The purpose of this work is to develop thin film silicon solar cell that has a high conversion efficiency and low light-induced degradation ratio. In order to achieve this object, tandem solar cells were developed by using a protocrystalline silicon (pc-Si:H) multilayer solar cell. The pc-Si:H multilayer solar cell was proposed by our research group in 2000. It shows a fast light-induced metastbility with a low degradation ratio thanks to its layer by layer structure and nanosized silicon grains included in its highly hydrogen diluted sublayers. The tandem solar cell is a series stack of two solar cells. It improves the conversion efficiency by more efficient utilization of solar spectrum.
Firstly, the pc-Si:H multilayer/pc-Si:H multilayer tandem solar cell was fabricated. As subtechnology to develop tandem solar cell, an n-p-p tunnel recombination junction was proposed. In this tunnel recombination junction structure, the hole injection is improved by valence band edge grading. The usefulness of it was verified by applying it to the tandem solar cell. By employing this tunnel recombination junction, tandem solar cell performance was improved by 16.0 %. Initial conversion efficiency of pc-Si:H multilayer/pc-Si:H multilayer tandem solar cell was 8.19 %. It was stabilized very fast within 1-hour light irradiation. It showed very low light-induced degradation ratio of 10.0 %.
Secondly, a μc-Si:H solar cell was researched. It was fabricated by 13.56 MHz conventional RF-PECVD method at high process pressure condition. Electrical and microstructural characteristics of μc-Si:H film was researched depending on several experimental parameters such as rf-plasma source power, silace concentration and substrate temperature. Conversion efficiency of μc-Si:H single junction solar cell was 7.76 %.
Thirdly, in order to achieve high conversion efficiency, the hybrid tandem solar cell was fabricated which stacks pc-Si:H multilayer solar cell and μc-Si:H solar cell in series. Key factors that influence the hybrid tandem cell performance are current matches in stacked device, tunnel recombination junction, and back reflector etc.. Optimization of fabrication conditions was performed as follows. First, for current matches, a series of hybrid tandem solar cells was fabricated which have different top cell thickness (deposition cycle). The best current match condition was obtained for the 4-cycle deposited sample. Second, undoped ZnO interlayer was adoped as a tunnel recombination junction and its optimum thickness was researched. The optimum thickness was decided as 150 Å. Third, ZnO/Ag back reflector was employed so that the output current of hybrid tandem solar cell can be increased.
As a result, the pc-Si:H multilayer/μc-Si:H hybrid tandem solar cell was developed with high conversion efficiency and low light-induced degradation ratio. Initial conversion efficiency of optimized hybrid tandem solar cell was 12.9 % with $V_{oc}$ of 1.41 V, $J_{sc}$ of 12.3 mA/㎠ and FF of 0.747. The light-induced degradation ratio was measured with the sample which has initial convertion efficiency of 12.7 %. After 60 hour light soaking, conversion efficiency was decreased only 0.3 %. This value corresponds to the degradation ratio of 2.4 %.
본 연구의 목적은 높은 초기 효율과 낮은 열화율을 갖는 박막형 비정질 실리콘계 태양전지를 개발하는것이다. 일반적인 비정질 실리콘 태양전지의 경우 빛을 조사함에 따라 태양전지의 효율이 지속적으로 감소하는 문제점과 함께 비교적 낮은 에너지 변환 효율을 갖는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 안정한 프로터결정 실리콘 다층막을 이용하여 적층형 태양전지를 개발하였다.
비정질 실리콘 태양전지의 에너지 변환 효율이 빛 조사에 따라 감소하는 문제점을 해결하기 위한 연구가 여러 연구 그룹에서 진행되고 있다. 본 연구실에서도 2000년에 주기적인 수소 희석방법을 통해 제작한 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지를 제안하였다. 프로터결정 실리콘 다층막은 증착시간에 따라 수소가스 $(H_2)$ 와 실란가스 $(SiH_4)$ 의 유량비를 주기적으로 바꾸어 수소희석층과 비 수소희석층 막을 교대로 증착하는 방법으로 제작된다. 이렇게 제작된 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지는 일반적인 비정질 실리콘 태양전지에 비하여 매우 빠른 시간내에 안정화가 이루어지며 상대적으로 낮은 열화율 갖는다. 최근의 연구 결과에 따르면 이러한 우수한 열화 특성이 나타나는 원인은 프로터결정 실리콘 다층막의 수소희석층 내에 3~5 nm 크기의 결정 실리콘이 존재하기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 나노크기의 결정 실리콘은 광 생성된 전자/전공의 재결합 중심으로 작용을 하여 비정질 실리콘 네트워크 내에서의 non-radiative 재결합을 억제한다. 이를 통해 결함(defects) 생성이 감소하기 때문에 열화율이 작아진다.
하지만 열화율이 매우 작은 프로터결정 실리콘 태양전지의 경우에도 초기 에너지 변환 효율이 단결정, 다결정 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 낮기 때문에 기존의 기술을 대체하는데는 한계를 가지고 있다. 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 새로운 구조의 태양태양전지를 개발할 필요가 있다. 적층형 태양전지는 두 개 이상의 태양전지를 직렬로 연결하여 태양광 스펙트럼을 보다 효율적으로 사용하여 초기 에너지 변환 효율을 향상시키고자 하는 기술로서 전세계 많은 연구기관에서 연구가 진행되고 있다. 현재 개발되고 있는 적층형 태양전지는 일반적으로 비정질 실리콘 태양전지/마이크로 결정 실리콘 태양전지의 구조를 가지고 있다. 따라서 상층전지로 사용되는 비정질 실리콘 태양전지에서 열화로 인해 적층형 태양전지에서도 약 15 %의 열화가 일어난다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상층전지로 안정한 프로터결정 실리콘 다층막을 사용하여 높은 초기 효율을 가지면서도 낮은 열화율을 갖는 하이브리드 적층형 태양전지를 개발하였다.
본 연구에서는 프로터결정 실리콘 다층막을 이용하여 두가지 종류의 적층형 태양전지를 개발하였다.
첫째, 프로터결정 실리콘 다층막/프로터결정 실리콘 다층막 적층형 태양전지를 개발하였다. 이를 위한 세부기술로서 n-p-p 구조의 터널 재결합 접합을 제안하였다. 이러한 구조의 터널 재결합 접합에서는 가전자대 에너지 밴드 기울임 효과를 통해 하층전지에서 생성된 정공의 주입 효율이 향상된다. n-p-p 구조의 터널 재결합 접합을 적층형 태양전지에 적용하여 에너지 변환효율을 16.0 % 향상시켰다. 최종적으로 제작된 프로터결정 실리콘 다층막/프로터결정 실리콘 다층막 적층형 태양전지의 초기 에너지 변환효율은 8.19 % 였다. 특히, 1시간의 빛 조사만으로 매우 빠른 안정화가 이루어졌으며, 10.0 %의 낮은 열화율 특성을 보였다.
둘째, 프로터결정 실리콘 다층막/마이크로결정 실리콘(하이브리드) 적층형 태양전지를 개발하였다. 하이브리드 적층형 태양전지 제작에 앞서 하층 전지용 마이크로결정 실리콘 태양전지 개발을 수행하였다. 일반적인 13.56 MHz의 RF-플라즈마 장치를 사용하여 고압의 공정 압력 조건(6 Torr)에서 마이크로결정 실리콘 박막을 제작하였다. RF-플라즈마 파워, 실란 가스 유량비, 증착 온도등의 공정 조건에 따른 마이크로 결정 실리콘 박막의 전기적, 미세구조적 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 단일접합 마이크로 결정 실리콘 태양전지를 제작하여 7.76 %의 에너지 변환효율을 달성하였다. 이렇게 제작된 마이크로 결정 실리콘 태양전지를 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지와 결합하여 하이브리드 적층형 태양전지를 제작하였다. 하이브리드 태양전지의 특성에 영향을 미치는 상·하층 전지간 전류 정합 기술, 터널 재결합 접합 기술, 후면 반사막 기술 등을 개발하고 공정 변수 최적화를 수행하였다. 상층 전지를 4-주기 증착하였을 때 최적의 전류 정합을 이루었다. ZnO 중간층 터널 재결합 접합의 최적 두께는 150 Å 였으며, 후면 반사막용 ZnO의 최적 두께는 1000 Å 였다.
최종적으로 12.9 %의 높은 에너지 변환효율을 달성하였다. 개방전압은 1.41 V, 단락전류는 12.3 mA/㎠, 충실도는 0.747 이다. 초기 효율 12.7 %를 갖는 하이브리드 적층형 태양전지를 이용하여 열화 시험을 $수행하였다^*$. 60 시간 빛 조사 후에도 0.3 %pt의 에너지 변환 효율 감소만 관찰되었다. 열화율은 매우 낮은 2.4 %이다.
