초박형 HIT 태양전지 셀에서 세계최고레벨의 변환효율 달성

초박형 HIT 태양전지 셀에서 세계최고레벨의 변환효율 달성

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-09-19

일본의 산요전기는 연구레벨의 HIT 태양전지에서 올해 5월에 발표한 실용크기 세계최고 변환효율에 해당하는 23.0%[관련기사 참조]에 근접한 22.8%의 변환효율을 종래의 절반 이하의 셀 두께인 98um에서 실현했다고 밝혔다. HIT 태양전지 등 결정 실리콘계 태양전지의 경우에는 발전층인 실리콘 웨이퍼의 박형화와 에너지 변환효율의 양립이 태양광 발전시스템의 저비용화에 매우 중요한 과제이다. 일반적으로 자원절감과 비용절감을 위해 실리콘 웨이퍼를 박형화하기 하게 되면 광흡수량이 감소하여 변환효율이 떨어지는 요인이 된다. 이번 연구개발에서는 높은 에너지 변환효율이 특징인 HIT 태양전지 셀에서 지금까지 확보해 온 고효율화 기술을 활용하는 한편, 셀 박형화의 중요한 과제였던 성능의 저하를 대폭적으로 억제할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 그 결과, 종래의 고효율 태양전지의 절반 이하의 셀 두께를 가지는 초박형 HIT 태양전지 셀에서 세계최고 수준의 실용사이즈 변환효율 22.8%를 연구레벨에서 달성하였다. 이번에 개발된 주요 기술의 상세한 내용은 다음과 같다. (1) 고전압접합기술 HIT 태양전지의 구조의 특징은 발전층인 단결정 실리콘 기판 표면에 고품질 비정질실리콘층을 적층함으로써 전기의 근원인 전하의 재결합 손실을 줄여 높은 개방전압을 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다. 이번 개발에서는 디바이스 설계 과정에서 전압을 보다 중시하는 구조를 선택한 결과, 셀이 얇아진 경우에 개방전압이 크게 상승하는 조건을 발견하여, 종래의 0.729V에서 0.743V로 고전압화하는 데 성공하였다. (2) 광차폐효과의 개선 HIT 태양전지에서는 셀의 모재인 실리콘웨이퍼가 광을 흡수하여 발전층으로서 기능한다. 이 때문에 종래에는 셀을 박형화하면 발전층인 실리콘웨이퍼가 얇아지기 때문에 광흡수층이 감소하여 단락전류가 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제에 대해 실리콘 표면의 요철 구조 개선과 비정질실리콘층 및 투명전도층에서의 광흡수 손실저감 기술을 개선하여 실리콘웨이퍼의 광차폐 효과를 향상시키는 데 성공하였다. 결과적으로 종래에는 37.3mA/cm2이던 단락전류를 98um의 초박형 HIT 셀에서 38.8mA/cm2까지 크게 증가시킬 수 있었다. 연구팀은 이번에 개발에 성공한 HIT 태양전지 셀의 박형화와 고효율화를 양립하는 기술의 양산품 적용을 진행하는 한편, 앞으로도 지속적인 고효율화, 저비용화, 자원절감을 목표로 한 기술 개발을 추진해 나갈 예정이라고 한다. (그림1) 이번에 개발한 셀 구조 및 요소기술의 개요도이다. (그림2) 이번에 개발한 초박형 HIT 태양전지이다. [주1] HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 태양전지: 산요전기가 독자적으로 개발한 태양전지 셀의 구조이며, 결정 실리콘 기판과 비정질 실리콘 박막을 이용하여 형성한 하이브리드형이다. 고변환효율, 온도특성 등이 뛰어난 것이 특징이다. [주2] 재결합손실: 태양전지 내부에서 만들어진 캐리어가 태양전지 내부에서 결합하여 소멸하는 현상에 의해 태양전지로부터 추출할 수 있는 전류가 감소하여 결과적으로 전지의 출력이 저하하는 현상이다. [주3] 개방전압: 태양전지가 만들 수 있는 최대의 전압을 말한다. [주4] 단락전류: 태양전지에서 추출할 수 있는 최대 전류량이다.