헤테로 접합 태양전지

Heterojunction solar cell
A silicon heterojunction solar cell
실리콘 헤테로 접합 태양전지는 스크린 인쇄된 은 페이스트로 금속화되어 전류-전압 곡선 특성 분석을 수행합니다.
Indium tin oxide anti-reflective coating
금속화되지 않은 헤테로 접합 태양 전지 전구체.파란색은 이미터 전도도를 향상시키는 이중 용도의 인듐 주석 산화물 반사 방지 코팅에서 비롯됩니다.
헤테로 접합 태양전지의 피라미드 및 반사방지막을 묘사한 SEM 이미지

실리콘 헤테로 접합(SHJ) 또는 고유 박막 헤테로 접합(HIT)[1]으로 다양하게 알려진 헤테로 접합 태양 전지(HJT)는 서로 다른 밴드 갭을 가진 반도체 사이에 형성된 헤테로 접합 기반의 광전지 기술 계열입니다.그것들은 기존의 결정질 태양 전지와 박막 태양 전지를 결합한 하이브리드 기술입니다.2023년 현재 실리콘 헤테로 접합 아키텍처는 상용 크기의 실리콘 태양 [2]전지에 대해 셀 효율성이 가장 높습니다.2022-2024년에 SHJ 셀은 시장 점유율에서 알루미늄 후면 필드(Al-BSF) 태양 전지를 추월하여 PERC/TOPC(패시브 이미터 후면 셀/터널 산화물 패시베이션 접점) 다음으로 두 번째로 많이 채택된 상용 태양 전지 기술이 될 것으로 예상되며,[3] 2032년까지 거의 20%로 증가할 것입니다.

SHJ 셀은 일반적으로 수소화된 고유의 비정질 실리콘의 얇은 층에 의해 부동태화된 활성 결정성 실리콘 흡수체 기질로 구성됩니다(a-Si로 표시됨).또는 나노 결정 실리콘("결정층") 및 적절하게 도핑된 비정질 선택적 접촉.선택적 접촉 물질과 흡수체는 밴드 갭이 달라 전통적인 태양 전지의 p-n 접합과 유사한 헤테로 접합을 형성합니다.헤테로 접합 태양 전지의 높은 효율은 특히 고재조합 활성 금속 접점을 흡수기에서 분리하는 것과 관련하여 [4][5][6][7]완충층의 우수한 패시베이션 품질에 기인합니다.고유 버퍼 층은 효과적으로 비전도성이지만, 일반적으로 두께가 10nm 미만이기 때문에 전하 캐리어가 확산될 수 있습니다.흡수 계수는 부분적으로 밴드 갭에 의존하기 때문에 광자의 기생 흡수를 최소화하기 위해 패시베이션 층이 더 높은 밴드 갭을 갖는 것이 유리합니다.

헤테로 접합 세포는 상업적으로 대량 생산되며 일반적으로 양안면입니다.얇은 층은 일반적으로 온도에 민감하기 때문에 이종 접합 셀은 저온 제조 [8][9]공정으로 제한됩니다.일반적인 실버 페이스트 스크린 인쇄 방법은 최대 800°C에서 [10]소성해야 하므로 대부분의 완충층 재료에 대한 허용 오차를 훨씬 초과하기 때문에 따라 전극 금속화 문제가 발생합니다.결과적으로, 전극은 저온의 은 페이스트 또는 전기 도금된 구리로 구성됩니다.

역사

헤테로 접합 구조와 비정질 실리콘 층이 결정질 실리콘을 효과적으로 부동태화하는 능력은 1970년대부터 [6][11][12]잘 문서화되어 왔습니다.비정질 및 결정질 실리콘을 사용한 헤테로 접합 태양전지는 [13]1983년에 12% 이상의 변환 효율로 개발되었습니다.산요 전기(현재 파나소닉 그룹의 자회사)는 1990년대 초에 a-Si 및 μc-Si 내재층을 포함한 이종 접합 장치와 관련된 여러 특허를 출원하여 "내재 박층을 가진 이종 접합"(HIT)[14][15]을 상표로 등록했습니다.내재층의 포함은 포획 상태의 밀도 감소와 암흑 터널 누출 [16]전류 감소를 통해 도핑된 a-Si 헤테로 접합 태양 전지에 비해 효율을 크게 높였습니다.

SHJ 태양전지의 연구개발은 2011년 산요가 발행한 특허가 만료될 때까지 억제되어 다양한 기업들이 [17][18]상용화를 위한 SHJ 기술을 개발할 수 있었습니다.2014년에는 변환 효율이 25%를 초과하는 HIT 셀이 개발되었으며, 이는 단일 접합 결정 실리콘 셀 [19]중 가장 높은 수치였습니다.이 기록은 2018년 26.7%의 효율적인 대면적 인터디지티드 백컨택(IBC)[20] SHJ 태양전지를 생산한 가네카사에 의해 더 최근에 경신되었고, 2022년에는 26.81%의 [21]효율을 가진 롱기에 의해 다시 경신되었습니다.이는 2023년 기준 단일 접합 실리콘 태양전지의 [2][22]최고 효율입니다.헤테로 접합 모듈은 최대 23.89%[23]의 효율성으로 제작되었습니다.2023년에 단일 탠덤 셀에서 페로브스카이트와 결합된 SHJ는 33.2%[24]로 가장 높은 이중 접합 셀 효율을 기록했습니다.

SHJ 태양 전지는 현재 기가와트 규모로 대량 생산되고 있습니다.2022년에 SHJ 생산 라인의 설립 또는 확장을 위해 계획된 프로젝트는 연간 약 350 GW의 추가 [25]용량을 가지고 있습니다.Huasun, Rise, Jingang(Golden Glass), LONGi, Meyer Burger [26]등 24개 이상의 (대부분 중국) 제조업체가 이종 접합 생산 능력을 시작하거나 확장하고 있습니다.

이점

성능

효율 및 전압

SHJ는 실험실(세계 기록 효율)[2][22][24]과 상업적 생산(평균 효율) 모두에서 결정질 실리콘 태양전지 중 가장 높은 효율을 가지고 있습니다.2023년 상용 SHJ 셀의 평균 효율은 25.0%로, n-type TOPCon은 24.9%,[27] p-type PERC는 23.3%였습니다.높은 효율성은 우수한 표면 패시베이션의 결과로 700mV 이상의 매우 높은 개방 회로 전압에 기인합니다.2023년 이후 페로브스카이트 탄뎀의 SHJ 하단 셀은 33.2%[24]로 가장 높은 2-접합 셀 효율을 보유하고 있습니다.

이간성

양각성은 태양 전지가 전면 또는 후면에서 빛을 받아들이는 능력을 말합니다.후면에서 빛을 모아 배치된 태양열 [28]어레이의 에너지 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다.SHJ 셀은 후면 그리드가 있는 [29]PERC 셀의 ~70%에 비해 90% 이상의 양분율을 허용하는 전도성 ARC로 양쪽에 제조될 수 있습니다.양안면 [3]태양 전지는 2032년까지 단안면 전지에 대한 시장 점유율을 85%로 크게 증가시킬 것으로 예상됩니다.

온도계수

온도 계수는 태양 전지 모듈의 출력 전력이 온도에 따라 어떻게 변화하는지를 나타냅니다.일반적으로 태양열 모듈은 높은 온도에서 출력 전력과 효율이 감소합니다.실험실 테스트 및 공급업체 데이터시트 조사에서 SHJ 셀로 제작된 모듈은 일관되게 동일하거나 낮은 온도 계수(즉, 온도 계수)를 측정합니다.효율의 감소는 덜 심각합니다). Al-BSF, PERC, PERT 및 하이브리드 PERT/후방 헤테로 접합 태양 전지와 비교할 때.이는 개방 회로 전압, 최대 전력 포인트 전력, 단락 전류 및 충전 [30]계수를 포함한 다양한 매개 변수에 적용됩니다.1982년 마틴 그린이 언급한 바와 같이 태양 전지의 온도 민감도는 흡수기 밴드 갭 [31]전위와 비교하여 높은 개방 회로 전압과 역 상관관계가 있습니다. "실리콘 태양 전지의 개방 회로 전압이 계속 개선됨에 따라, 널리 인정되지 않는 한 가지 이점이 있습니다.는 [32]장치 성능의 온도 민감도를 감소시킵니다."따라서 SHJ 셀의 저온 민감도는 V_에 기인합니다. 잘 수동적인 접촉으로부터.[33]

제조업

에너지 소비

SHJ 생산 라인은 기본적으로 확산 [17]또는 금속 페이스트 경화로와 같은 고온 장비를 사용하지 않으며, 평균적으로 제작된 셀의 와트당 전력 소비량이 낮습니다.중국 PV 산업발전 로드맵에 따르면 2022년 n형 헤테로 접합 셀 라인의 평균 전력 소비량은 47,000 kWh/MW인 반면 p형 PERC 생산 라인은 약 53,000 kWh/MW, n형 TOPC는 약 56,000 kWh/MW로 2030년에는 n형 헤테로 접합 셀 라인의 전력 소비량이 약 56,000 kWh/MW로 추정됩니다.p-type PERC 및 n-type TOPC 셀 생산 라인은 각각 [27]34,000 kWh/MW, 35,000 kWh/MW 및 42,000 kWh/MW로 감소할 것입니다.

실리콘 소비

태양 전지에 사용되는 결정성 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 130-180 μm의 두께를 갖습니다.소비되는 실리콘 웨이퍼의 질량은 태양 전지 모듈 비용의 상당 부분을 차지하며, 따라서 웨이퍼 두께를 감소시키면 상당한 비용 절감을 달성할 수 있습니다.하지만, 더 얇은 실리콘에 흡수되는 광자는 더 적습니다.이를 보완하기 위해 표면 재결합이 효과적으로 억제되는 한, 얇은 웨이퍼는 매우 높은 개방 [34][35]회로 전압을 유지하거나 심지어 개선할 수 있습니다.즉, 단락 전류의 손실을 보상하기 위해 개방 회로 전압이 증가합니다.SHJ 셀은 표면 패시베이션이 우수하기 때문에 웨이퍼 두께를 줄이는 것이 다른 결정성 실리콘 태양 전지 [17][29]기술보다 실현 가능합니다.따라서 다양한 범위의 웨이퍼 두께에 대해 높은 효율성이 보고되었으며, 최소 [36]50μm입니다.

단점들

제조업

n-type 실리콘에 대한 의존도

P형 실리콘 기판을 사용하여 고효율 SHJ 셀을 제조할 수 있지만, SHJ 생산에 대한 저온 제약으로 게터링 공정(오염 결함 관리)이 불가능하며 벌크 수소화는 과도한 결함을 안정적으로 수동적으로 처리할 수 없습니다.동일한 농도의 오염 물질 전이 금속 결함의 경우, n형 웨이퍼는 전자에 비해 구멍의 캡처 단면(소수 전하 캐리어)이 작기 때문에 소수 캐리어 수명이 더 높습니다.마찬가지로, 전자와 구멍의 포획 단면비는 표면 상태(예: 실리콘 달링 결합)에 대해 크기 때문에 n형 [18][33]웨이퍼에서 잘 패시브된 표면을 달성하기가 더 쉽습니다.이러한 이유로, 벌크 수명을 향상시키기 위한 불편한 단계들이 도려내고, 광유기 열화 현상이 발생할 위험이 [37]감소하기 때문에, n형 웨이퍼가 제조에 매우 선호되고 있습니다.그러나 n-type 웨이퍼의 가격은 일반적으로 [37][38]p-type 웨이퍼보다 약 8-10% 높은 것으로 언급됩니다.

표면 준비 및 텍스처링

결정성 실리콘 태양 전지를 제조하는 첫 번째 단계 중 하나는 실리콘 웨이퍼 기판의 표면을 텍스처링하고 청소하는 단계를 포함합니다.단결정 웨이퍼의 경우, 여기에는 알칼리 용액(일반적으로 수산화칼륨 또는 금속 이온이 없는 수산화테트라메틸암모늄)과 유기 함침제(전통적으로 이소프로필 알코올, 현재는 독점 첨가제가 사용됨)의 혼합물을 사용하는 이방성 습식 화학 식각이 포함됩니다.식각은 완성된 태양 전지의 출력 전류를 향상시키는 빛을 가두는 피라미드 구조를 형성합니다.SHJ의 표면 청결은 PERC에 비해 엄격한 요구사항으로 인해 텍스처링 및 세정 공정이 상대적으로 더 복잡하고 화학물질을 더 많이 소비합니다.이러한 표면 처리 단계에는 RCA 세척, 유기 물질을 제거하기 위한 황산/과산화물 혼합물, 염산을 사용한 금속 이온 제거, 질산 산화물 세척 및 [39]에칭이 포함됩니다.연구의 최근 발전에 따르면 오존 처리된 물을 사용한 산화 세척은 공정 효율을 개선하고 폐기물을 줄이는 데 도움이 될 수 있으며 표면 [39][40]품질은 동일하게 유지하면서 RCA 세척을 완전히 대체할 수 있습니다.

구조.

양면 실리콘 헤테로 접합 태양전지의 층 단면도
일반적인 SHJ 태양전지에서 층의 에너지 수준을 보여주는 에너지 밴드 다이어그램

"전면 접합" 헤테로 접합 태양 전지는 p-i-n-n-n-n이 도핑된 실리콘 층들로 구성되어 있습니다. 중간은 n형 결정 실리콘 웨이퍼이고 다른 것들은 비정질 박막입니다.그런 다음, 투명 전도성 산화물(TCO) 반사 방지 코팅 및 금속 그리드의 오버레이가 빛 및 전류 수집에 사용됩니다.SHJ 구조의 높은 이중성으로 인해 제조업체에서도 유사한 n-i-n-i-p "후면 접합" 구성을 사용하고 있으며 [41]공정에 따라 이점이 있을 수 있습니다.특히 후방 접합부 구성은 전면 TCO보다 측면 전자 수송의 더 많은 부분이 흡수기에서 발생할 수 있기 때문에 제조 시 선호됩니다.따라서 전면의 시트 저항이 낮아지고 TCO 프로세스 매개변수에 대한 제한이 완화되어 효율성과 비용 이점이 [42][43]발생합니다.

흡수기

전자-구멍 쌍이 형성된 기판은 일반적으로 인이 도핑된 n형 단결정 실리콘입니다.고효율 SHJ 태양전지의 산업적 생산에 있어서, 저온 공정은 게터링 및 [10][44]벌크 수소화의 이점을 제공할 수 없기 때문에 고품질의 n-type Czochralski 실리콘이 필요합니다.기판 외부에 흡수된 광자는 광전류에 기여하지 않으며 양자 효율의 손실을 구성합니다.

버퍼 및 반송파 선택

버퍼 레이어

본질적인 비정질4 실리콘은 실란(SiH)과 수소(H2)의 혼합물로부터 PECVD를 사용하여 기판의 양쪽에 증착되어 헤테로 접합을 형성하고 표면을 패시베이션합니다.완충층은 적절한 부동태화를 제공할 수 있을 정도로 충분히 두꺼워야 하지만 반송파 이송을 크게 방해하거나 빛을 흡수하지 않을 정도로 충분히 얇아야 합니다.완충층의 두께는 약 1-10nm입니다.완충층 구조와 금속의 유사성에도 불구하고-절연체-반도체(MIS) 태양 전지, SHJ는 저전도성 완충층을 통한 캐리어 전송을 위해 반드시 양자 터널링에 의존하지 않습니다. 캐리어 확산도 중요한 전송 [18][45]메커니즘입니다.

창 도면층

그런 다음 선택적 접촉("창층"이라고도 함)은 p-형 및 n형 고 도핑 비정질 실리콘층의 [46][47]증착에 의해 유사하게 형성됩니다.도펀트 가스의 예로는 n-type의 [48]경우 포스핀(PH3), p-type의 경우 트리메틸보란(B(CH3)3 또는 디보란(BH)26이 있습니다.결함이 있는 특성으로 인해 (본질과 반대로) 도핑된 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 패시베이션을 제공할 수 없습니다. 유사하게 이러한 Si 층의 에피택셜 성장은 패시베이션 품질 및 셀 효율성에 심각한 손상을 초래하며 [49]증착 중에 방지되어야 합니다.

나노결정 창층

최근 SHJ 효율의 발전은 n형 나노결정 실리콘 산화물(nc-SiOx:전자 접촉을 위한 N형 비정질 실리콘 대신 필름일반적으로 "나노결정 실리콘 산화물"이라고 불리는 물질은 사실 비정질 실리콘 산화물 매트릭스에 내장된 나노스케일 실리콘 결정으로 구성된 2상 물질입니다.실리콘 산화물은 비정질 실리콘보다 밴드 갭이 높고 광학적으로 투명한 반면, 기둥 모양의 나노 결정은 수직 캐리어 전송을 향상시키고 전도성을 증가시켜 단락 전류 를 증가시킵니다 및[41] 접촉 [21]저항 감소.재료 밴드 갭은 PECVD [50]동안 다양한 수준의 이산화탄소로 조정할 수 있습니다.비정질 실리콘을 나노 결정 실리콘/실리콘 산화물로 대체하는 것은 이미 일부 제조업체에 의해 n-type에 통합되었으며 가까운 [22]미래에 p-type(구멍 접촉)이 뒤따를 예정입니다.최적화된 나노 결정 홀 접촉은 Lin 등(2023) 26.81% 전력 변환 효율 세계 [21]기록을 만드는 데 중요했습니다.

반사방지 코팅 및 전도성 산화물

일반적으로 인듐 주석 산화물(ITO)로 구성된 이중 목적 반사 방지 코팅(ARC) 및 캐리어 전송층은 선택적 접촉을 통해 양쪽으로 스퍼터링됩니다.인듐 주석 산화물은 투명한 전도성 산화물(TCO)로 광 전달을 크게 방해하지 않으면서 접촉 표면의 측면 전도성을 향상시킵니다.이것은 비정질 층이 높은 도핑 수준에도 불구하고 상대적으로 높은 저항을 가지고 있기 때문에 필요하며, 따라서 TCO는 캐리어를 선택적 접촉에서 금속 전극으로 운송할 수 있습니다.

파괴적 간섭 반사 방지 특성의 경우, TCO는 태양 스펙트럼의 피크(약 550 nm)에서 최적의 광 포획에 필요한 두께로 축적됩니다. ). 단층 ARC의 최적 두께는 다음과 같습니다.

서 d d는 층 두께이고,{는 최소 반사 파장이며,{는 재료의 굴절률입니다.

ITO의 굴절률(일반적으로 ~0.9)[51]에 따라 최적의 층 두께는 일반적으로 70-80nm입니다.박막 간섭으로 인해 ITO(무딘 회색-검은 세라믹 재료)는 이 두께에서 선명한 파란색으로 보입니다.

대체 재료

인듐의 희소성으로 인해 SHJ [52]셀에 사용하기 위해 알루미늄 도핑 산화아연(AZO)과 같은 대체 TCO가 연구되고 있습니다. AZO는 ITO보다 훨씬 높은 화학적 민감도를 가지고 있어 식각이 필요한 특정 금속화 방법에 대한 과제를 제시합니다.예를 들어, 니켈 시드층 식각백과[53] 일반적으로 p-형 [54]및 n-형 비정질층 모두에 대한 인터페이스 접촉이 좋지 않습니다. AZO는 모듈에서 셀을 사용할 때 장기적인 안정성 문제가 있을 수 있으며,[55][56] SiO와x 같은 캡핑 층이 필요할 수 있습니다.

산화 인듐 기반 TCO의 광학 및 전자적 특성 향상은 세륨 및 수소와의 공동 도핑을 통해 달성되었으며, 이는 높은 전자 이동성을 초래합니다.이러한 필름은 열에 민감한 SHJ 생산 [57][56]공정과 호환될 수 있을 정도로 충분히 낮은 온도에서 성장할 수 있습니다.세륨 산화물, 탄탈 산화물 및 티타늄 산화물로 도핑된 산화 인듐은 또한 유리한 전자적 특성을 가지고 있습니다.이 과정은 플라즈마의 하이드록실 라디칼이 TCO 필름의 산소 빈 공간을 종료시켜 전자 이동성을 향상시키고 시트 저항을 낮추는 것으로 여겨지는 스퍼터링[50] 챔버에 수증기를 도입하여 조정할 수 있습니다.그러나 SHJ [58]셀에서 이 방법을 사용할 때는 안정성과 접촉 저항을 고려해야 합니다.

이중 반사 방지 코팅

증발을 통해 표면 반사를 더욱 줄이기 위해 플루오르화 마그네슘(MgF2)[59] 또는 산화 알루미늄(AlO23)[51]의 이중 반사 방지 코팅을 사용할 수 있지만, 이 단계는 현재 산업 생산에 사용되지 않습니다. SiO와x 같은 AZO 캡핑 층은 이중 AR [55]코팅으로 작용할 수도 있습니다.이러한 기술은 세계 기록 전력 변환 [21]효율을 가진 SHJ 셀을 생산하는 데 사용되었습니다.

업무기능의 역할

SHJ 셀의 TCO 계층은 높은 작업 기능(즉[60], 높은 작업 기능)을 갖는 것이 이상적입니다.Fermi 레벨과 Vacuum 레벨 사이의 에너지 차이)를 통해 TCO와 p-type 비정질층 [61][62][63]사이의 계면에서 기생 쇼트키 장벽의 형성을 방지할 수 있습니다.이는 p형 층의 도핑을 증가시킴으로써 부분적으로 완화될 수 있으며, 이는 장벽 폭을 감소시키고 개방 회로 전압( V_을 향상시킵니다. 및 채우기 비율(FF}).그러나 도핑이 증가하면 접합 재결합이 증가하여 V_가 감소합니다. 이득.텅스텐 산화물x(WO)과 같은 높은 작업 기능 TCO를 증착하거나 ITO의 증착 매개 변수를 튜닝하면 장벽 높이를 줄일 수 있습니다. 일반적으로 후자가 [54]ITO의 선호하는 광학 특성으로 인해 사용됩니다.

금속화

인쇄 페이스트

Cu/Sn 도금 헤테로 접합 태양 전지의 SEM-EDS 이미지.색상은 존재하는 요소를 나타냅니다.

헤테로 접합 태양 전지는 일반적으로 두 가지 다른 방법으로 금속화(즉, 금속 접점 제작)됩니다.은박지의 스크린 인쇄는 전통적인 태양 전지와 마찬가지로 업계에서 흔하며, 시장 점유율은 98%[3] 이상입니다.그러나 SHJ 셀에는 저온 실버 페이스트가 필요합니다.이들은 낮은 그리드 전도도와 높은 은 소비,[64][65] 휘발성 생산[17] 비용 또는 전면 [9][64]표면과의 접착 불량 등의 주요 단점을 안고 있습니다.상당히 높은 [53]비용에도 불구하고 저온 은 페이스트의 저항률은 표준 은 [18]페이스트보다 4-6배 높은 것으로 추정됩니다.낮은 전도도를 보완하기 위해 저온의 은 페이스트도 기존의 [64]은 페이스트보다 더 많은 은을 소비하지만 스크린 인쇄 기술의 발달로 핑거 라인 폭이 [66]줄어들면서 은 소비량이 감소하는 추세입니다.저온 페이스트의 조성이 개선됨에 따라 스크린 인쇄가 가능한 은 코팅 구리 페이스트를 사용하는 등 은 소비량이 더욱 감소할 것으로 예상됩니다.이러한 페이스트는 기존 저온 페이스트와 유사한 성능을 발휘하며,[67] 은 소비량이 최대 30% 감소합니다.은 코팅 구리 페이스트는 2030년까지 중국 SHJ 제조업체들 사이에서 점점 더 지배적인 금속화 기술이 되고 있으며, 2024~2025년에는 [27]시장 점유율이 50%에 이를 것으로 예상됩니다.

비접촉 방식의 붙여넣기 인쇄인 레이저 패턴 전송 인쇄를 사용하여 가로 세로 비율이 1:1인 좁은 손가락을 만들 수 있습니다.접착제를 격자 안에 넣고 적외선 레이저를 이용해 접착제를 뒤에서 접착제를 가열합니다.기화 용제는 페이스트를 몰드에서 태양 전지 [68]기판으로 배출합니다.접촉 스크린 인쇄는 셀에 높은 힘을 가하기 때문에 이 대체 기술은 특히 매우 얇은 [69]웨이퍼의 경우 셀 파손을 줄일 수 있습니다.

인쇄 잉크

은 나노입자 잉크는 잉크젯 인쇄를 사용하거나 속이 빈 유리 모세관과 접촉 증착을 통해 SHJ 태양 전지에 증착될 수 있습니다.잉크젯 증착은 기존의 실버 페이스트 스크린 인쇄에 비해 셀당 200mg에서 셀당 10mg 미만으로 실버 소비를 감소시키는 것으로 보고되었습니다.모세관 퇴적물(모세관이 유연하고 웨이퍼 표면을 통과하기 때문에 "FlexTrail"이라고 함)을 추가로 감소시켜 3mg의 은이 [67]퇴적될 수 있습니다.은의 이러한 큰 감소는 그리드 설계가 낮은 전도도를 보상하기 위해, 즉 버스 바가 없는 설계를 사용하는 것에 영향을 미칩니다.

전기 도금

인쇄된 전극 대신 전기 도금된 구리를 사용합니다.전기 도금 구리의 전도도는 벌크 [70]구리의 전도도와 유사합니다.이는 그리드 저항 감소를 통해 SHJ 셀 전류 밀도를 증가시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.형상 형상도 개선할 수 있습니다.그러나 전기도금은 희생적인 잉크젯 인쇄 또는 포토리소그래피에서 파생된 [65][71]마스크를 사용하여 선택적인 패턴을 형성해야 하기 때문에 산업적 생산은 어렵습니다.결과적으로, 전기 도금된 SHJ 셀은 현재 상업적으로 제조되지 않습니다.ITO에 직접 도금된 구리도 접착 문제가 있습니다.따라서 일반적으로 스퍼터링 또는 [53][64][72][73]전착을 통해 얇은(~1μm) 니켈 시드층을 먼저 증착해야 합니다.

상호 연결

SHJ 기반 태양 전지 패널을 제조할 때 SHJ 온도 민감도는 셀 상호 연결에 추가적인 영향을 미칩니다.납땜과 관련된 고온은 셀 패시베이션의 저하를 방지하기 위해 주의 깊게 제어해야 합니다.저온 페이스트는 상호 연결 와이어 또는 리본과의 접착력이 약하여 모듈 내구성에 영향을 미칩니다.이러한 페이스트 및 적외선 납땜 매개변수의 최적화와 솔더 합금의 신중한 선택으로 표준 산업 장비의 [74]상호 연결 프로세스의 성공률이 높아졌습니다.

다중 접속부

헤테로 접합-페로브스카이트 탠덤 구조가 제작되었으며, 일부 연구 그룹은 결정성 실리콘에 대한 전력 변환 효율이 29.43% Shockley-Quisser 한계를 초과한다고 보고했습니다.이 기능은 모노리식 및 4단자 셀 [75][24]구성 모두에서 달성되었습니다.이러한 장치에서, 열화 손실을 줄이기 위해, 넓은 밴드갭 페로브스카이트 상부 셀은 높은 에너지 광자를 흡수하는 반면, SHJ 하부 셀은 낮은 에너지 광자를 흡수합니다.양면 구성에서 하단 셀은 후면에서 빛을 받아들일 수도 있습니다.

2017년에 SHJ 바닥 셀과 III-V 그룹 반도체 탑 셀을 사용한 탠덤 태양 전지는 2-접합 비모놀리식 스택과 3-접합 비모놀리식 스택에 [76]대해 각각 32.8% 및 35.9%의 전력 변환 효율로 제조되었습니다.

2023년 4월, KAUST Solar Center는 단일 [24]구성의 페로브스카이트 탑 셀을 사용하여 SHJ tandems에 대한 효율성 기록을 33.2%로 수립했습니다.이것은 2-접합 태양 전지에서 기록된 가장 높은 효율입니다.

대체 헤테로 접합 재료

일반적인 c-Si/a-Si:H 구조 외에도, 다양한 그룹이 c-Si/SiOx,[48] c-Si/MoOx[77][78] 및 c-Si/SiOx/poly-Si(POLO; 다결정 실리콘 산화물)[79][80] 사이의 새로운 반도체 물질을 사용하여 수동형 접촉 실리콘 헤테로 접합 태양 전지를 성공적으로 생산했습니다.폴리아닐린 [81]에메랄드린 염기로 코팅된 n형 실리콘을 사용하여 하이브리드 무기-유기 헤테로 접합 태양 전지를 제조했습니다.헤테로 접합 태양 전지는 또한 다결정 실리콘 흡수기 [82]기판에서 생산되었습니다.

이종구조에 일반적으로 사용되는 반도체의 밴드갭 에너지
재료. 밴드 갭 에너지, Eg(eV) 메모들 언급
c-Si ~1.12 298K에서 측정된 일반적인 수치 [1]
a-Si:H ~1.7 c-Si와 비교하여 넓은 밴드 갭은 대부분 비정질 [83]실리콘의 수소 함량이 높기 때문입니다(SHJ 태양 전지에서 약 10%).밴드 갭 에너지는 비정질 네트워크의 결정 분율과 수소 함량에 영향을 받으며, 박막을 준비하는 방법에 따라 달라집니다.증착 중 H:SiH의4 비율이2 높을수록 밴드 갭 [84]에너지가 증가합니다. [85]
SiOx:H ~1.4–3.3 산소 x {{x이 증가함에 따라 밴드 갭이 증가합니다. 서0 < < \ 0 < x <. 증착 중 CO:SiH의4 비율이2 높을수록 밴드 갭 [86]에너지가 증가합니다. [87]
무우x ~3 [78]

인터디지티드 백 컨택트

헤테로 접합 태양 전지는 IBC 기술과 호환됩니다. 즉, 전지 금속화는 완전히 후면에 있습니다.헤테로 접합 IBC 세포는 종종 HBC로 줄여집니다.HBC 구조는 기존 SHJ 셀에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 주요 장점은 전면 그리드에서 음영이 제거되어 광 포획을 개선하여 단락 전류 J_입니다. PERC에 비해 기존 SHJ 세포는 한 경우가 많습니다SC는 흡수 [41]계수가 높아 전면 비정질 실리콘층에 일부 빛이 기생적으로 흡수되기 때문에 값이 40mA2/cm를 넘는 경우가 거의 .전면 금속 접촉 및 전면 비정질 실리콘 의 필요성을 제거함으로써 J_을(를) 복구할 수 있습니다.HBC 세포는 높은 효율성의 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 오랫동안 세계 기록을 유지한 이종 접합 세포는 JSC를 하여 가네카에 의해 제작된 26.7%의 효율성으로 HBC구조를 사용했습니다 42.65 mA/cm2.[20][88]HBC의 높은 효율에도 불구하고, 양면 전지는 제조 공정이 [50]비교적 단순하기 때문에 산업 생산에서 주류를 이루고 있습니다.그러나 HBC 셀은 상당한 면적 [89]제약이 있는 차량 통합 PV 시스템과 같은 특수 애플리케이션을 찾을 수 있습니다.

HBC 세포는 P-타입 영역과 N-타입 영역의 교차 패턴으로 후면의 국소 도핑에 의해 제조됩니다.전면에는 특정 도핑 [90]프로파일이 필요하지 않습니다.

안정성.

SHJ 셀의 고장, 전력 손실 및 성능 저하는 영향을 받는 매개 변수(예: 개방 회로 전압, 단락 전류 및 충전 계수)에 의해 분류될 수 있습니다. 손실은 일반적으로 패시베이션 품질의 감소 또는 결함의 유입으로 인해 재조합이 증가한 것에 기인합니다. 손실은 일반적으로 흡수기에 의해 포착되는 빛이 적은 광학 손실에 기인합니다.{ FF 손실은 일반적으로 패시베이션 손실과 직렬 저항의 증가 또는 션트 [29]저항의 감소에 기인합니다.

VOC 손실

결함은 전하 캐리어가 의도치 않게 "걸릴" 수 있는 부위로, Shockley-Read-Hall 방법(SRH Reconimation)을 통해 재결합할 가능성이 더 높습니다.이들은 계면(표면 재조합), 결정립 경계 및 전위 또는 불순물에 존재할 가능성이 가장 높습니다.효율성 손실을 방지하기 위해 결함을 수동적으로 처리해야 합니다(화학적 및 전기적으로 중립이 됨).일반적으로 이러한 현상은 결함 계면과 간격 수소의 결합을 통해 발생합니다.SHJ 셀에서 수소화된 고유 비정질 실리콘은 흡수기 표면에 존재하는 결함을 수동적으로 처리하는 데 매우 효과적입니다.

SHJ 태양 전지의 안정성과 성능을 유지하기 위해서는 결함의 행동을 이해하고 결함이 시간과 제조 공정에 따라 수소와 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것이 중요합니다.

빛에 의한 열화

비정질 실리콘 네트워크에서 빛에 민감한 결함 패시베이션의 행동은 1977년 [91]스테블러-론스키 효과의 발견 이후 연구 주제였습니다.Staebler와 Wronski는 몇 시간 동안 빛에 노출될 때 비정질 실리콘 박막의 광전도도와 어두운 전도도가 점진적으로 감소하는 것을 발견했습니다.이 효과는 150°C 이상의 온도에서 어두운 어닐링 시 가역적이며 수소화된 비정질 실리콘 장치에서 가역적인 LED(Light-induced Degradation)의 일반적인 예입니다.반송파 수명을 감소시키는 새로운 밴드 갭 상태의 도입이 열화의 메커니즘으로 제안되었습니다.후속 연구는 스테블러-론스키 [92]효과에서 수소 이동과 준안정 수소 포획 결함의 역할을 탐구했습니다.

많은 변수 중 스테블러-론스키 효과의 운동학 및 범위는 박막의[93] 결정질 입자 크기와 빛을 흡수하는 [94]조도에 따라 달라집니다.

일부 비정질 실리콘 장치는 가증가하는 같은 를 LID를 통해 관찰할 수도 있습니다.OC는 비정질 실리콘 태양[95][96] 전지, 특히 빛이 스며들 때 SHJ 태양[97] 전지에서 관찰되었습니다.고바야시 외 연구진(2016)은 스쿠토 외 연구진에 의해 스테블러-론스키 효과의 유사한 역전이 관찰된 점에 주목하면서 도핑된 비정질 실리콘 선택적 [97]접촉과 접촉할 때 고유 완충층의 페르미 수준이 밴드 가장자리에 더 가깝게 이동하기 때문이라고 제안합니다.(2015) 수소화 a-Si 광전지 장치가 [98]역편향으로 빛에 젖었을 때.

산업용 후처리 단계에서 이종 접합 셀의 의도적인 어닐링은 수명을 향상시키고 표면 재결합 속도를 감소시킬 수 있습니다.열 어닐링은 인터스티셜 수소를 헤테로 계면에 더 가깝게 확산시켜 매달린 결합 [99]결함의 포화도를 높일 수 있다고 제안되었습니다.이러한 프로세스는 어닐링 중 조명을 사용하여 개선될 수 있지만, 이는 반송파 수명이 개선되기 전에 성능 저하를 초래할 수 있으므로 상업적 [100]환경에서 신중한 최적화가 필요합니다.고온에서 조명된 어닐링은 UNSW가 개발한 결함 완화를 위한 인라인 기술인 고급 수소화 프로세스(AHP)에 중요합니다.

붕소-산소 복합 LID 결함은 저렴한 p형 웨이퍼의 효율성과 안정성에 대한 만연한 문제이며 SHJ 기판에 n형이 선호되는 주요 이유입니다.Advanced Hydrogenation Process(고급 수소화 프로세스)를 사용하여 웨이퍼를 B–OLID에 대해 안정화하는 것은 다양한 성공과 신뢰성 [38]문제를 가지고 있습니다.따라서 갈륨은 SHJ [101][37]흡수체에 사용하기 위한 경제적으로 실현 가능한 대안적인 p형 도펀트로 제안되었습니다.갈륨 도핑된 세포는 붕소보다 높은 안정성과 낮은 결함 밀도의 잠재력을 가지고 있으며, 연구 그룹은 V_를 했습니다.OC 갈륨이 도핑된 p형 SHJ에서 [38]730mV를 합니다.

모듈 성능 저하

태양열 모듈은 습기, 열 사이클링 및 자외선을 포함한 실외 설비에 배치될 때 다양한 스트레스 요인에 노출됩니다.태양열 모듈은 수십 년 동안 사용될 것으로 예상될 수 있으며, 이러한 요인은 설명되지 않으면 모듈 수명을 줄일 수 있습니다.분해 메커니즘에는 균열, 점진적인 부식 또는 결함 활성화로 인한 셀 자체의 효율 손실, 모듈 층의 박리, 셀 또는 적층의 UV 분해, 캡슐화 구현 또는 변색, 금속 도체(핑거, 버스바 및 탭핑)[102]의 고장 등이 포함됩니다.

잠재적 원인에 의한 열화

전위 유도 열화(PID)는 태양 전지 모듈의 고전압 응력에 의해 발생하는 열화를 의미합니다.이것은 태양열 모듈 [103]열화의 주요 메커니즘 중 하나입니다.태양광 발전 시스템에서 직렬 모듈의 스트링은 최대 1000V까지 축적될 수 있으며, 이러한 전위차는 태양전지와 접지된 모듈 프레임 사이의 작은 거리에 존재하여 누설 전류를 유발할 수 있습니다.PID는 주로 수분 침투 및 표면 [106][107]오염에 의해 촉진되는 태양 전지 모듈 및 셀에서 부식 및 이온[105] 이동을 일으키는[104] 전기화학적 프로세스입니다.이는 PV 시스템의 효율성 및 수명 감소로 이어집니다.

PID는 박막 태양 전지, CIGS 전지 및 CdTe 전지뿐만 아니라 모든 유형의 결정 실리콘 태양 전지에서 관찰되었습니다.연구에서 PID는 특히 환경 챔버에서 샘플 모듈에 높은 바이어스 전압을 적용하여 가속 노화 테스트에서 복제될 수 있습니다.SHJ 세포에서 PID는 대부분 의로 특징지어집니다은 광학적 손실로 인해 발생하며, 다른 모듈 기술에서 관찰된 PID와 달리 SHJ 모듈에서는 PID가 대부분 비가역적이며, 반대의 바이어스를 적용하여 약간의 복구만 가능합니다.이는 PID의 일부 구성 요소가 SHJ 모듈의 다른 메커니즘을 통해 발생함을 나타냅니다.광학적 손실은 TCO에서 인듐 금속 침전물로 인해 발생한다고 제안되었습니다.열화된 모듈은 또한 셀의 더 깊은 곳에서 고농도의 나트륨 이온을 측정했으며, 이는 [103]음의 바이어스로 인한 PID와 일치합니다.

캡슐화 가수분해

캡슐화제는 안정성을 위해 모듈에 태양 전지를 감싸는 데 사용되는 열가소성 물질입니다.적층 공정에서, 셀들은 캡슐화 필름 사이에 끼워지고 그것은 녹습니다.전통적으로 저렴한 공중합체인 에틸렌-비닐아세테이트([108]EVA)는 캡슐화제로서 결정성 실리콘 모듈에 사용되어 왔습니다.수분에 장시간 노출된 후 EVA는 태양 전지의 금속[110] 단자 또는 표면을[111] 부식시킬 수 있는 잠재력을 가진 초산을[109] 가수분해 및 거머리로 분해할 수 있습니다.

비양면 모듈은 질감이 있는 유리 전면과 UV 안정화된 폴리머(일반적으로 폴리비닐 플루오라이드) 백시트로 구성된 반면, 양면 모듈은 [29]유리-유리일 가능성이 더 높습니다.폴리머 백시트는 유리-유리 모듈(EVA의 가수분해를 용이하게 함)보다 수분 침투에 더 투과적임에도 불구하고 아세트산에 "호흡 가능"하며 축적되지 않습니다.SHJ 기반 모듈이 양면 유리-유리일 가능성이 높기 때문에 아세트산 축적의 위험이 [108]더 크다고 주장됩니다. 그러나 제조업체는 유리-유리 모듈의 불침투성이 EVA 분해를 방지하기에 충분하다는 것을 발견하여 모듈이 가속 노화 테스트를 통과할 수 있도록 했습니다.일부 연구에서는 유리-유리 구조가 [112]유리-백시트에 대한 EVA 캡슐화 모듈의 열화 정도를 줄인다는 사실도 밝혀냈습니다.

또한 SHJ 셀에 사용되는 ITO는 아세트산 에칭에 취약하여 를 할 수 있습니다. 손실.[111][113]높은 비용에도 불구하고 폴리올레핀 엘라스토머(POE)와 같은 아세테이트 프리 캡슐화제는 [108][112]EVA에 비해 습열 테스트 후 성능 저하가 감소했습니다.

캡슐화가 없는 모듈 설계도 장기적인 성능 저하 및 CO2 설치 공간을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 개발되었습니다.그러나 전면 유리와 캡슐화제가 제공하는 [114]셀 사이의 광학 커플링 부족으로 인해 반사 손실이 발생할 수 있습니다.

캡슐화 박리

POE는 EVA에 비해 수분 침투에 대한 저항력이 높기 때문에 PID 및 기타 수분 관련 문제를 방지합니다.그러나 Lamination 시간이 더 길고, POE와 Cell 또는 Glass 사이의 접착력이 EVA보다 떨어집니다.따라서 POE는 EPE(EVA-POE-EVA)로 알려진 EVA와의 3층 공압출 폴리머 캡슐에서 중심층으로 점점 더 많이 사용되고 있으며, 이는 두 [115][116]폴리머의 이점을 수반합니다.

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