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1. Si 태양전지 결과 레포트
1.1. 실험목적
Si 태양전지 실험의 목적은 Si 태양전지의 작동 원리를 이해하고, 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 고안하는 것이다. 구체적으로 실험을 통해 효율, fill factor, 개방전압, 단락전류 등의 값을 직접 구해보고자 하는 것이다.
Si 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 소재에 따라 실리콘계와 화합물 반도체 태양전지로 분류되며, 이는 다시 기판형과 박막형으로 나뉜다. 실리콘 태양전지는 화합물 반도체 태양전지에 비해 효율은 낮지만, 제조단가가 낮다는 장점이 있어 태양광 발전용으로 주로 사용된다.
또한 이번 실험에서는 Solar cell의 다양한 종류, 즉 Si 태양전지, 화합물 광막 태양전지, Tandem 태양전지 등을 비교하고자 한다. 현재 시장에서는 실리콘 태양전지가 95%의 비중을 차지하고 있으며, 이들은 bulk type wafer 기반의 기술로 제조되고 있다. 실리콘 웨이퍼는 single crystal, multicrystalline, polycrystalline, microcrystalline 등 다양한 형태로 구분된다.
이번 실험을 통해 Si 태양전지의 작동 원리와 제조 공정, 주요 지표의 측정 및 분석 방법 등을 종합적으로 학습할 수 있을 것으로 기대된다.
1.2. 이론 및 실험방법
1.2.1. 실리콘 태양전지의 정의
실리콘 태양전지는 실리콘 wafer를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 소재에 따라 태양 전지는 실리콘계와 화합물 반도체 태양 전지로 분류될 수 있으며, 이는 다시 소재의 형태에 따라 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분된다.
1.2.2. 실리콘 태양 전지의 장점과 용도
실리콘 태양 전지의 장점과 용도는 다음과 같다.
실리콘 태양 전지는 화합물 반도체 태양 전지보다 낮은 효율을 보이지만 제조단가가 낮다는 이점이 있어 태양광 발전 용도로 주로 사용된다. 실리콘 태양 전지는 bulk type wafer 기반의 기술로, 실리콘 ingot을 잘라 만든 Single crystal, Multicrystalline, Polycrystalline, Microcrystalline 형태의 wafer를 활용하여 제조된다. 이 중에서도 Single crystal 실리콘 wafer를 사용하면 가장 효율이 높은 태양전지를 제조할 수 있다. 실리콘 태양 전지는 현재 태양광 발전 시장에서 95%의 점유율을 차지하고 있어 가장 널리 사용되는 태양전지라고 할 수 있다.
1.2.3. Solar cell의 종류
Solar cell의 종류에는 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지가 있다.
실리콘계 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 실리콘 태양전지는 소재의 형태에 따라 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 다시 분류된다. 기판형 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하며, 박막형 태양전지는 실리콘을 박막으로 증착하여 제조한다. 실리콘 태양전지는 화합물 반도체 태양전지에 비해 효율은 낮지만 제조단가가 낮아 태양광 발전 용도로 주로 사용된다.
화합물 반도체 태양전지는 갈륨비소(GaAs), 동인듐갈륨인듐(CIG), 동셀레늄갈륨인듐(CIGS) 등의 화합물 반도체 소재를 사용하여 제조한다. 화합물 반도체 태양전지는 실리콘 태양전지보다 소자 구조가 복잡하지만 상대적으로 높은 변환효율을 나타낸다. 그러나 제조단가가 높아 주로 우주 및 군사 분야에서 활용된다.
더 발전된 형태로는 탠덤 태양전지가 있다. 탠덤 태양전지는 기존 실리콘과 화합물 반도체를 결합한 구조로, 각 태양전지층이 흡수할 수 있는 파장 영역을 달리하여 더 높은 변환효율을 달성할 수 있다. 하지만 제조 공정이 복잡해 양산성이 낮은 편이다.
현재 태양전지 시장에서 실리콘 태양전지가 95% 이상의 점유율을 차지하고 있다. 실리콘 태양전지는 단결정, 다결정, 비정질 실리콘 등 실리콘의 결정 구조에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 단결정 실리콘 태양전지는 높은 효율을 보이지만 제조 공정이 복잡하고 비용이 높은 편이다. 다결정 실리콘 태양전지는 단결정보다 효율은 낮지만 제조 공정이 단순하고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
1.2.4. 실리콘 태양전지의 제조 공정
wafer를 가지고 오면 saw-doping-etching-coating-배선작업-edge로 그루빙을 파주고 cell test를 거쳐 Si cell를 만드는 공정 과정이 끝이 난다. Wafer Preparation 시, ingot을 자르는데 sawing으로 톱 흔적으로 스크레칭이 난다. 이 스크레칭을 제거하고 etching을 해 매끄러운 표면을 만들면 대리석 문양이 나온다. ingot을 만들 때, p형 ingot을 만드는 것이다. p형은 wafer 상태로 받아낸 것이고 그 위에 n타입만 붙이면 된다. 그림에서 wafer 바로 윗부분이 n형이고 wafer부분이 p형인데 p형은 hole을 가진다. 이 hole보다 많은 electron을 집어넣으면 n형으로 바뀌게 된다. 그래서 p형의 일부만 electron을 잔뜩 넣는다. 포클게스를 가지고 온도를 높여준다면, 875도의 고온에서 증기에 노출시켜 확산에 의해서 포클게스가 들어갈 것이다. 그렇게 되면 측면, 윗면 전부 N형으로 바뀌게 된다. 이때 산소가 들어가기 때문에 포클게스랑 실리콘에 도핑되기도 하고 SiO2가 만들어지기도 한다. 이때 SiO2로 PSG라고 부른다. 이렇게 n형으로 도핑된 부분 위에 PSG가 덮히게 된다. 하지만 기본구조는 N형에 전극이 붙어야 하고 P형에 전극이 붙어야 한다. 전극 사이에 산화막이 끼면 안되기 때문에 PSG를 제거해 줘야 한다. 그래서 oxide etch를 해서 PSG를 제거한다. 그러면 P형과 N형이 붙어있는 조직을 만들 수 있다. 이 위에 Anti-reflection coating을 해준다. 빛이 들어오면 흡수해야 하는데 반사되어 날라갈 수 있어서 반사를 막아주는 막을 코팅해줘야 한다. 코팅해주면 대리석 모양이 선명히 안 보이는데 이는 반사가 덜 일어났다는 의미이다. 이까지 과정을 거치면 P형 위에 N형이 있고 그 위에 반사 방지막이 있는 구조가 된다. 그러고 위아래로 전극을 붙일 것이다. 태양이 있는 쪽엔 finger 모양으로 Ag를 생성시켜준다. 여전히 실버 전극은 N형 위에 있지만 방사 방지막이 막고 있다. 그래서 실버가 반사 방지막을 뚫고 N형과 실버가 바로 contact되도록 열처리하는데 이를 firing 공정이라고 한다. screen printing으로 매쉬에다가 일부분 끊어놓으면 실버가 그 부분으로 통과하여 그림을 그릴 수 있다. finger 타입으로 앞쪽에 프린트하고 뒤쪽은 태양광이랑 상관없기 때문에 전체 면적에 Full coverage를 해준다. 이때 알루미늄 사용하고, 전도성은 알루미늄보다 실버가 좋기 때문에 앞쪽은 실버를 쓰고 뒤쪽에는 알루미늄으로 덮어준다. 열처리를 하면 실버가 방사 방지막을 뚫고 N타입과 접촉한다. 하지만 문제가 있는데 뒷면은 전체를 다 바르고 앞쪽은 빛이 통과해야 해서 일부만 형성시키는데, 주의해야 할 점은 N형 전극은 N타입이랑 닿아야 하고 P형 전극은 P타입과 닿아야 한다는 것이다. N형이 N전극과 닿아있고 P형이 P형 전극으로 연결되어야 하기 때문에 표면에 N타입을 다 제거해준다. 이렇게 가장자리를 다 태워주면 태양전지가 완성이 된다.
1.3. 실험결과
실험결과는 다음과 같다.
V_{oc}=0.57V, J_{sc}=35.11mA/cm^2, FF={P_{max}} over {V_{oc} TIMES I_{sc}}=`{5.678} over {0.567 TIMES 15.80096}=0.634``→63.4(%), eta={P_{max}} over {P_{INput}}={{5.678mW} over {0.45cm^{2}}} over {100mW/cm^{2}}=0.12617778=12.618(%)이다.
V_{o...
