다중 접합 태양 전지 기술

다중 접합 태양 전지는 반도체 재료가 다른 여러 개의 pn 접합이있는 태양 전지입니다. 각 재료의 각 pn 접합은 다른 파장의 빛에 반응하여 전류를 생성합니다. 간단한 셀은 햇빛의 스펙트럼에서 단일 파장의 전류를 생성합니다. 다중 접합 셀 태양 전지는 빛의 여러 파장에서 전류를 생성하여 햇빛의 에너지 변환 효율을 사용 가능한 전기 에너지로 증가시킵니다.
전통적인 single-union cell은 최대 이론 효율이 33.16 %입니다. 이론적으로 무한한 수의 관절은 집중적 인 햇빛 아래 86.8 %의 한계 효율을 가질 것입니다.

현재 전통적인 결정질 실리콘 태양 전지의 가장 좋은 실험실 사례는 20 % ~ 25 %의 효율을 가지고 있지만 다중 접합 셀의 실험실 사례는 집중적 인 햇빛 하에서 46 % 이상의 수확량을 나타냈다. 탠덤 세포의 상업적인 예는 한 태양을 가진 조명 하에서 30 %까지 광범위하게 이용 가능하며, 집중된 햇빛으로 약 40 %까지 개선된다. 그러나, 이러한 효율성은 더 큰 복잡성 및 제조 비용을 희생시키면서 얻어진다. 지금까지의 높은 가격과 높은 가격 대비 성능 비율은 특수 기능, 특히 높은 전력 / 중량비가 바람직한 우주 항공 분야에서의 사용을 제한했습니다. 지상 애플리케이션에서 이러한 태양 전지는 광전지 집광기 (CPV)에 등장하고 있으며 전세계에 설치가 증가하고 있습니다.

탠덤 제조 기술은 기존 디자인의 성능을 향상시키는 데 사용되었습니다. 특히이 기술은 가볍고 유연한 약 10 %의 효율로 셀을 생산하기 위해 기존의 결정질 실리콘과 달리 비정질 실리콘을 사용하는 저비용 박막 태양 전지에 적용될 수 있습니다. 이 방법은 여러 상업 공급 업체에서 사용되었지만 이러한 제품은 현재 루핑 재료와 같은 특정 틈새 역할에 국한되어 있습니다.

전통적인 single-union cell은 최대 이론 효율이 34 %입니다. 이론적으로 무한한 수의 접합부에서 다중 접합 셀의 효율은 고도로 집중된 햇빛 아래에서 87 %가됩니다.

현재 전통적인 실리콘 태양 전지의 최고의 실험실 사례는 약 25 %의 효율을 보이고 있으며 다중 접합 셀의 실험실 사례는 43 % 이상의 성능을 보였습니다.

기술

다중 접합 셀
여러 물질 층으로 만들어진 셀은 여러 개의 밴드 갭을 가질 수 있으므로 여러 빛의 파장에 반응하여 위에 설명 된 것처럼 이완시 손실 될 수있는 에너지 일부를 포착하고 변환합니다.
예를 들어 하나의 셀에 두 개의 밴드 갭이있는 셀이있는 경우 하나는 적색으로, 다른 하나는 녹색으로 튜닝 된 다음 녹색, 시안 색 및 파란색으로 표시된 여분의 에너지는 녹색에 민감한 재료의 밴드 갭에서만 손실됩니다. 적색, 황색 및 오렌지색의 에너지는 적색 – 감광성 물질의 밴드 갭에만 손실된다. 단일 밴드 갭 소자에 대해 수행 된 것과 유사한 분석 결과, 2 갭 소자에 대한 완벽한 밴드 갭은 1.1eV 및 1.8eV임을 입증 할 수있다.

편리하게, 특정 파장의 광은 더 큰 밴드 갭의 재료와 강하게 상호 작용하지 않는다. 즉, 서로 다른 물질을 겹치게하여 다중 접합 셀을 만들 수 있습니다. 즉, “상단”의 가장 짧은 파장 (최대 밴드 갭)과 셀 본문을 통해 증가합니다. 광자가 흡수 될 적절한 층에 도달하기 위해 셀을 통과해야하므로 투명 도체를 사용하여 각 층에서 생성되는 전자를 수집해야합니다.

탠덤 셀을 생산하는 것은 쉬운 일이 아니며, 주로 재료의 두께가 얇고 층간 전류를 추출하기가 어렵 기 때문입니다. 쉬운 솔루션은 두 개의 기계적으로 분리 된 박막 태양 전지를 사용하고 전지 외부에서 개별적으로 배선하는 것입니다. 이 기술은 비정질 실리콘 태양 전지에 널리 사용되고 있으며 Uni-Solar의 제품은 3 개의 층을 사용하여 약 9 %의 효율을 달성합니다. 더 이국적인 박막 소재를 사용하는 실험실 사례는 30 % 이상의 효율성을 입증했습니다.

더 어려운 해결책은 세포가 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된 여러 층으로 구성된 “단일체로 통합 된”세포입니다. 이 셀은 각 층의 전기적 특성을 신중하게 조화시켜야하기 때문에 생산하기가 훨씬 더 어렵습니다. 특히, 각 층에서 생성 된 광 전류는 일치되어야하며, 그렇지 않으면 전자가 층들 사이에서 흡수 될 것이다. 이것은 III-V 반도체에 가장 잘 부합하는 특정 소재로 건축을 제한합니다.

재료 선택
각 하위 셀의 재료 선택은 격자 매칭, 전류 매칭 및 고성능 광전자 특성에 대한 요구 사항에 따라 결정됩니다.

최적의 성장 및 결과적인 결정 품질을 위해, 각각의 물질의 결정 격자 상수 a 는 밀접하게 매칭되어야하고, 격자 – 매칭 된 장치가된다. 이러한 제약은 작은 정도의 격자 불일치를 포함하는 최근에 개발 된 변성 태양 전지에서 어느 정도 완화되어왔다. 그러나, 더 큰 정도의 불일치 또는 다른 성장 불완전은 전자 특성의 저하를 야기하는 결정 결함을 초래할 수있다.

각 서브 – 셀은 전기적으로 직렬로 연결되기 때문에, 동일한 전류가 각 접합부를 통해 흐른다. 물질은 밴드 갭이 감소함에 따라 정렬되며, 밴드 갭 이하의 빛 ( hc / λ <e ㆍ E _g )이 하위의 하위 셀에 전달되도록 허용한다. 그러므로 적절한 밴드 갭은 디자인 스펙트럼이 각 서브 셀의 현재 세대와 균형을 이루어 전류 매칭을 달성하도록 선택되어야한다. 그림 C (b)는 주어진 파장 λ에서 소스 전력 밀도 인 스펙트럼 복사도 E (λ)를 보여줍니다. 이 값은 광전류로 변환 할 수있는 광자 수와 직접 관련된 파장의 함수로 각 접합부에 대한 최대 변환 효율과 함께 플롯됩니다.

마지막으로, 레이어는 고성능을 위해 전기적으로 최적이어야합니다. 이것은 강한 흡수 계수 α (λ), 높은 소수 캐리어의 수명 τ _소수 및 높은 이동도 μ를 갖는 물질의 사용을 필요로한다.

아래 테이블의 유리한 값은 다중 접합 태양 전지에 일반적으로 사용되는 재료의 선택을 정당화합니다. 상단 서브 셀의 경우 InGaP ( _Eg = 1.8-1.9eV), 중간 서브 셀의 경우 InGaAs ( _Eg = 1.4 eV) 및 하부 서브 셀 ( _Eg = 0.67eV)에 대한 게르마늄을 포함한다. Ge의 사용은 주로 격자 상수, 튼튼함, 저렴한 비용, 풍요, 생산 용이성에 기인합니다.

상이한 층들이 밀접하게 격자 – 매칭되기 때문에, 디바이스의 제조는 전형적으로 금속 유기 화학 기상 증착 (MOCVD)을 이용한다. 이 기술은 분자 빔 에피 택시 (MBE)보다 높은 결정 품질과 대규모 생산을 보장하므로 바람직합니다.

자료	E _g , eV	a , nm	흡수 (λ = 0.8㎛), 1 / ㎛	μ _n , cm² / (V · s)	τ _p , μs	경도 (모스)	α, μm / K	S , m / s
c-Si	1.12	0.5431	0.102	1400	1	7	2.6	0.1 ~ 60
InGaP	1.86	0.5451	2	500	–	5	5.3	50
GaAs	1.4	0.5653	0.9	8500	삼	4-5	6	50
Ge	0.65	0.5657	삼	3900	1000	6	7	1000
InGaAs	1.2	0.5868	30	1200 년	–	–	5.66	100-1000

구조 요소

금속 접촉
금속 콘택트는 반도체 층과 접촉하는 저 저항 전극이다. 그들은 종종 알루미늄입니다. 이것은 태양 전지 배열의 부하 또는 다른 부분에 전기 연결을 제공합니다. 그들은 일반적으로 세포의 양면에 있습니다. 그리고 조명면의 그림자가 줄어들도록 뒷면에있는 것이 중요합니다.

무반사 코팅
반사 방지 (AR) 코팅은 일반적으로 MJ 태양 전지의 경우 여러 층으로 구성됩니다. 상위 AR 레이어는 일반적으로 피라미드로 인해 MJ 구조를 쉽게 나올 수 없으므로 전송 계수 T 를 높이기 위해 여러 개의 피라미드가있는 NaOH 표면 텍스처링을 사용하므로 재료에서 빛을 트래핑하므로 경로 길이 물질에있는 광자의 ^{R은 1 %로 감소합니다.} ^{2 개의 AR 층 ( L1) (최상층, 보통 SiO} ^{₂ ) 및 L2 (보통 TiO} ^{₂ ), 있어야합니다} ^{$n_ {L2} = n_ {AlInP} ^ {1/2} \ cdot n_ {L1}$} ^{반사 된 필드에 대해 동일한 진폭을 가지며, 반사 된 필드에 대해 반대 위상을 갖기 위해 n _L1 d _L1 = 4λ _min , n _L2 d _L2 = λ _min / 4를 갖는다.} ^{한편, 각각의 AR 층의 두께는 또한 광전류가 가장 낮은 파장에서의 반사율을 최소화하도록 선택된다.} ^{결과적으로, 이것은 3 개의 서브 셀의 전류를 정합시킴으로써 J _SC 를 최대화한다.} ^{예를 들어, 하부 셀에 의해 생성 된 전류가 다른 셀에 의해 생성 된 전류보다 크기 때문에, AR 층의 두께는 적외선 (IR) 전송 (하부 셀에 상응 함)이 열화되도록 자외선 전송 (상단 셀에 해당)이 업그레이드됩니다.} ^{특히, AR 코팅은 T 가 없으면 70 %로 강하게 감소하기 때문에 저 파장에서 매우 중요합니다.}
터널 접합부
터널 접합의 주요 목표는 두 개의 서브 셀 사이에 낮은 전기 저항과 광학적으로 저손실 연결을 제공하는 것입니다.
${_} {\ frac {2 \ ε (\ phi_0 - V)} {q} \ frac {N_A + N_D} {N_A N_D}}$
따라서, 전자는 공핍 영역을 쉽게 터널링 할 수있다. 터널 접합의 JV 특성은 두 개의 pn 접합 사이에 낮은 전기 저항 연결을 갖는데 터널 접합이 사용될 수있는 이유를 설명하기 때문에 매우 중요합니다. 그림 D는 터널링 영역, 네거티브 차동 저항 영역 및 열 확산 영역의 세 가지 영역을 보여줍니다. 전자가 장벽을 통과 할 수있는 영역을 터널링 영역이라고합니다. 이 전압은 터널링을하는 일부 전자의 에너지가 장벽의 다른쪽에 가용 한 에너지 상태와 같도록 충분히 낮아야합니다. 결과적으로, 터널 접합부를 통한 전류 밀도는 (최대 값은 $J_P$ , 피크 전류 밀도) 및 원점 부근의 기울기가 가파르게됩니다. 그러면 저항이 극도로 낮아지고 결과적으로 전압도 낮아집니다. 이것은 터널 접합이 전압 강하없이 두 개의 pn 접합을 연결하는 데 이상적이라는 이유입니다. 전압이 높을 때, 전자는 에너지 상태가 더 이상 이용 가능하지 않기 때문에 장벽을 가로 질러 갈 수 없다. 따라서, 전류 밀도는 감소하고 미분 저항은 음이다. 열확산 영역이라고하는 마지막 영역은 일반적인 다이오드의 JV 특성에 해당합니다.
$J = J_S \ left (\ exp \ left (\ frac {qV} {kT} \ right) - 1 \ right)$
MJ 태양 전지 성능의 감소를 피하기 위해 터널 접합부는 다음 광전지, 중간 셀, 즉 E _gTunnel > E_{gMiddleCell에} 흡수되는 파장에 대해 투명해야합니다.

창 레이어 및 뒷면 필드
창 층은 표면 재결합 속도 S 를 줄이기 위해 사용됩니다. 유사하게, 후면 필드 (BSF) 층은 터널 접합부를 향한 캐리어의 산란을 감소시킨다. 이 두 층의 구조는 동일합니다 : 그것은 전자 (구멍)를 잡는 헤테로 접합입니다. 실제로, 전기장 E _d 에도 불구하고, 이들은 그림 E에서 설명 된 바와 같이, 충분한 에너지를 갖지 않기 때문에 헤테로 접합에 의해 형성된 장벽을 뛰어 넘을 수 없다. 따라서, 전자 (정공)는 정공 (전자)과 재결합 할 수없고, 장벽을 통해. 그런데 창과 BSF 레이어는 다음 pn 접합점에서 흡수되는 파장 즉, _gWindow > E _gEmitter 및 E _gBSF > E _{gEmitter에 투명해야} 합니다. 또한, 격자 상수는 InGaP 중 하나에 가깝고 층은 고도로 도핑되어야한다 (n≥10 ¹⁸ cm ^-3 ).

JV 특성
효율을 극대화하기 위해서는 각 서브 셀을 최적의 JV 매개 변수로 작동시켜야하며, 각 서브 셀마다 반드시 동일하지는 않습니다. 그것들이 다르다면, 태양 전지를 통하는 총 전류는 3 중 가장 낮습니다. 근사에 의해, 이것은 MJ 태양 전지의 단락 전류에 대해 동일한 관계가된다 : J _SC = min (J _SC1 , J _SC2 , J_SC3 ) 여기서 J _SCi (λ)는 서브 셀 i에 주어진 파장 λ.

전체 JV 특성으로부터 J _SC1 , J _SC2 , J _SC3을 직접 구할 수 없으므로 양자 효율 QE (λ)가 활용됩니다.주어진 파장 λ에서 생성 된 전자 – 홀 쌍의 양과 입사 광자 사이의 비율을 측정합니다. 서브 셀 i 의 해당 입사광의 광자 플럭스를 φ _i (λ), 서브 셀 i 의 양자 효율을 QE _i (λ) 라하자. 정의에 따르면, 이것은 다음과 같습니다. $(xi) = \ int {0} ^ {\ lambda2} q \ phi_i (\ lambda) \ Qi_i (\ lambda) = \ frac { ) QE_i (\ lambda) \, d \ lambda$

의 가치 $QE_i (\ lambda)$ 흡수 계수와 연결함으로써 얻어진다 $\ alpha (\ lambda)$ , 즉 물질에 의해 단위 길이 당 흡수되는 광자의 수. 서브 셀에 흡수 된 각 광자가 전자 / 홀 쌍 (좋은 근사값)을 생성한다고 가정하면 다음과 같이됩니다.

$QE_i (\ lambda) = 1 - e ^ {- \ alpha (\ lambda) d_i}$ 여기서, d _i 는 서브 셀 i 의 두께이고, $e ^ {- \ alpha (\ lambda) d_i}$ 은 서브 셀 i에흡수되지 않는 입사광의 백분율이다.
유사하게, 왜냐하면 $V = \ sum_ {i = 1} ^ 3 V_i$ 다음 근사값을 사용할 수 있습니다. $V_ {OC} = \ sum_ {i = 1} ^ 3 V_ {OCi}$ .
${\ displaystyle V_ {OCi}}$ 의 값은 $V_ {OCi}$ JV 다이오드 방정식에 의해 주어진다. $Right_V_ {OCi} \ approx \ frac {kT} {q} \ ln (J_ {0i} \ left (e ^ {\ frac {qV_i} \ frac {J_ {SCi}} {J_ {0i}})$

이론적 인 제한 효율
CH Henry가 발명 한 그래픽 양자 효율 (QE) 분석을 사용하여 이상적인 무한 다중 접합 태양 전지의 제한 효율을 평가할 수 있습니다. Henry의 방법을 최대한 활용하려면 AM1.5 분광 방사 조도의 단위를 광자 플럭스 (즉, 광자 수 / m ² / s)의 단위로 변환해야합니다. 이를 위해서는 광자 에너지 당 단위 면적당 입사되는 전자기 방사선의 세기로부터 광자 에너지 당 광자 자속까지의 중간 단위 변환을 수행 할 필요가있다 (즉, [W / m ² / eV]에서 [ 광자 / m 2 / s / eV]). 이 중간 단위 변환의 경우 다음 사항을 고려해야합니다. 광자는 다음과 같이 정의되는 고유 한 에너지를가집니다.

(1) : E _ph = h · f = h · (c / λ)
여기서 E _ph 는 광자 에너지, h는 플랑크 상수 (h = 6.626 * 10 ^-34 [J / s]), c는 빛의 속도 (c = 2.998 * 10 [m / s]), f는 빈도 [1 / s]이고, λ는 파장이다.
그러면 특정 조사량 E [W / m ² / eV]에 대한 광자 에너지 당 광자 유속 dn _ph / dhν는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

(2) : ${\ frac {dn _ {{ph}}} {dhv}} \, {\ frac {E} {E _ {{ph}}}} \$ = E / {h (c / λ)} = E [W / (m ² ∙ eV)] ∙ λ ∙ (10 ^-9 ) / (1.998 ∙ 10 ^-25 [J · s ∙ m / s] E ∙ λ ∙ 5.03 ∙ 10 ¹⁵ [(광자 수) / (m ² ∙ s ∙ eV)]
이 중간 단위 변환의 결과로, AM1.5 분광 방사 조도는 광자 에너지 당 광자 유속의 단위로 주어지며 [광자 수 / m ² / s / eV]
위의 중간 단위 변환 결과를 기반으로 광자 에너지 당 광자 에너지 당 광자 광속을 수치 적으로 적분하여 광자 유출을 유도 할 수 있습니다. 수치 적으로 통합 된 광자 플럭스는 다음과 같이 사다리꼴 규칙을 사용하여 계산됩니다.

(삼): ${{ph}}} {dhv}} \, dhv = {int} {\ phrac} {\ frac {1}} {\ frac {1}} {\ frac {1}} {\ frac { dn {{ph}}} {dhv}} (hv_ {i + 1}}) + {\ frac {dn _ {{ph}$
이 수치 적분의 결과로, AM1.5 분광 방사 조도는 광자 플럭스의 단위로 주어지며 [광자 수 / m2 / s]입니다.

hν <0.31eV에 대한 표준 (AM1.5) 태양 에너지 스펙트럼이 없기 때문에 0eV에서 0.3096eV까지의 작은 광자 에너지 범위에서 광자 플럭스 데이터가 없다는 점에 유의해야한다. 그러나이 데이터 비 가용성에 관계없이 그래픽 QE 분석은 반도체가 밴드 갭 에너지보다 큰 광자 에너지에서는 불투명하지만 밴드 갭 에너지보다 작은 광자 에너지에는 투명하다는 가정하에 사용 가능한 유일한 데이터를 사용하여 분석 할 수 있습니다. 이 가정은 단일 접합 태양 전지가 넓은 태양 에너지 스펙트럼에 적절히 매치 할 수 없기 때문에 발생하는 태양 전지 효율의 첫 번째 고유 손실을 설명합니다. 그러나 현재의 그래픽 QE 분석은 여전히 태양 전지, 복사 재결합의 효율성에서 두 번째 내재적 손실을 반영 할 수 없습니다.복사 적 재결합을 고려하기 위해서는 복사 전류 밀도 J _rad 를 먼저 평가해야한다. Shockley와 Queisser 방법에 따르면 J _rad 은 다음과 같이 근사 될 수 있습니다.

(4) : $J {{rad}} = Aexp ({\ frac {eV-E_ {g}} {kT}}) \,$
(5) : $A = {\ frac {2 \ pi \, exp (n ^ {2} +1) E_ {g} ^ {2} kT} {h ^ {3} c ^ {2}}} \,$
여기서 _Eg 는 전자 볼트이고 n은 3.6 인 GaAs의 값으로 평가된다. 입사 된 열 복사 J _th 는 V _rad = 0 인 J _rad에 의해 주어진다.

(6) : $J_ {{}} = Aexp ({\ frac {-E_ {g}} {kT}}) \,$
부하에 전달되는 전류 밀도는 흡수 된 태양열 및 열 복사로 인한 전류 밀도와 상단 표면에서 방출되거나 기판에서 흡수 된 현재의 밀도의 차이입니다. J _ph = en _ph를 정의하면 다음과 같이 나타납니다.

(7) : J = J _ph + J _th – J _rad
두 번째 항, J _th 는 E _g를 갖는 모든 반도체에 대한 J _ph 와 비교할 때 무시할 만하다. ≥ 0.3 eV. 위의 J _번째 방정식의 평가에 의해 알 수있다. 따라서 우리는 다음의 논의를 단순화하기 위해이 용어를 무시할 것입니다. 그러면 다음과 같이 J를 표현할 수 있습니다.

(8) : $J = en _ {{ph}} - Aexp ({\ frac {eV-E_ {g}} {kT}}) \,$
개방 회로 전압은 J = 0으로 설정하면 알 수 있습니다.

(9) : $eV {{OC}} = E_ {g} -kTln ({\ frac {A} {ko}$
최대 전력 점 (J _m , V _m )은 미분을 확정함으로써 발견된다 ${\ frac {dJV} {dV}} \, = 0$ . 이 계산의 익숙한 결과는 다음과 같습니다.

(10) : $eV_ {{m}} = eV_ {{OC}} - kTln (1 + {\ frac {eV_ {m}} {kT}}) \,$

(11) : $J {{m}} = {\ frac {en _ {{ph}}} {1 + kT / eV_ {m}}} \,$
마지막으로, 흡수 된 광자 당 최대 작업량 (Wm), Wm은 다음과 같이 주어진다.

(12) : $W = {{m}}} {1 + kT / eV_ {m}} { m}}} \, = eV_ {m} -kT$
마지막 세 방정식을 결합하여

(13) : $W = {{m}} = E_ {g} -kT [ln ({\ frac {A} {ko} {} }})) + 1] \,$

위의 방정식을 사용하여, W _m (적색 선)은 E _g (또는 n _ph )의 다른 값에 대해 플롯됩니다.
이제 우리는 태양 전지의 효율성에있어 두 가지 주요한 손실을 고려하여 Henry의 그래픽 QE 분석을 완벽하게 사용할 수 있습니다. 두 가지 주요한 본질적인 손실은 복사 재조합과 단일 접합 태양 전지가 넓은 태양 에너지 스펙트럼과 적절히 일치하지 못하는 것입니다. 빨간색 선 아래의 음영 영역은 이상적인 무한 다중 접합 태양 전지에 의해 수행 된 최대 작업을 나타냅니다. 따라서 이상적인 무한 다중 접합 태양 전지의 한계 효율은 적색선으로 정의 된 음영 영역과 검은 색 선으로 결정된 총 광자 플럭스 영역을 비교하여 68.8 %로 평가된다. (이 방법을 “그래픽”QE 분석이라고 부릅니다.)이 제한 효율 값은 1979 년 Parrott 및 Vos에서 발표 한 값과 각각 일치하지만 64 % 및 68.2 %로 추정 값과 이 보고서와 문학 가치. 이 사소한 차이는 0eV에서 0.3096eV로 광자 플럭스를 근사하는 방법이 다르기 때문에 가능하다. 여기에서 광자 플럭스는 0eV에서 0.3096eV까지 광자 플럭스를 0.31eV로 근사했습니다.

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