(principle and method of photovoltaic cell)

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1 (principle and method of photovoltaic cell)
태양전지 원리 및 제조방법 (principle and method of photovoltaic cell) 특허청 전기전자심사본부 전자소자심사팀 김 종 권

2 순서 1. 개념 및 원리 2. 실리콘계 태양전지 기술 3. 화합물계 태양전지 기술 4. 유기 태양전지 기술
5. 관련 정책 및 동향

3 태양전지 원리

4 태양광발전 시스템 계통도

5 태양광 스펙트럼 40분이면 OK! - 태양에너지 밀도 (@대기권 밖) = 1.35 kW/m2
Black Body Radiation 5600K, far from 1.5 x 108 km) 7 E+40 6 E+40 5 E+40 4 E+40 Intensity (W/m2) 3 E+40 2 E+40 1 E+40 0 E+00 Wavelength (nm) 1000 2000 3000 4000 5000  300 150 100 75 50 frequency (THz)  1.2 0.6 0.4 0.3 Photon Energy (eV) 0.2 - 태양에너지 밀도 밖) = 1.35 kW/m2 - 태양에너지 밀도 = 0.7 kW/m2 - 지표면에 도달하는 에너지량 = 1.2 x 1014 kW = 10,000 x 1.2 x 1010 kW (지구 에너지소비량) 40분이면 OK!

6 태양전지 역사

7 발광소자 vs 수광소자

8 PV 수요 전망 Demand (GW)

9 Current-Voltage Plot & Efficiency

10 태양전지 종류

11 태양전지 재료별 흡수계수

12 단결정 실리콘 성장 방법 초크랄스키법(CZ법) 플롯존법(Float Zone Method, FZ)

13 고효율 태양전지를 위한 기술 - passivation : 표면에서의 재결합을 방지
- anti-reflection : 빛 흡수를 최대화 - 전면 전극의 면적을 최소화 - 전극과 실리콘 기판과의 접촉 저항을 최소화

14 단결정 실리콘 태양전지 사례 - BIC BIC (backside Integrated contact) - stanford
- 음극 및 양극 전극이 태양전지의 후면에 존재 : 전극이 없는 다른 면에서 태양광이 최대한 흡수되도록 하고 : 직렬저항을 최소화 되도록 - 전면에 산화막을 입혀 표면 재결합을 방지하고 - 이중 반사방지막을 채택하여 빛 흡수율을 향상시키도록 하였으며 - Al/Ni/Au 금속전극 - 20~22% 변환효율

15 단결정 실리콘 태양전지 사례 - PERL PERL (passivated emitter, rear locally-diffused) - U of New South Wales - 광흡수면이 역피라미드 표면구조를 가지며 - 후면이 부분적으로P+층을 갖고 - 태양전지 기판의 전후면에200Å의 산화층을 입혀 표면에서의 재결합을 줄이도록 - 역피라미드 표면위에 이중반사방지막을 채택 - 공정이 용이하지 않음 - 24%

16 단결정 실리콘 태양전지 사례 - BCSC BCSC (buried contact solar cell) - SDI
- 스크린 인쇄법에 의해 전극을 형성시키는 기존 태양전지의 문제점을 극복 (스크린 인쇄법은 접촉저항이 커서 효율을 향상시키는데 한계가 있다) - 전극 면적을 5% 이하로 줄이면서도 접촉저항을 작게 할 수 있다.

17 다결정 실리콘 태양전지 사례 (a) Kyocera 17.2%, (b) UNSW 17.8%,
- RIE (reactive ion etching)법 - 열산화막 형성 (재결합 감소) (c) Sharp 17.2%, (d) UNSW 16.7%

18 박막 태양전지의 장점 (소재기준)

19 非실리콘계 태양전지 기술

20 화합물 박막 태양전지 모듈

21 Tandem 구조의 태양전지 - 현재의 단일접합(Single junction) 태양전지에서는
밴드갭(Bandgap : Si의 경우 1.1eV)보다 장파장의 태양복사에너지는 통과, - 밴드갭 보다 짧은 파장의 복사에너지만 흡수 = 이 때 밴드갭 보다 큰 여분의 에너지는 열로서 바뀌어 소실된다.

22 양자우물 구조의 다중접합 태양전지 - 현재 최고의 효율을 내고 있는 소자는 GaAs
- GaAs를 바탕으로 한 소자의 문제점은 GaAs 위에 적층할 때, 다양한 파장의 밴드갭을 갖는 물질을 올리는 것이 GaAs-AlGaAs-AlAs로 이어지는 약 0.5eV 정도의 스펙트럼 폭을 갖는 반도체 물질에 한하며 - 그 외의 물질에 대해서는 모두 스트레인을 박막이 받아 박막의 성장이 어렵다. - 이에 반해 InP를 바탕으로한 화합물 반도체는 InGaAs-InGaAsP-nP로 약 0.8eV의 스펙트럼을 갖는 격자 정합이 가능한 물질들이 준비되어 있어 MQW 구현 시 박막의 스트레스 문제가 없는 장점을 갖고 있다.

23 양자점 구조의 다중접합 태양전지 - 각 단위층의 계면들은 연속적으로 수소 경사(grading)가 이루어져 있으면서
강하게 수소희석된 단위층 안에는 수나노 크기의 양자점이 함유되어 있다.

24 CuInSe2 (CIS) 박막 태양전지 기술 - 단위박막별로 다양한 종류의 재료와 조성이 사용
- 제조방법에서는 갖가지 물리적,화학적 박막 제조방법이 사용 - 태양전지의 면적이 커 지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소 따라서 - 대면적 모듈의 경우는 일정한 간격으로 직열연결이 되도록 패터닝

25 CIS 모듈 제조공정

26 CIS 모듈 제조공정별 특징(I) 1) 기판 : - 일반적으로 유리가 사용되고 있다.
- 그 외 세라믹기판, Cu tape 같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용 - 최근, Polyimide와 같은 유연성 있는 고분자 재질등도 기판으로 사용 2) 배면전극 - Mo이 가장 광범위하게 사용된다. (높은 전기전도도, CIGS에의 ohmic contact, Se 분위기 하에서의 고온 안정성) - Mo 박막의 제조는 D.C. sputtering이 가장 널리 이용되고 있다. - Ar 분압이 낮을수록 저항은 낮아지나 박리현상이 발생하게 된다. 3) Buffer 층 - CIS 태양전지는 p형 반도체인 CuInSe2 박막과 n형 반도체로 ZnO 박막이 접합 - p,n형 두 물질의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이 (양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 층) - 현재 가장 높은 효율의 태양전지에 사용되고 있는 것은 CdS이다. - CdS박막은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을 사용 - CdS박막은 2.46 eV의 에너지 밴드갭을 가지며(In, Ga, Al 등을 doping) - 대안으로 물리적 박막공정으로 제조 가능한 InxSey 을 사용하기도 한다 (광특성이 양호하고, CIS와 동일 장치로 제조가 가능) - Zn(O,S,OH)x,In(OH)xSy, ZnInxSey, ZnSe 등이 있다.

27 CIS 모듈 제조공정별 특징(II) 4) 광흡수층 - 삼원화합물인 CuInSe2는 에너지밴드갭이 1.04 eV로
단락전류는 높으나,개방전압이 낮아 높은 효율을 얻을 수 없었다. - 현재 개방전압을 높이기 위해 CuInSe2의 In의 일부를 Ga원소로 대치하거나 Se를 S로 대치하는 방법을 사용하고 있다. - CuGaSe2는 밴드갭이 약 1.5eV로 Ga이 첨가된 Cu(InxGa1-x)Se2 화합물 반도체의 밴드갭은 Ga 첨가량에 따라 조절 가능 - 하지만 광흡수층의 에너지밴드갭이 클 경우 개방전압은 증가하지만,오히려 단락전류가 감소하므로 Ga의 적정한 함량조절이 필요하다. 5) Window 층 - 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 높은 광투과율과 전기전도성이 요구됨 - 현재 사용되고 있는 ZnO는 에너지밴드갭이 약 3.3 eV이고, 약 80 % 이상의 높은 광투과도를 가진다. - ZnO박막은 RF sputtering방법으로 ZnO target을 사용하여 증착하는 방법, Zn metal을 이용한 reactive sputtering, 그리고 MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition) 방법이 사용 - 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막위에 증착한 2중구조를 채택하기도 한다.

28 Dye-sensitized Solar Cell (DSSC)

29 DSSC Principles

30 DSSC Advantages

31 DSSC 요소기술

32 DSSC 모듈 구조

33 태양전지 단가 분포

34 Future Solar Cell

35 감사합니다