Multi-junction solar cells/ko
다중 접합(MJ) 태양 전지는 여러 개의 반도체 W 층(서브셀)을 사용하여 높은 작동 효율로 전기를 생산합니다. 각 층에는 태양 스펙트럼 W 의 특정 부분을 효율적으로 흡수하도록 설계된 고유한 밴드 갭 W가 있습니다 . 이는 단일 접합(SJ) 장치에 비해 두 가지 중요한 이점이 있습니다. 입사 광자 W 의 더 넓은 흡수 범위 와 이러한 광자에서 더 효과적인 에너지 추출입니다. MJ 셀의 가장 낮은 밴드 갭은 일반적인 SJ 밴드 갭보다 낮습니다. 따라서 MJ 셀은 SJ 밴드 갭보다 에너지가 적지만 자체 가장 낮은 밴드 갭보다 큰 추가 광자를 흡수할 수 있습니다. 밴드 갭이 광자 에너지에 더 가까우면 열화 손실이 줄어들기 때문에 MJ 셀은 동일한 광자를 더 효율적으로 흡수합니다. 예를 들어, 1eV의 SJ 밴드 갭은 3eV 광자에서 1eV만 추출할 수 있고 2eV는 열 붕괴를 통해 낭비됩니다. 반면에 상단 밴드 갭이 2eV인 MJ 셀은 동일한 광자에서 두 배의 에너지를 추출합니다. 그림 1은 트리플 MJ 셀과 SJ 셀 사이의 에너지 흡수 차이를 보여줍니다. 색상이 있는 영역은 각 셀에서 추출할 수 있는 에너지 의 양을 보여줍니다. 표 1은 MJ 셀의 최적 밴드 갭과 해당 효율을 보여줍니다. 이 표는 추가 접합이 최대 효율을 높이는 방법을 보여줍니다 . 그러나 접합을 추가하면 장치의 복잡성과 비용도 증가합니다. 집광기를 사용하면 잠재적인 효율이 추가로 향상된다는 점에 유의해야 합니다.
Contents
전력 생산
발전량을 극대화하는 것이 태양 전지 설계의 목표입니다. 전력 (P)은 생성된 전류 (I)와 전압 (V) 의 간단한 곱입니다 .
전체적으로 MJ 셀은 SJ 셀에 비해 더 많은 수의 광자를 흡수하고 더 많은 캐리어를 생성합니다. 그러나 각 하위 셀이 태양 스펙트럼의 특정 세그먼트에서만 광자를 흡수하기 때문에 생성된 전류는 실제로 더 낮습니다. 하위 셀이 직렬로 연결되어 있으므로 키르히호프의 법칙 W는 장치의 전류가 하위 셀에서 생성된 가장 작은 전류로 제한됨을 나타냅니다( 전류 매칭 참조 ). 그러나 MJ 셀의 전력 생산은 훨씬 더 높은 전압이 낮은 전류를 충분히 보상하기 때문에 SJ 셀보다 여전히 증가합니다. 전류와 달리 전압은 가산적이며 다중 밴드 갭은 입사 광자에서 더 높은 전압이 얻어짐을 의미합니다.
MJ 셀의 또 다른 장점은 낮은 전류로 인해 저항 손실이 상당히 낮다는 것입니다. 이러한 전력 손실(PL)은 전류(I)의 제곱에 저항(R)을 곱한 것과 같습니다.
이것은 매우 높은 전류를 생성하는 MJ 셀을 사용하는 집광기 시스템에 특히 중요합니다.
MJ 세포 구조
MJ 셀에서 가장 높은 밴드갭을 가진 반도체가 최상층으로 사용됩니다. 그런 다음 밴드갭은 각 추가 층마다 감소합니다. 이 설계는 최상층이 가장 높은 에너지의 광자를 흡수하여 에너지가 적은 광자가 통과할 수 있도록 함으로써 광자 에너지 추출을 극대화합니다. 그런 다음 각 후속 층은 밴드갭에 가장 가까운 광자로부터 에너지를 추출하여 열화 손실을 최소화합니다. 그런 다음 최하층은 밴드갭 위에 있는 나머지 모든 광자를 흡수합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 셀 효율은 최하부 셀의 밴드갭에 가장 민감합니다. 오차 막대는 이상적인 효율의 1% 이내에서 최고 이론 효율을 유지할 수 있는 최하부 셀 밴드갭 범위를 나타냅니다. 결과적으로 최하층의 재료 선택은 MJ 장치 설계에서 매우 중요한 고려 사항입니다.
그림 3은 GaInP(1.8 eV)/GaInAs(1.4 eV)/Ge(0.67 eV) 삼중 접합 태양 전지의 자세한 구조를 보여줍니다. 이 설계에서는 넓은 밴드 갭(투명) 윈도우 층을 사용하여 전지의 직렬 저항을 낮춥니다. 이는 전기적 접촉 또는 터널 접합에 도달하려는 광생성 전자의 측면 흐름을 향상시켜 이를 수행합니다 (터널 접합 참조). 또한 하단과 중간 층 사이에 버퍼 층을 사용하여 격자 부정합 효과를 줄입니다(격자 상수 정합 참조).
제작
다중 접합 셀은 기계적으로 또는 모놀리식으로 제작할 수 있습니다 . 기계적 스태킹에서 개별 접점 세트와 고유한 밴드 갭이 있는 단일 접합 셀 세트가 서로 위에 쌓입니다. 부피, 추가 접점 및 기판 비용, 열 분산의 어려움으로 인해 이 방법은 선호되지 않습니다. 모놀리식 셀에서 고유한 밴드 갭이 있는 각 반도체 층은 순차적으로 성장하여 한 세트의 접점이 있는 단일 장치를 형성합니다. 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD W )은 정밀성, 높은 결정 품질 및 확장성으로 인해 가장 일반적으로 사용되는 성장 절차입니다. 플라스마 강화 증발 증착은 쉽게 확장 가능하고 MJ 셀에서 반도체 성장에 매우 적합한 또 다른 제조 방법입니다.
터널 교차로
모노리식 셀에서 양극 및 음극 접점은 셀의 상단과 하단에 위치합니다. 결과적으로 중간 반도체 층에서 생성된 광생성 캐리어는 재결합 없이 여러 층을 통과하여 접점에 도달해야 합니다. 이는 MJ 셀과 관련된 또 다른 어려움입니다. 인접 층의 n 및 p 단자를 연결하는 고농도로 도핑된 영역인 터널 접합은 이러한 캐리어 수송을 돕는 데 사용됩니다. 이러한 pn 접합(일반적으로 이중 헤테로 접합)은 전기적 손실(전압 강하)과 광학적 손실(광자 흡수)을 최소화하는 것을 목표로 만들어집니다. 후자는 광자가 하부 층으로 통과할 수 있도록 넓은 밴드 갭 터널 접합 재료를 사용하여 수행됩니다. 그러나 이렇게 하면 높은 터널링 피크 전류를 얻는 것이 어려워지므로 고농도로 도핑된(>10 19 cm -3 ) 접합을 통해 고갈층을 얇게 하는 것이 필요합니다. 이 설계는 양자 터널링을 촉진하는 동시에 소수 캐리어에 대한 효과적인 전위 장벽 역할도 합니다. 그러나 양자 터널링의 정확한 물리학은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 오른쪽 그림 4는 이중 헤테로 터널 접합의 밴드 다이어그램을 보여줍니다.
디자인 고려 사항
현재 매칭
모노리식 MJ 디바이스의 상단과 하단에 접점 세트가 하나뿐이므로 여러 개의 하위 셀이 직렬로 연결되고 키르히호프의 전류 법칙을 따라야 합니다. 이 법칙은 직렬로 모든 접합에 들어오고 나가는 전류가 같아야 한다는 것을 규정하는데, 즉 MJ 태양 전지는 가장 적은 전류를 생성하는 하위 셀에 의해 제한된다는 것을 의미합니다. 결과적으로 각 하위 셀에 대한 전류 매칭은 디바이스 설계에서 매우 중요합니다. 각 하위 셀에서 생성되는 전류는 다음 세 가지 요인에 따라 달라집니다.
- 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 입사 광자의 수
- 물질 흡수 계수
- 층 두께
입사 광자의 수는 특정 하위 셀과 그 위의 하위 셀에 대한 밴드 갭을 선택하여 대략적으로 설정할 수 있습니다. 흡수 계수는 특정 재료에 따라 달라집니다. 따라서 하위 셀 전류의 정확한 일치는 층 두께를 조정하여 수행됩니다. 예를 들어, 각 층에 도달하는 입사 광자의 수가 같으면 흡수 계수가 낮은 하위 셀은 다른 하위 셀과 같은 수의 광자를 흡수(및 캐리어 생성)하기 위해 더 두껍게 만들어야 합니다.
MJ 셀의 전류 매칭은 매우 중요한데, 차이가 있으면 상당한 전류 및 효율 손실이 발생하기 때문입니다. 흡수 계수가 큰 반도체는 재료 비용과 캐리어 수송 거리를 줄이는 데 유리합니다. MJ 셀은 각 서브셀에서 생성된 전류를 매칭하기 위해 밴드 갭 선택 및 층 두께와 관련하여 신중하게 설계해야 합니다.
격자 상수 매칭
모노리식 MJ 디바이스에서 각 반도체 층은 서로 위에 성장됩니다. 그러나 인접한 층의 결정 격자 상수가 일치하지 않으면 격자 변형과 잠재적으로 전위가 발생합니다. 이러한 전위는 결정 구조에 결함이 형성되어 원치 않는 재결합이 발생하고 결과적으로 셀 효율이 감소합니다. 이러한 이유로 일치하거나 매우 유사한 격자 상수를 갖는 반도체 재료를 선택하는 것이 유리합니다. 그림 5는 일반적인 MJ 반도체와 격자 상수 목록을 보여줍니다. 청록색 선은 연결된 두 재료의 혼합물에 대한 격자 상수를 나타냅니다.
격자 상수가 완벽하게 정렬된 재료는 거의 없다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 이유로 격자 불일치 또는 변성 W , MJ 셀이 개발되기 시작했는데, 이는 반도체 선택에서 훨씬 더 큰 자유도를 허용하기 때문입니다. 변성 셀의 잠재력은 제조업체가 최대 이론적 효율을 위한 최적 값에 가까운 밴드 갭을 갖는 저렴한 재료를 활용할 수 있는 능력에 있습니다. 어떤 경우에는 이러한 이점이 격자 불일치로 인한 재결합 손실보다 더 클 것입니다.
또한, 이 격자 부정합 효과를 줄이기 위해 두 가지 주요 전략이 사용됩니다. 첫 번째는 격자 상수를 맞추기 위해 두 격자 부정합 재료 사이에 버퍼 층을 사용하는 것입니다. 이 버퍼 층은 일반적으로 단계적 등급으로, 버퍼 층의 양쪽 끝이 인접한 하위 셀과 일치하도록 구성을 변경하여 격자 상수를 천천히 변경합니다. 두 번째 방법은 상단 층은 일치하지만 하단 층은 일치하지 않는 경우 격자 부정합 효과를 피하기 위해 역성장 방법을 사용합니다. 성장 프로세스는 상단 층(가장 넓은 밴드 갭)에서 시작하여 후속 층을 추가하여 역전됩니다. 그런 다음 상단 층이 성장된 기판을 에칭합니다. 그림 6은 격자 부정합 하단 셀(InGaAs)이 있는 격자 정합 상단(InGaP) 및 중간(GaAs) 층에 대한 삼중 MJ 셀의 프로세스를 보여줍니다.
재료
III-V 합금은 여러 가지 이유로 MJ 장치에 가장 적합한 반도체로 입증되었습니다. 첫째, 합금의 밴드 갭은 스펙트럼 범위에 걸쳐 있어 최대 광자 흡수가 가능합니다. 둘째, 합금은 직접 밴드 갭을 가지고 있어 전자 촉진에 격자 진동(포논)이 필요하지 않습니다. 이를 통해 포논을 생산하기 위해 추가 층 두께가 필요하지 않아 재료 비용이 절감됩니다. 또한 합금은 흡수 계수가 크기 때문에 얇은 층만 필요한 또 다른 이유입니다. III-V 반도체는 높은 결정질 및 광전자적 특성으로 대량으로 성장할 수 있어 상업용 태양광 모듈의 대량 생산에 적용할 수 있습니다. 마지막으로, 합금은 매우 단단하고 높은 방사선 및 온도 저항성을 가지고 있어 우주 및 극한 기상 응용 분야에 이상적입니다.
인듐갈륨질소(InGaN)
인듐 갈륨 질화물(InGaN)은 비용 효율적인 초고효율 MJ 태양 전지를 형성할 수 있는 잠재력이 큰 III-V 합금입니다. 재료의 인듐-갈륨 비율을 변경함으로써 밴드 갭은 0.7eV(InN)에서 3.4eV(GaN)까지 다양할 수 있으며, 이는 거의 전체 태양 스펙트럼을 포괄합니다. 동일한 세 가지 원소가 다른 하위 셀에 사용되므로 대규모 증착 공정은 장비 요구 사항 및 챔버 세척과 관련하여 간소화됩니다. InGaN은 나노 기둥형 성장을 나타내어 광 길이를 늘려 광 포집 및 흡수율을 향상시킵니다. 이 기둥형 구조는 또한 변형과 결함을 줄이고 거시적 규모에서 유연성과 내마모성을 증가시킵니다.
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