소개

태양광 발전 기술은 지난 10년 동안 빠르게 발전해 왔으며, 여러 경쟁 셀 아키텍처가 효율성을 새로운 높이로 끌어올렸습니다. 이 글에서는 태양전지의 기본 작동 원리를 살펴보고, 오늘날 업계를 형성하는 세 가지 주요 차세대 기술을 분석한 후, 셀 생산의 품질 관리에 대해 살펴봅니다.

태양광 PV 셀의 작동 원리

태양전지는 빛을 전기로 변환하지만, 들어오는 모든 광자가 동일하게 기여하는 것은 아닙니다. 에너지가 손실되는 위치를 이해하는 것이 더 나은 셀을 만드는 첫 번째 단계입니다.

• 밴드갭보다 낮은 에너지를 가진 광자는 흡수되지 않고 셀을 통과합니다.

• 밴드갭보다 높은 에너지를 가진 광자는 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하지만, 고에너지 광자의 초과 에너지는 일부 열로 손실됩니다.

• 생성된 캐리어의 전하 분리 및 수송은 pn 접합에서 손실을 발생시킵니다.

• 캐리어 수송 중 재결합 손실이 발생합니다.

• 접촉 저항은 전압 강하를 유발하여 접촉 전압 손실을 초래합니다.

전기적 손실 감소

• 좋은 결정 구조와 올바른 유형의 웨이퍼를 선택합니다.

• 이상적인 pn 접합 형성 기술을 개발합니다.

• 이상적인 패시베이션 기술을 개발합니다.

• 합리적인 금속 접촉 기술을 채택합니다.

• 우수한 전면 및 후면 전계 기술을 적용합니다.

광학적 손실 감소

광학적 손실을 줄이고 셀 효율을 높이기 위해 업계는 다양한 광포집 접근법과 기술을 개발해 왔습니다. 여기에는 웨이퍼 표면 텍스처링을 통한 반사 감소, 전면 반사 방지 코팅, 후면 반사 코팅, 그리고 그리드 라인 음영 면적 최소화가 포함됩니다.

TOPCon

TOPCon은 패시베이션 접촉 기술로도 알려져 있으며, PERC 이후 차세대 태양전지 기술로 널리 인정받고 있습니다. HJT나 IBC와 같은 다른 잠재적 신기술과 비교하여 TOPCon은 기존 PERC 또는 PERT 라인에서 직접 업그레이드할 수 있습니다. 따라서 기존 생산 라인을 업그레이드하려는 제조업체는 상대적으로 낮은 자본 투자로도 약 1%의 견고한 효율 향상을 달성할 수 있습니다.

TOPCon 셀의 전면은 기존 N형 또는 N-PERT 셀과 본질적으로 동일하며, 붕소(p+) 이미터, 패시베이션 층, 반사 방지 층으로 구성됩니다. 핵심 기술은 후면 패시베이션 접촉에 있습니다: 웨이퍼 뒷면에는 초박형 산화물 층(1–2 nm)과 인 도핑된 미세/비정질 혼합 실리콘 박막이 있습니다. 양면형 응용을 위해, 전면에는 Ag 또는 Ag-Al 그리드를, 후면에는 Ag 그리드를 스크린 인쇄하여 금속화합니다.

터널 산화물 패시베이션 접촉

터널 산화물 패시베이션 접촉(TOPCon)은 최근 25.7%의 높은 변환 효율을 달성하여 상당한 주목을 받고 있습니다. TOPCon 구조는 얇은 터널 산화물과 인(P) 도핑된 폴리실리콘 접촉 층으로 구성됩니다. P-도핑 폴리실리콘 층은 a-Si:H를 결정화하거나 LPCVD를 사용하여 폴리실리콘을 직접 증착하여 제조할 수 있습니다. TOPCon은 고효율 태양전지 기술 중 유망한 후보로 두드러집니다.

HJT 이종접합

이종접합 기술(HJT)은 지난 10년 동안 부상한 태양광 패널 제조 방법입니다. 현재 효율과 출력을 높은 수준으로 끌어올리는 가장 효과적인 공정 중 하나이며, 업계 주류인 PERC 기술의 성능을 능가하기도 합니다. HJT 셀은 결정질 실리콘과 비정질 박막이라는 두 가지 다른 기술을 하나로 결합합니다. 이 기술들을 함께 사용하면 각각을 단독으로 사용할 때보다 더 많은 에너지를 수확하여 25% 이상의 효율에 도달합니다.

HJT 셀 구조

단결정 웨이퍼를 기판으로 사용하여, 세정 및 텍스처링된 웨이퍼 전면에 5–10 nm의 진성 a-Si:H 막과 p형 a-Si:H 막을 순차적으로 증착하여 p-n 이종접합을 형성합니다. 웨이퍼 후면에는 5–10 nm의 진성 막과 n형 a-Si:H 막을 증착하여 후면 전계를 형성합니다. 그 후 투명 전도성 산화물 막을 증착하고, 마지막으로 스크린 인쇄를 통해 양면 상단에 금속 집전 전극을 형성하여 대칭형 HJT 태양전지를 구축합니다.

HJT 셀의 장점

• 유연성 및 적응성 — 이 기술은 극한 기상 조건에서도 우수한 생산 능력을 위해 개발되었습니다. HJT 패널은 기존 패널보다 낮은 온도 계수를 가지므로 높은 외부 온도에서도 높은 성능을 보장합니다.

• 예상 수명 — 평균적으로 박막 PV 모듈은 최대 25년까지 지속될 수 있는 반면, HJT 셀은 30년 이상 정상적으로 작동할 수 있습니다.

• 더 높은 효율 — 현재 시장에 나와 있는 대부분의 이종접합 패널은 효율이 19.9%에서 21.7% 사이로, 기존의 다른 단결정 셀에 비해 크게 개선되었습니다.

• 비용 절감 — HJT 패널에 사용되는 비정질 실리콘은 비용 효율적인 PV 기술입니다. 다른 기술과 비교할 때, 이 박막 태양광 접근 방식은 제조 시간이 더 짧습니다. 단순화된 공정 덕분에 HJT는 대체 솔루션보다 더 저렴합니다.

페로브스카이트

2009년에 페로브스카이트 재료가 처음으로 4%의 광전 변환 효율을 달성하는 데 사용되었습니다. 2021년까지 단일 접합 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 25.5%의 효율에 도달했습니다. 페로브스카이트 셀의 급속한 개선은 이를 PV 분야의 떠오르는 별로 만들었고 학계에서 큰 관심을 불러일으켰습니다. 작동 방식이 아직 비교적 새롭기 때문에 페로브스카이트의 기본 물리 및 화학을 더 연구할 수 있는 많은 기회가 있습니다.

페로브스카이트 셀 구조

가장 진보된 페로브스카이트 태양전지 구조는 투명 전도성 산화물, 전자 수송층(ETL), 페로브스카이트, 정공 수송층(HTL), 금속 전극의 다섯 가지 구성 요소를 기반으로 합니다. 이러한 계면에서 서로 다른 재료의 에너지 준위와 상호 작용을 이해하고 최적화하는 것은 매우 흥미로운 연구 분야이며 여전히 활발히 논의 중입니다.

CaTiO3

페로브스카이트는 1839년 Rose가 우랄 산맥의 암석 광물에서 발견한 광물의 이름으로, 러시아 지질학자 Perovski의 이름을 따서 명명되었습니다. 페로브스카이트 재료는 일반적으로 낮은 캐리어 재결합 확률과 높은 캐리어 이동도를 가지므로 태양전지에 이상적인 재료입니다.

페로브스카이트 막 형성 방법

페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율을 향상시키는 핵심은 막 형태를 최적화하는 데 있습니다. 실험실에서 일반적으로 사용되는 막 형성 방법은 1단계 또는 2단계 공정 증착입니다. 대면적, 저비용 페로브스카이트 막에 대한 수요를 충족시키기 위해 슬롯다이 코팅, 인쇄, 분사 등의 처리 장비도 페로브스카이트 태양전지 제조에 사용됩니다.

페로브스카이트의 미래

페로브스카이트에 대한 향후 연구는 패시베이션 및 결함 감소와 같은 전략을 통한 재결합 감소와 2차원 페로브스카이트 및 더 최적화된 계면 재료를 도입하여 효율성을 개선하는 데 초점을 맞출 가능성이 높습니다. 전하 추출층은 효율성과 안정성을 개선하기 위해 유기 재료에서 무기 재료로 전환될 수 있습니다. 안정성 향상 및 환경 영향 감소는 여전히 중요한 영역입니다.

태양광 PV 셀 생산의 품질 관리

결정질 실리콘 PV 셀은 상업용 태양광 패널에서 가장 일반적인 셀로, 전 세계 PV 셀 시장 판매의 90% 이상을 차지합니다.

실험실에서 결정질 실리콘 셀의 에너지 변환 효율은 단결정 셀의 경우 25%를 초과하고 다결정 셀의 경우 20% 이상에 도달합니다. 그러나 산업적으로 생산된 태양광 모듈은 현재 표준 테스트 조건에서 18%~22%의 효율만 달성합니다.

세정 및 텍스처링

에칭은 표면 손상층을 제거하고 표면을 텍스처링하여 빛을 가두고 반사 손실을 줄이는 텍스처 구조를 형성합니다. 텍스처링된 표면의 반사율을 측정하는 것은 텍스처링 공정을 모니터링하는 중요한 수단입니다.

확산 접합 형성 및 가장자리 절연

열 확산 및 유사한 방법을 통해 웨이퍼 위에 다른 전도성 유형의 확산층을 형성하여 pn 접합을 만듭니다. 다양한 셀 유형은 pn 접합과 웨이퍼 사이에 일정 두께의 패시베이션 층을 증착하여 더 효율적인 박막 태양전지를 얻습니다. 이 공정은 주로 소수 캐리어 수명, 웨이퍼 두께 및 굴절률을 모니터링합니다.

반사 방지 코팅 증착

광 흡수를 더욱 향상시키기 위해 웨이퍼 표면 위에 반사 방지막을 적용합니다. 현재 업계에서는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 웨이퍼 위에 박막을 증착하며, 이는 동시에 패시베이션 층 역할을 합니다. 이 단계에서 주요 측정 항목은 반사 방지막의 투과율과 시트 저항의 균일성입니다.

전극 제조

셀 전면에 그리드 라인 전극을 스크린 인쇄하고, 후면에는 후면 전계와 후면 전극을 인쇄한 후 건조 및 소결합니다. 이 공정에서 온도 제어, 정렬 정확도 및 그리드 라인의 종횡비는 필수 모니터링 지표입니다.

Ooitech의 견해

ooitech는 다음과 같이 믿습니다: TOPCon, HJT 및 페로브스카이트는 각각의 방식으로 태양전지 효율을 향상시키며, 엄격한 생산 품질 관리가 궁극적으로 이러한 기술을 신뢰할 수 있고 고성능의 모듈로 전환합니다.