양면 접촉 태양전지에서 효율 25.1%을 달성하다

Fraunhofer ISE는 최초로 효율 25.1% 양면 접촉 Si 태양전지를 개발했다. 이는 간단한 제조 공정과 고효율을 동시에 구현한 것이다. 

이 태양전지는 전면과 후면 모두 금속 접촉이 있다. 후면에는 어떤 패터닝도 없다. 후면 패시베이션 접촉은 전체면에 걸쳐 형성된다. 그래서 제조 공정이 단순하다.

핵심 기술은 TOPcon (Tunnel Oxide Passivated Contact) 기술이며 후면 금속 접촉이 패터팅 없이 후면에 형성된다. 이를 위해 그들은 터널 산화물로 만들어지는 선택적 패시베이션 접촉을 개발했다. 다수 전하 캐리어는 통과시키고 소수캐리어는 재결합되는 것을 막아준다. 터널 산화물 패시베이션층의 두께는 1~2 nm이다. 

고농도로 도핑된 얇은 Si막이 터널 산화물막이 증착된다. 이 새로운 결합이 전류가 셀 밖으로 거의 손실없이 빠져 나오게 한다. 

태양전지 산업에서 대다수 태양전지는 후면 전체를 덮는 Al 합금 후면 접촉을 하고 있다. 하지만 이 형태의 접촉을 효율을 제한하기 때문에 PERC (Passivated Emitter Rerar Cell) 기술을 도입하고 있다. 

PERC 기술에서는 재결합을 줄이기 위해 후면의 단지 작은 면적이 접촉된다. 추가적인 패터닝 단계가 필요하다. 이는 Si wafer 내에 더 긴 전류 전도 경로를 만든다. 반면 TOPcon 기술은 이 손실 메커니즘을 줄이는 가능한 접근을 제공한다.   

참고: http://www.solarserver.com/solar-magazine/solar-news/current/2015/kw38/fraunhofer-ise-announces-new-pv-world-record-both-sides-contacted-silicon-solar-cells-reach-an-efficiency-of-251-percent.html

태양광 발전의 근거 없는 믿음에 대한 해명

1. 태양전지 제조에 필요한 에너지가 태양전지의 수명 동안 생산하는 에너지보다 많다(태양전지 제조시 배출되는 CO2가 태양전지 수명 동안 CO2가 차감되는 것 보다 많다).

전혀 사실이 아니다. 현재 Si 태양전지의 투자금 회수 기간은 2년이 안된다. 박막 태양전지의 경우 1년이 안된다. 투자금 회수 기간이 끝나면 앞으로 남은 수명 동안(25년) 에너지를 누적시킬 수 있다.



2. 태양광 발전은 보조금이 없으면 재정적으로 실행 불가능하다.

보조금은 빠르게 점차 폐지되고 있고 기술적 진보가 태양전지 효율을 꾸준히 높이고 있다. 현재 태양광 발전 에너지는 구매 전력보다 싸다. 심지어 가장 싼 화석 연료와 유리한 경쟁을 하고 있다.

최근 Warren Buffet 소유 전력소는 First Solar의 Nevada 발전소로 부터 3.97 cent/kWh 가격으로 전기를 구매하기로 결정했다

    3. 태양광 발전은 새롭지만 보편적 에너지로 증명되지 않았다. 

1954년 Bell Labs에서 Si 태양전지가 최초로 개발된 이래 우주 탐사, 데이터 센터와 같은 독립 시설 가동, 그리고 가정에 전력을 공급하고 있다. 

태양전지 모듈 수명 25년 이상, 더 낮은 LCOE(levelised cost of electricity), 그리고 더 높은 효율이 달성되면 보편적인 에너지가 될 것으로 생각한다. 

4. 태양광 발전은 일사량이 많은 지역에서만 할 수 있다. 

물론 일사량이 많으면 태양광 발전량은 증가한다. 그런데 태양전지가 전력 생산하는데 전체 햇빛이 필요하지 않다. 햇빛이 상대적으로 약한 북반구에 위치한 독일이 세계적으로 설치된 태양광 발전용량이 가장 높다. 

5. 태양전지 메이커는 똑같은 품질의 제품을 만든다. 

그렇지 않다. 품질, 작업자 그리고 작업 환경의 관리가 잘 안되는 공장에서 제조된 태양전지 성능은 나쁠 것이다. 반면 평판이 좋은 메이커의 태양전지는 성능과 25년 보증을 준다. 

6. 태양전지는 집 지붕과 어울리지 않는다. 

몇몇 회사는 집 지붕과 잘 어울리는 true-black 태양전지 패널을 제공하고 있다. 가장 성능이 좋은 태양전지를 사용하기 때문에 적은 패널으로 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 

7. 태양광 발전은 너무 비싸다. 

기술 진보와 효과적인 지원 덕분에 주택용 태양광 발전 시스템 비용은 그 어느 때보다 더 싸졌다. 많은 미국 주택 소유자는 태양광 발전 시스템 비용에 대해 초기 부담을 낮추고 20년 이상 분할 상환할 수 있도록 금융 프로그램을 이용할 수 있다.  

참고: http://www.newsusa.com/articles/article/shining-light-on-top-5-myths-about-solar-energy.aspx, http://www.clickgreen.org.uk/opinion/opinion/126400-five-myths-about-solar-power--and-the-real-facts.html

All-polymer 태양전지를 위한 flow-enhanced 용액 프린팅

도너 폴리머와 업셉터 폴리머를 서로 혼합한 all-polymer는 이종접합 유기 태양전지에서 최고의 도너/업셉터 물질 조합 중 하나다. 그런데 all-polymer일때 도너 폴리머의 낮은 결정화도와 큰 도메인 크기로 인해 소자 성능 저하가 일어난다.  

(그림 1 ⎜ 프린팅된 all-polymer 태양전지의 마이크로 상 분리 제어를 위한 Fluence 기술.(a) 용액 전단 플랫폼에 구현된 Fluence 방법. (b) 이종접합 태양전지에서 마이크로 상 분리된 모폴로지의 도식도와 본 연구에 사용된 전자-도너와 전자-업셉터 폴리머의 분자 구조. (c) 나노구조 프리팅 날의 SEM 이미지. 흰 점선은 xy 평면에서 시뮬레이션 박스의 크기를 나타낸다. (d) 마이크로 구조 프린팅 날과 기판사이의 flow field를 보여주는 Finite element simulation 결과이다. 시뮬레이션에서 프린팅 속도는 50 um/s이다. 유체 속도의 색 눈금이 오른쪽에 있다. 이 경우 flow는 프린팅 운동 대신 용매 증발에 의해 주로 구동된다. 절단 평면(중앙 이미지)은 기판과 평행한 면이고 프린팅 날과 기판의 z 방향으로 대략 등거리에 있다. 확장과 전단 흐름하에서 폴리머 형태 변화, 정렬과 응집/결정화가 flow field 안에 도시되어 있다.)

Stanford 대학 연구자들은 이 문제를 풀기 위해 나노 크기의 갈퀴(rake)로 만든 날을 이용한 fluence 기술(fluid-enhanced crystal engineering)을 개발했다. 

갈퀴은 1.2 um 간격으로 밀집되어 있고 높이는 1.5 um이며 기존 폴리머 시스템에 맞게 조정 가능하다. 새로운 폴리머 시스템일때는 갈퀴는 다른 효과를 낼 수 있다. 

그들은 fluence 기술을 이용해서 도너 폴리머 박막의 결정화도 증가와 도너와 업셉터 도메인 크기를 감소시켜 exciton 확산 거리 증가, 전하 캐리어 이동도 증가, 그리고 광흡수율 증가를 이뤘다.  이렇게 해서 셀의 Jsc, FF, 그리고 Voc가 향상됐고 제조된 셀 간 성능 변화를 상당히 감소시켰다. 

Fluence 기술은 상용화하기에는 낮은 인쇄 속도가 문제다. 인쇄 속도 증가를 위해 용매와 작업 온도의 적당한 선택이 필요하다. 

참고:http://www.nature.com/ncomms/2015/150812/ncomms8955/full/ncomms8955.html

페로브스카이트 태양전지

[CH3NH3PbI3 페로브스카이트 구조]

ABX3 페로브스카이트 타입 구조이며 코너를 공유하는 PbI6 8면체의 확장된 뼈대로 구성되어 있다. CH3NH3+ 양이온이 중앙 위치에 있고 12개의 가장 가까운 이웃인 Iodide 이온으로 둘러싸여 있다. 양이온은 일반적으로 격자 내에서 전하 보상으로 여겨지고 밴드 구조에 영향을 주지 않지만 양이온의 크기 변화는 광학 특성에 강하게 영향을 미친다. 


[동작 원리]

페로브스카이트의 광여기(1), TiO2로 전자 이동(2), HTM으로 홀 이동(3)(또는 HTM에서 페로브스카이트로 전자 이동), 광생성 종의 재결합(4), TiO2/페로브스카이트 계면, HTM/페로브스카이트 계면, 그리고 TiO2/HTM 계면에서의 back charge transfer(5,6,7). 고성능을 위해서는 4~5 과정은 전하 생성과 추출 과정인 1~3 과정보다 느리게 일어나야 한다.  

[특징]

 - DSSCs로 부터 진화됐고 DSSCs의 염료가 페로브스카이트로 대체된 것이다.  
 - 넓은 스펙트럼에서 광을 효과적으로 흡수하고 또한 전하 캐리어 이동도와 수명이 크고 캐리어 확산 거리가 길다 
  (OPV와 다르게 전자와 홀은 자유롭게 움직일 수 있어서 페로브스카이트 층은 전자와 홀 모두 재결합없이 이동시킬 수 있다) 
 - 페로브스카이트 물질은 조작이 가능해서 다양한 광학적 전기적 특성을 갖게 할 수 있다.  
   (할로겐화물로 Br을 쓰면 단파장 흡수에 유용하고 I을 쓰면 장파장 흡수에 유용하다)
 - 제조하는데 비싸지 않다.
 - 수분에 취약하고 핵심 원소인 Pb가 유해하다.  



[기술 변천]

 

- 2009: Kojima et al., CH3NH3PbX3(X=Cl, Br0, 3.8%
- 2011: Im et al., 6.54%
- 2012: Kim et al., spiro-OMeTAD을 사용해서 all solid-state mesoscopic heterojunction PSCs  제조, 9.7%
- 2012: Lee et al., mesoporous TiO2를 Al2O3로 대체해서 'meso-superstructured' PSC 제조, 10.9%
- 2013: Burschka et al., 순차적 two-step dipping 방법으로 PSCs 제조, 14.14%(인증)
- 2013: Saliba 그룹과 Shin 그룹이 독립적으로 조성 튜닝과 '안티 솔벤트 one-step 증착 방법'을 통해 PSV 제조, 21%
그동안 Cs+와 Rb+ 양이온을 집어 넣거나, 2D 페로브스카이트 막 또는 TiO2 대신 La-BaSnO3을 적용해서 안정성을 향상시킴


[이슈]


1. 안정성

   - 페로브스카이트 물질의 열과 수분 취약하고 조성 열화와 결정상이 변함
 (구조가 캐지기 쉬운 것은 소금과 같은 결정 구조를 갖고 있기 때문)
   - 다양한 소자 아키텍처 개발
   - 수분 침투 방지 첨가제

   - HTM 물질 개선 및 대체 

    

2. 효율



   1) 소자 아키텍처

      - Mesocopic 구조
       

     
    반도체 산화물 발판을 사용하고 페로브스카이트 물질이 발판에 침투되어 있다.


      - Planar 구조

      
     다공성 발판이 없으며 n-i-p와 p-i-n 구조로 분류될 수 있다. 
      
      - HTL free 구조
        : 특별히 아주 좋은 안정성을 보임
      - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 구조 개발
        :최적 광포획을 위한 페로브스카이트 밴드갭 튜닝 
     


    2) 페로브스카이트 막 제조 공정 기술

      - 페로브스카이트 막 결정성과 모폴로지 제어가 중요
       :Mesoporous 표면 위와 평탄한 표면 위에 결정화된 페로브스카이트의 grain 크기 각각 ~10 nm와 ~100 nm이다.
      - Pinhole-free
       a) one-step 전구체 용액 성막 
     


     3) 새로운 재료
 


3. 환경

  - Pb 대체



[응용]

 스마트 창(솔라 창),  BIPV, 야외 가구, 탠덤 태양전지, 전력 공급 시설, 휴대용 기기, off-grid 응용, 자동차


[관련 회사]

1) Oxford Photovoltaics
    - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 셀 개발 전략으로 10cm2 셀 크기에서 효율 21.3% 달성(개별 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%)

2) Imec
    - 페로브스카이트 모듈(aperture area 16 cm2) 효율 11.9% 달성 (2015.7.15)
      : 유기 태양전지 기술을 활용했고 실험실 규모의 스핀 코팅 공정으로 만들어 졌다. 
      

3) Dyesol

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

건강한 태양전지를 위한 피부 관리

태양전지는 햇빛에 의해 생성된 전자와 홀의 가스로 계속 부풀어 오르는 마치 풍선과 같다. 그들의 피부(외부 표면)는 그들 입자를 반도체 물질 내에 가둘 필요가 있다. 

이것은 표면을 패시베이션하는 코팅으로 달성될 수 있고 그렇게 해야 전자와 홀이 거기서 재결합할 수 없다. 

하지만 잘 패시베이션된 막으로는 충분치 않다; 에너지를 외부 회로에 제공하기 위해서는 태양전지는 전자와 홀을 선택적으로 수송할 수 있는 별개의 2 영역이 필요하다. 

어떤 접촉 방식이라도 원래 목적인 표면 패시베이션을 유지하면서 단일 캐리어 수송을 얻는 것은 쉽지 않다. 그리고 물론 태양광에 노출되는 표면 코팅은 투명해야 한다. 

이 논문은 Si 표면 보호를 위한 효과적인 처리를 대한 개요를 보여준다. 첫번째로 패시베이션을 하고, 두번째로 2 전하 캐리어를 분리하기 위한 영역을 구현한다. 전자와 홀 접촉은 Si 웨이퍼 표면의 다른 부분에 적당한 도펀트를 도핑함으로서 형성된다. 즉 sub-surface 층이 만들어져서 어느 한 캐리어에는 높은 전도성을 띄고 다른 캐리어는 그 반대다. 

선택적 접촉은 적당한 밴드갭, 일함수 그리고 전도성을 갖는 물질을 증착해서 형성될 수 있고 2 전하 캐리어 중 어느 하나만을 수송해야 한다. 

대부분의 접촉의 선택성은 기하학적 수단 또는 얇은 두께, 터널링 가능한 물질로 강화될 수 있다. 많은 가능한 접촉 구조의 예시로서 이 논문은 도핑된 poly-Si과 금속 산화물에 대한 최근 연구를 설명할 것이다.  

참고: http://www.ieee-pvsc.org/ePVSC/core_routines/view_abstract_no.php?show_close_window=yes&abstractno=2748

페로브스카이트가 벽에 부딪힌 Si 태양전지를 구할 것이다

Si 태양전지는 이미 진화할만큼 진화했다는 의견이 많다.  

MIT/Standford 팀은 기존의 c-Si 제조 능력을 활용하면서 c-Si  태양전지 보다 더 높은 효율을 얻기 위해 Si 기반 탠덤 접근을 생각하고 있다.  

Si 기반 탠덤에서 top sub cell은 밴드갭 1.6~1.9 eV을 가져야 한다. 마침 메틸암모늄할로겐납은 할로겐화물 조성에 의해 밴드갭이 조정 가능하고 16~2.3 eV이다. 

그들의 Si 기반 탠덤은 2 sub cell이 직렬 연결되어 있으며 top sub cell(페로브스카이트)이 가시광을 흡수하고 bottom sub cell(c-Si)은 적외선을 흡수한다. 

2 sub cell의 전기적 연결을 위해 Si 박막(n++ Si) 터널 접합이 사용되었다. n++Si과 TiO2 사이의 conduction band alignment가 재결합 층으로서 기생 흡수가 큰 TCO 사용을 배제할 수 있게 해준다. 

2 sub cell이 직렬로 연결되어 있기 때문에 두 sub cell에 흐르는 전류가 똑같고 전압은 보태진다.  

여기서 문제점은 가장 나쁜 성능의 물질에 의해 전류가 제한된다는 것이다. 하지만 연구자들은 2 sub cell의 전류를 정밀하게 매칭하면 이 문제는 극복할 수 있을 것이라고 한다. 

초기 버전의 탠덤셀의 안정화 효율은 13.7%로서 페로브스카이트 자체 효율 16% 이상인 점을 감안하면 기대에 못 미치지만 효율 35%까지 가능할 것이라고 믿는다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/03/27/silicon-solar-cells-hit-wall-perovskite-leaps/