The a-Si:H/poly-Si Heterojuntion Solar Cells = 비정질/다결정 실리콘 이종접합 태양전지

국문 초록 (Abstract)

지상 전력응용을 위한 태양전지는 저가, 대면적, 높은 광변환 효율 조건이 요구된다. 이런 조건들을 만족시키기 위해서 비정질 규소/다결정 규소 구조인 이종접합 태양전지를 연구하였다. 본 태양전지는 상부에 넓은 대역폭(1.8eV)을 갖는 n-i-p형 비정질 규소 전지와 하부에 좁은 에너지 대역폭(1.1eV)인 n-p접합 다결정 규소로 이루어져 있다. 태양전지와 재료의 최적화는 태양전지 모의 실험도구인 PC-1D를 이용하였다. 연구 분야는 크게 세가지로서, 다결정 규소 하부전지, 비정질 상부전지, 태양전지 등가회로로 나누어 세부연구를 행하였다. 각 층의 변수들을 최적화하여 변환효율이 22%에 달하는 이종접합 태양전지를 얻었다. 직렬 연결된 태양전지를 통해 흐르는 총전류는 같아야 하므로 낮은 전류를 생성하는 상부 전기가 도출 가능한 출력 전류를 지배하게 된다. 비정질 규소 전지의 고저항 성분이 도출 가능한 전류를 적게 하기 때문에 상부 태양전지는 단락전류를 증가하는데 목표를 두어 최적화하였다. 제작이 가능한 상부 태양전지의 최적화된 변수는 불순물 농도가 10^17CM^-3, 진성층 두께 0.4㎛, 불순물층 두께 10nm, 진성층 농도 10^14cm^-3, 반송자 수명시간 5 x 10 exp(-8)sec, 표면 재결합 속도 10^4cm/sec, SiO 반사 방지막두께 80nm 등이다. 하부 태양전지는 개방 전압을 증가시키는데 목표를 두었다. 다결정 기판으로 p-type, 저항률 0.1Ω-cm, 두께 50㎛, 소수 반송자 수명시간 10μsec, 불순물 농도 5 x 10 exp(17)cm^-3, 표면을 반사 방지막이나 texturing하여 최적의 효과를 얻었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A terrestrial application of solar cells requires a low production cost, large area, and high conversion efficiency. To meet these requirements, we investigated heterojunction solar cells with a structure of Metal/a-Si : H (n-i-p)/poly-Si (n-p)/Metal. This cell consists of two component cells ; top n-i-p junction a-Si : H cell with wide-bandgap 1.8 eV and a bottom n-p junction poly-Si cell with narrow-bandgap 1.1 eV. The solar cell conversion influencing factors were investigated in terms of film thickness, doping concentration, minority carrier lifetime, diffusion length, surface recombination, surface potential, A/R coating, and circuit parameters of solar cells. The optimization of material and solar cell was carried out by using a PC-1D solar cell simulator. Three main stream lines of the studies were the p-n junction poly-Si bottom cell, the p-i-n junction top a-Si : H cell, and the equivalent circuit examination. The optimized results indicates that the 22% efficiency of heterojunction solar cells can be achieved by optimizing parameters in each layer. Because the total current flow through the top and bottom cell must be constant, the lower current generating cell dominates the achievable output current. The top cell simulations were aimed to increase the short circuit current because the high resistivity of a-Si : H hinders high current generation. The achievable parameters in top cell fabrication are given as doping of 10^17 cm^-3, intrinsic layer thickness 0.4㎛ doped layer thickness 10 nm, intrinsic carrier concentration 10^14 cm^-3 , carrier lifetime 5 x 10 exp(-8) sec, surface recombination velocity 10^4 cm/sec, and SiO thickness 80 nm for the A/R coating. The bottom cell optimization was focused to enhance the open circuit voltage by taking p-type poly-Si substrate with 0.1Ω-cm resistivity, substrate thickness 50 ㎛. minority carrier lifetime 10 μsec, n-type emitter doping concentration 5 x 10 exp(17) cm^-3, and surface texturing or A/R coating method. The simulation results were generated using the acceptable values in experiment. The high conversion efficiencies can be achieved by tailoring the parameters of heterojunction solar cells. This approaches could be expanded to other heterojunction solar cells such as a-Si : H : C/poly-Si, CdS/CuInSe_2, and GaAs/GaSb.