해 결정된다고 생각할 수 있다.

IMEC은 n-Si 후면 접합 PERT셀을 개발하고 있다. Ni/Cu 도금 전면 접촉과 우수한 후면 Al2O3 패시베이션을 적용해서 최고 효율 21.5%을 달성했다.  

PERC 셀에서는 SiOx가 선두에 있는데 "패시베이션 접촉"으로 요약된다. Si 벌크와 물리적 표면과 관련된 재결합 전류는 Si 재료 품질을 향상과 우수한 표면 패시베이션 방법으로 크게 줄어든다.

금속 접촉 면적은 종종 PERC 셀에서 Voc와 소수 캐리어 재결합 전류에 큰 영향을 미친다. 이것은 항상 금속 자체의 불충분한 차폐 때문만이 아니고 금속-반도체 계면을 만들때 생긴 손상(접촉 면적 형성을 위한 레이저로 유전체를 제거할 때)으로 생길 수 있다.

다수 캐리어에 대한 저항 장벽 형성 없이 소수 캐리어를 위한 패시 장벽을 형성하는 선택적 접촉 방식이 필요하다.

하나의 방법은 패시베이티드 접촉을 형성하는 것인데 앏은 이미터와 BSF 조합에 터널링 유전체(화학 수단 및 열 산화로 형성되는 매우 얇은 산화물층, ~1 nm)를 이용하는 것이다.

참고: http://www.pv-tech.org/guest_blog/the_dielectric_passivation_revolution_from_p_si_al_bsf_to_n_si_pert_cells_a

새로운 발견이 고체 DSSCs(dye-sensitized solar cells) 수명 확장에 도움을 주다

OIST의 과학자들은 고체 DSSCs의 열화에 대한 놀라운 발견을 했다. 

연구자들은 열화의 원인을 조사하기 위해 spiro-MeOTAD 물질에 초점을 맞췄다. 이 물질은 셀의 가장 상단층에 위치하고 바깥 환경과 접촉하기 때문에 대기 노출, 연속 광 조사, 고온 그리고 먼지로 부터의 열화에 취약한다.

열화의 가장 큰 원인은 공기와 광 모두에 노출됐을 때 일어나는 화학 반응인 광산화(photo-oxidation)으로 생각했다. 

하지만, 놀랍게도 셀을 몇일 방치해도 spiro-MeOTAD의 광산화 또는 화학적 분해는 관찰되지 않았다. 

그들은 다음 단계로 공기에만 노출되었을 때 가능한 열화 메케니즘을 조사했다. 

Spiro-MeOTAD는 비정질 물질인데 DSSCs에서 유용한 특성이다. 하지만 이 특성은  공기 분자가 spiro-MeOTAD에 쉽게 확산 되거나 자유롭게 통과하는 문제를 낳을 수 있다. 이 공기 분자가 셀에서 불순물이 되어 열화를 일으킨다. 

향후 계획은 공기 노출로 부터 spiro-MeOTAD 층을 보호하기 위해 봉지재를 찾는 것이다.  

참고: http://www.oist.jp/news-center/news/2014/4/7/new-findings-help-extend-high-efficiency-solar-cells’-lifetime

강하게 상호 작용하는 전자들이 자기적으로 제어 가능한 산화물 계면을 만들고 태양전지 효율을 추가적으로 높인다

광이 태양전지 패널에 비춰질 때 포톤의 일부 에너지는 전기 에너지로 변환되지 않고 열로 버려진다. 

Masao Nakamura와 동료들은 이 버려지는 에너지를 이용할 수 있는 새로운 형태의 태양전지를 만들었는데 이 태양전지는 하나의 포톤에 대해 여러개의 전하를 생성시킬 수 있다. 

컨셉은 전기적 성질이 서로 다른 표면 사이에 계면을 만드는 이종접합에 기반한다. 

최근 연구는 페로브스카이트 산화물이 서로 접촉하면 광전지 효과가 나타날 수 있다는 것을 보였다. 광전지 효과는 상관 시스템(correlated system)이라고 알려진 비 상호작용 전자, 반도체 전자 그리고 상호작용 전자 사이의 경쟁에 의해 나타난다. 

하지만, 페로브스카이트 이종접합으로 태양전지를 만드는 것은 쉽지 않은데 계면의 전기장이 산화물 거동을 원하지 않은 쪽으로 변화시킬 수 있기 때문이다.  

그들은 태양전지에 적용하기 위해 상관(correlated)와 반도체 전자 사이의 최적 균형을 찾기 위해 이종접합 구조를 미묘하게 제어하기를 원했다. 

그들은 광감응성 상관(correlated) 물질로 La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)을 선택했고 레이저 펄스를 이용해서 반도체 페로브스카이트 물질인 Nb가 도핑된 SrTiO3(Nb:STO) 막 위에 증착했다.  

Nb:STO의 표면 방향을 바꾸어 결정 방향이 다른 두 비뚤어진 LSMO 결정을 성장시켰다.  

전기적 평가에서 두 LSMO-STO 접합 모두 반도체 특성을 나타내는 것으로 나타났다. 상관 전자를 평가하기 위해 자기장을 계면에 가했을 때 곧은 LSMO 상 보다 비뚤어진 LSMO 상에서 더 많은 광전류가 생성되었다. 

위 현상에 대해 Nakamura는 페로브스카이트 산화물에 조그마한 구조적과 화학적 변화가 중요한 계면 상 경쟁을 야기 할 수 있는 명백한 증거라고 설명한다.  

참고: http://phys.org/news/2014-10-strongly-interacting-electrons-oxide-interfaces.html

태양전지에서 전하 수송 재밍(jamming)

Max Plank Institute, 스위스 그리고 스페인의 연구자들은 전하 캐리어가 페로브스카이트 태양전지의 홀 전도층에 축적된다는 것을 알았다. 

만약 이 잼(jam)이 풀릴 수 있다면 페로브스카이트 태양전지의 효율은 더 증가될 수 있다. 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조로 결정화된 유-무기 화합물층의 도움으로 전기를 생성한다. 이 구조에서 이온이 입방 배열을 형성한다. 

페로브스카이트 층이 빛을 흡수하면 전자와 홀이 생성되고 전자와 홀을 어떻게 각각의 전극으로 잘 연결시키느냐가 많은 전기 생성의 관건이다. 

셀에서 페로브스카이트 층은 다공성 TiO2 층 위에 놓인다. 다공성 TiO2는 전자를 받아서 후면 전극으로 보내는 역할을 한다.  

페로브스카이트 층 위에는 유기 홀 전도층인 Spiro-OMeTAD가 놓이고 홀을 상부 전극으로 보낸다. 

셀 내의 많은 층들은 전자와 홀이 효과적으로 분리될 수 있도록 해 줘야 한다. 하지만, 전하 캐리어는 한 물질에서 다른 물질로 점프할 때마다 작은 베리어를 극복해야 한다. 이 배리어는 바쁜 고속도로상에서 공사장과 같아서 자동차 흐름을 꽉 막히게 한다. 

(그림 1: SFM 측정 원리. (a) CPD가 dark와 illumination 상태에서 측정된다. 또한, 셀의 각 층의 서로다른 동작 조건을 알기 위해 Au와 FTO 전극이  단락될 수 있거나 접지가 될 수 있다. SFM과 KPFM을 사용해서 물질 계면의 실제 공간 이미지(거칠기와 물질의 콘트라스트), 물질의 일함수 그리고 조명하에서 지역 전하 캐리어의 축적을 얻을 수 있다. (b) 물질 계면의 확대 이미지)

(그림 2: 소자의 전기적과 단면 특성. (a) 소자의 J-V 곡선과 소자 파라미터. (b) AFM 이미지 (c) FIB 연마된 표면의 위상차(phase contrast) 이미지 (d) 두 이미지에 기초해서 페로브스카이트 태양전지의 물질 계면을 정의할 수 있다. (e) Short-circuit 조건에서 KPFM 매핑. (f) FIB 연마된 샘플의 SEM 이미지. 페로브스카이트 캡핑 층의 두께는 0에서 200 nm 까지 변한다. 또한 페로브스카이트 물질이 다공성 TiO2 층 위에 관찰된다. (g) 소자 층 구조의 에너지 준위 다이아그램) 

(그림 3: Short-circuit 조건하에서 KPFM 결과. (a) 약 200 nm 두께 페로브스카이트 캡핑 층을 갖는 소자의 topography 이미지 (b) 해당 CPD 맵 (c) short-circuit 하에서 조명 전(검은 선), 조명 중(빨간 선) 그리고 조명 직후(파란 선) 라인 프로파일. 조명을 켠 후 포텐셜 증가는 캡핑층 안에 축적된 홀에 기인한다(빨간 화살표). 조명을 끈 후 트랩된 홀이 다공성 TiO2 층 내에 보이고 트랩된 전자는 페로브스카이트 캡핍층 내에 보인다.)

(그림 4: 더 얇은 캡핑층을 위한 short-circuit 조건하에서 KPFM 측정. (a)캡핑층 두께 ~140 nm일 때 의 CPD 라인 프로파일은 캡핑층 200 nm에 비해 캡핑층 내에서 light-induced charging이 적다는 것을 보여준다. (b) 캡핑층 두께 ~70 nm일때 CPD 라인 프로파일. CPD의 최대값이 다공성 TiO2층과 페로브스카이트층 사이의 계면에 나타난다.)

(그림 5: 조명 아래에서 소자 내부의 전기장 분포의 계략적 윤곽. 전기장은 E(x) = - d(CPD)/dx 로 계산된다.)

과학자들은 일련의 실험으로 부터 빛에 노출되었을 때 페로브스카이트 층에서 강력한 홀의 축적이 일어난다는 것을 발견했다. 

그들은 홀에 대한 이 현상의 원인을 TiO2 전자 전도체가 홀 전도체 보다 훨씬 더 효과적으로 작동하기 때문이라고 가정했다. 홀이 전자 만큼 빨리 전극에 도달하지 못하기 때문에 이동 중에 축적되는 것이다. 

페로브스카이 층 내의 과잉 홀이 역 전기장을 만들어 캐리어 수송을 더욱 감소시킨다. 

그들은 전하 수송을 관찰하기 위해 셀 중간을 쪼개서 정밀하게 초점이 맞춰진 이온빔을 이용(FIB)해서 깨진 표면이 부드러워질 때 까지 연마했다. 

Kelvin probe force microscopy의 도움으로 태양전지의 각 층의 전기 포텐셜을 매핑(mapping)했다. 

이 포텐셜 지도로 부터 연구자들은 전기장 분포를 유도해서 셀의 서로 다른 층을 통한 전하 수송을 알 수 있었다.  

Short-circuit 조건하에서 페로브스카이트 층에 빛을 쪼였을 때 홀의 전하 수송 재밍(jamming)은 홀 전도체를 통한 전하 수송이 효율 향상에 걸림돌이라는 것을 말해준다.  

만약 더 효과적인 홀 전도체가 이용된다면 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20%가 훨씬 넘을 수 있고 상용 Si 태양전지의 훌륭한 대안이 될 것이다. 

참고: http://www.mpg.de/8431287/efficiency_perovskite-solar-cell 

이론가가 엑시톤 트랩을 극복함으로써 태양전지 효율을 증가시키는 새로운 방법을 찾다

포톤이 폴리머 분자를 때리면 포톤 에너지가 분자에 전달되어 엑시톤이 생성된다.  엑시톤은 서로 인접한 분자 쪽으로 뛰어 넘어갈 수 있는데 결국 전극에 전자를 전달한다. 

하지만 엑시톤이 분자 내에서 이동할 때 미세한 결함을 만나면 그 에너지를 잃어버린다. 

MIT와 Harvard의 과학자들은 엑시톤이 트랩에 면역이 되게 하는 방법을 찾았다. 

그들의 접근은 topological insulator라고 알려진 exotic electrical state에 대한 최근 연구에 기반을 두고 있다. Topological insulator는 벌크는 전기 절연체이고 반면 표면은 좋은 전도체이다. 

그들은 소위 topological 보호를 전자가 아닌 엑시톤을 위해 사용했다. Topological 엑시톤은 단지 물질의 표면에서 움직이고 운동 방향은 인가 자기장 방향에 의해 결정된다. 

이론적 분석으로 부터 그들은 유기 물질(porphyrin 박막)에서 엑시톤 운동이 결함에 면역이 되는 것으로 판단했다. 

참고: http://phys.org/news/2014-09-theorists-efficiency-solar-cells-exciton.html

완벽한 태양전지

태양에너지를 열로 변환시키는 이상적인 물질을 만들기 위한 핵심은 물질의 흡수 스펙트럼을 정확히 튜닝하는 것이다. 

MIT 과학자들은 태양광 흡수를 위하여 열을 저장할 수 있는 이상적인 물질을 개발했다. 이 물질은 2차원 금속 유전체 광결정인데 다양한 각도에서 광흡수을 할 수 있고 매우 높은 온도에서 견딘다. 특히 이 물질은 싸게 대량으로 만들 수 있다. 

이 물질은 태양-열광전지(solar-thermophotovoltaic, STPV) 소자의 부분으로 작동한다. 

STPV 소자의 동작 원리는 태양광 에너지가 우선 열로 변환되고 이 열이 물질을 빛나게 하고 이 빛이 전기에너지를 만든다. 

MIT가 한 일은 STPV 소자를 이루는 나노 크기의 빈 동공 내에 유전체 물질(반사 방지 목적)을 형성한 것이다. 그들은 빈 동공의 크기를 제어함으로써 2차원 광결정 물질의 광흡수 특성을 매우 정밀하게 제어할 수 있었다. 

이 새로운 물질의 또 다른 중요한 점은 6인치 Si 웨이퍼 위에 제조될 수 있다는 것이다. 

 STPV 소자는 성능 극대화를 위해 거울을 이용해서 집광시키는데 이때 광결정은 고온에서 손상없이 견뎌야 한다. 그들의 광결정은 1000 °C, 24 시간 동안 심각한 열화 없이 잘 견뎠다. 

참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37550.php 

물을 수소와 산소로 분리하기 위한 매우 효율적인 공정이 개발되다

새로운 물 분해 공정으로 안정적인 촉매와 고효율 페로브스카이트 태양전지를 결합해서 태양광을 쪼였을 때 물에서 수소 변환 효율 12.5%을 얻었다

효과적인 물 분해를 위해서는 충분한 속도로 충분한 반응이 진행되도록 물 분해 활성 에너지 장벽을 낮춰주는 촉매와 이 에너지 장벽을 극복할 수 있는 충분한 전압을 제공할 수 있는 태양전지가 필요하다.

Si 태양전지는 간접 밴드갭 반도체인 Si을 광흡수층로 이용하는데 광흡수가 비효율적이여서 광흡수층의 두께가 두꺼워야 한다. 그래서 용액으로 부터 광흡수층을 만들기 힘들어 웨이퍼로 만들수 밖에 없어 Si 태양전지를 제조하는데 비용이 많이 든다.

더우기, Si 태양전지의 Voc는 약 0.75 V가 한계여서 물 분해 공정을 위해 태양전지가 3~4 개가 직렬로 연결되어야 한다. 이것은 공정 효율을 낮추고 비용을 증가시킨다.(물전기분해를 위해 1.7 V 이상이 필요하다.)

페로브스카이트 물질은 직접 밴드갭 반도체이기 때문에 훨씬 더 효율적으로 광을 흡수할 수 있어 수 um 두께로도 광흡수층을 만들 수 있기 때문에 용액 공정으로 싸게 셀 제조가 가능하다. 

스위스의 과학자들은 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 태양전지 2개를 직렬로 연결해서 만든 물 분해 소자를 공개했다. 이 태양전지의 효율은 17.3% 였고 Voc는 1 V가 넘는다. 

하지만, 현재의 페로브스카이트 태양전지는 단지 몇 시간 후 망가지는 매우 나쁜 안정성은 꼭 개선되어야 한다. 

그들은 물 분해 촉매로써 Ni-Fe layered double hydroxide를 이용했다. 이 촉매는 알칼리 전해액에서 애노드에서 산소발생반응 뿐 아니라 캐소드에서 수소발생반응을 위한 촉매 작용을 했다.  

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/09/perovskite-solar-cells-show-hydrogen-production-promise