1. 서 론
화석연료의 제한적 용량과 환경 파괴에 대한 문제가 제 기되면서 지속적이고 친환경적인 신재생 에너지에 대해 많은 연구가 진행되었다. 그 중 신재생 에너지원으로써 큰 비중을 차지하고 있는 태양광 발전은 오랜 기간 연 구되어 왔으며, 현재 산업적인 위치로써도 차지하고 있 는 역할이 크다. 안정적인 에너지 수급을 위한 대량 생 산 기술의 측면에서, 고효율 태양전지의 제작 및 설계 를 위해 물리적 혹은 전기적인 특성을 이해하는 것이 점 점 중요해지고 있다.1-4) 현재 이러한 태양전지의 특성을 측정하는 방법으로 Light I-V, Dark I-V, QE, UV-spectroscopy 등이 알려져 있다.5)
일반적으로 태양전지의 특성을 측정할 경우 그 측정 결 과에는 태양전지 특성과 관련되어 있는 다양한 요인들 이 포함되어 있다. 예를 들어 Light I-V 측정 방식은 태 양전지의 전환효율을 얻을 수 있는 직접적인 측정방식 이지만, 태양전지를 구성하는 에미터의 특성에 대해서는 분석하기 어려운 단점을 가진다. 이에 반하여 Dark I-V 측정 방식은 태양전지의 에미터를 평가할 수 있는 이상 계수(n)를 영역별로 구할 수 있으며, 직렬/병렬 저항을 추 출할 수 있다. 하지만 이상계수(n)의 추출 시, 추출하는 데이터의 범위에 따라 큰 오차범위를 가질 수 있으며, 추출하는 모델의 이론적인 해가 6가지가 존재하기 때문 에 선형적인 정해를 구하는데 많은 어려움을 가지게 된 다. 이러한 이유로 Dark I-V 방식은 측정자 혹은 분석 자의 주관적인 판단에 따라 결과값의 오차가 커질 수 있 으며 정확한 분석을 위한 추가적인 장비가 요구되어 분 석에 많은 시간과 노력이 요구된다. 상기에 기술한 바 와 같이 태양전지 업계에서 일반적으로 사용하는 측정 방법에는 내부 전기적 구조의 특성 분석 혹은 최종 구 조체의 전환 효율 분석에 있어 측정 시간과 분석 자원 의 한계를 어느 정도 가지게 된다.
본 연구에서는 태양전지의 특성 평가와 내부 구조의 특 성 평가를 한번의 측정으로 수행하기 위하여, One diode equation을 이용하여 결정질 실리콘 태양전지의 Light I-V 분석 결과를 해석하였다. 이러한 해석 기법을 활용하 여 후면 전극 태양전지와 상업용 스크린 프린트 태양전 지의 다이오드 이상계수(n)와 직렬저항(Rs)값을 추출하여 비교해 보았다.
2. 실험 방법
태양전지는 다이오드와 저항을 포함한 등가회로로 치 환하여 정의할 수 있다. 태양전지에 빛이 조사된 경우 에 이러한 등가 회로는 Fig. 1에 나타낸 것과 같은 구 조를 형성하게 되고 이 때 외부 부하를 타고 흐르는 전 류 밀도(Current density)는 아래와 같이 정의할 수 있다.
Fig. 1.
One diode circuit model for crystalline silicon solar cell which have series resistance and shunt resistance.
여기서, JL 은 빛의 조사로 인하여 발생되는 광생성 전 류 밀도 값을 의미하고, J0는 다이오드 내부로 흐르는 포 화전류밀도를 의미한다. 온도는 T로 나타내었으며, q는 전하량을 의미하고, 볼츠만 상수를 k로 나타낸다. 다이 오드의 이상계수 값을 n으로 나타내었으며, 직렬/병렬 저 항값을 Rs/Rsh로 정의 하였다.
태양전지의 전기적 특성을 나타내는 식 (1)번을 이용 하여 다이오드의 이상 계수(n)와 직렬 저항(Rs) 성분을 추출하기 위하여 다음과 같이 식을 변경할 수 있다.
식 (2)를 간단하게 정의하기 위하여 다음과 같이 태양 전지의 특성을 가정하였다. 우선 일반적인 태양전지의 병 렬 저항(Rsh)은 대체로 매우 큰 값을 가지기 때문에 병 렬 저항(Rsh) 값을 생략할 수 있다. 이와 더불어 광생성 전류가 발생한 경우에 태양전지 내부에서 생성되는 포 화전류밀도(J0)의 값이 상대적으로 매우 작기 때문에 역 시 생략할 수 있다. 상기의 가정을 기용하여 식 (2)를 다시 정리하게 되면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식 (3)를 V에 대하여 정리한 후 J에 대하여 미분하여 기 울기를 구하게 되면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.6)
상기의 결과는 Light I-V 자료를 dV/dJ와 1/(J − JL)의 그래프로 전환할 수 있다는 것을 보여준다. dV/dJ와 1/ (J − JL)의 그래프에서 기울기 값은 nkT/q 값을 나타내고 y축 절편 값은 Rs값으로 나타나게 된다. 따라서 측정된 Light I-V 자료에서 이상계수(n)와 직렬 저항(Rs)을 추출 할 수 있게 된다. 위 방법을 Diode method로 정의하고, 상업용 스크린 프린트 결정질 실리콘 태양전지와 후면 전극형 태양전지의 측정 결과에 적용하여 특성값을 추 출 하였다. 상업용 스크린프린트 태양전지의 제작에는 초 크랄스키(Czochralski)-Si p-type (100)방향의 웨이퍼를 사 용하였다. 웨이퍼의 두께는 200 um이고, 면적은 pseudosquare 형태로 238.95 cm2를 가진다. 웨이퍼의 비저항값 은 1.0-1.5 Ω·cm2을 가진다. 전면부는 반사도를 낮추기 위 해 요철(textured) 구조로 식각하였다. 상업용 스크린프린 트 태양전지의 에미터 형성을 위하여 인(Phosphorus)을 웨이퍼 내부로 확산시키는 공정을 tube furnace를 통하 여 수행하였다. 전/후면의 패시베이션 효과를 증가시키고 반사도를 감소시키기 위하여 Anti-Reflection Coating (ARC)을 형성하였다. ARC를 형성하기 위하여 PECVD [TES Co., Ltd, Korea, Teslar 200]를 활용하였으며 질 화막(SiNx)을 약 70 nm의 두께로 형성 하였다. 증착에 사 용된 조건은 13.56MHz의 주파수에서 20W의 파워를 가 지고, 챔버 내부의 압력을 1000 mTorr (133Pa)로 유지하 였다. SiH4, NH3, N2 가스의 유량은 각각 35, 90, 1000 sccm을 유지하였다. 태양전지 전극의 형성은 스크린 프 린트를 통해 전면전극 패턴을 은(Ag)으로 인쇄하고, 후 면전극을 알루미늄(Al)로 인쇄하였다. 이후, Rapid Temperature Process[SNTEK, Korea, RTP 5000]를 이용하 여 burn-out 공정을 500 °C에서 3분 유지하고, firing 공 정을 800 °C에서 3초간 진행하였다.
후면 전극형 태양전지의 제작에는 Cz-Si n-type (100) 방향의 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼의 두께는 200 um이 고, 면적은 pseudo-square 형태로 133.33 cm2를 가진다. 웨이퍼의 비저항값은 1-10 Ω·cm2을 가진다. 전면부는 반 사도를 낮추기 위해 요철(textured) 구조로 식각하였다. 웨 이퍼의 소수반송자수명(Minority carrier lifetime)은 1000 us이며, 에미터 핑거 라인의 너비는 675 um이며, 후면전 계층(BSF) 핑거 라인의 두께는 225 um이다. 전/후면의 패시베이션 효과를 증가시키기 위해서, 산화막(SiOx)과 질 화막(SiNx)을 적층형 구조로 형성하였다. 산화막 형성은 dry oxidation 공정을 이용하였으며, tube furnace 내부에 서 850 °C에서 1시간동안 유지하였다. 질화막 형성을 위 하여 PECVD를 사용하였으며, 13.56MHz의 플라즈마의 주파수(RF)를 사용하고, 220 W의 파워조건이 적용되었 다. 챔버 내부의 압력은 2300 mTorr(607Pa)로 유지하였 고, SiH4/N2O 가스의 유량은 30/230 sccm이다. 에미터와 후면전계층을 형성하기 위하여 이온 임플란테이션 공정 을 사용하였으며, 붕소(Boron)의 가속전압은 40 keV, 5 × 1013 ions/cm2의 Dose를 사용하였다. 인(Phosphorus)의 가 속전압은 30 keV 조건하에서 이루어 졌으며 2 × 1013 ions/ cm2의 Dose를 이용하여 전/후면전계층을 형성하였다. 주 입된 에미터와 전계층의 활성화를 위한 열처리조건은 1050 °C, 산소분위기에서 90분 동안 유지하였다. 전극의 형성은 Ag plating 방식으로 제작하였다.7)
이상계수(n)와 직렬저항(Rs)의 추출을 위한 Light I-V 의 측정 방법은 solar simulator[WXS-155 s-10, AM 1.5G, IEC-60904, Class:AAA]를 이용하였으며, 광원의 세 기를 100 mW/cm2로 정의하였으며, 25 °C에서 bias voltage sweeping으로 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
상업용 스크린프린트 태양전지의 Light I-V 측정결과 는 Fig. 2(a)와 같이 나타났다. Diode method를 적용하 여, dV/dJ와 1/(J − JL)의 그래프로 나타내었을 때의 결과 는 Fig. 2(b)와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 2(b)에 나타 난 것과 같이 태양전지의 성능을 추출한 결과는 1.11의 이상계수(n)와 0.416 Ω·cm2의 직렬저항(Rs)값을 가지는 것 을 알 수 있다. Diode method를 통해 추출한 직렬저항 (Rs)값을 태양전지의 성능분석에 일반적으로 사용하는 Slope 방법과 비교하여 보았다. 실리콘 태양전지의 특 성요소 중 직/병렬저항은 충진율(Fill factor)에 영향을 끼 친다. 그 중 직렬 저항(Rs)은 개방전압(Voc)근처의 Light I-V 그래프의 기울기를 변화시킨다. 직렬저항(Rs)값이 클 수록 Light I-V 그래프의 개방전압(Voc)근처의 기울기가 감소하고 이것은 충진율 감소로 나타난다. 따라서 Light I-V 그래프에서 개방전압(Voc)근처의 기울기를 구함으로 써 직렬저항(Rs)값을 추출할 수 있다. 위 방법을 I-V slope method라고 정의하고, 동일한 상업용 스크린프린 트 태양전지의 직렬저항(Rs)값을 추출하였으며 1.23 Ω·cm2 값을 나타내었다. I-V slope method의 직렬저항(Rs) 추 출값과 비교하여 보았을 때, diode method가 실제 태양 전지의 특성이 반영된 직렬저항(Rs)값을 추출할 수 있는 것으로 판단된다.
Fig. 2.
(a) Light I-V graph of industrial screen-printed solar cell (b) dV/dJ와 1/(J − JL) graph calculated from measured Light I-V data.
후면전극형 태양전지의 Light I-V 결과는 Fig. 3(a)와 같이 측정되었다. Diode method를 적용하여, dV/dJ와 1/ (J − JL)의 그래프로 나타내었을 때의 결과는 Fig. 3(b)와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 3(b)에 나타난 것과 같이 태 양전지의 성능을 추출한 결과는 1.07의 이상계수(n)와 0.109 Ω·cm2의 직렬저항(Rs)값을 가진다. 또한, 동일한 Light I-V 결과로부터 I-V method를 적용하여 직렬저항 (Rs)를 추출하였으며, 0.807 Ω·cm2 값을 나타내었다. 후면 전극형 태양전지는 두 전극이 가까이 붙어있어 측정방 식에 민감한 구조를 가지고 있으므로 약간 큰 오차범위 를 가지고 있는 것으로 판단된다.
Fig. 3.
(a) Light I-V graph of Interdigitated Back Contact(IBC) solar cell (b) dV/dJ - 1/(J − JL) graph calculated from measured Light IV data.
이와 더불어, 광조사 상태에서의 이상계수(n)값을 추출 할 수 있는 sun-shade method방법을 적용하여 이상계수 (n)값을 비교하였다. Sun-shade method는 1.0Sun 조건과 0.1Sun 조건에서의 I-V 결과를 이용하여 직렬저항(Rs)값 을 추출할 수 있다. 또한, 1.0Sun 조건과 0.1Sun조건에 서 태양전지의 단락전류(Isc)값을 이용하여 이상계수(n)값 을 추출할 수 있다.8) Diode method 또한 광조사 상태 에서 이상계수(n)와 직렬저항(Rs)을 구할 수 있으므로 두 방법을 비교하여 추출한 특성값을 비교평가하기에 적절 할 것으로 판단하였다. 결과적으로 Diode method, sunshade method, I-V slope method에서 추출한 이상계수 (n)와 직렬저항(Rs)값을 Table 1에 비교하여 나타내었다. 두 상기의 결과에서 비교해볼 때 이상계수(n)과 직렬저항(Rs) 값에서 세가지 방법 모두 크게 차이가 나지 않는 것을 확인하였다. 즉, Light I-V를 측정하는 태양전지가 diode method의 가정을 만족하는 경우, sun-shade method와 비 교하였을 때, 오차범위가 크지 않아 신뢰할 만한 값을 가지는 것으로 판단된다.
Table 1.
Ideality factor(n) & series resistance(Rs) extracted by Diode method & Sun-shade method & I-V slope method from industrial screen-printed solar cell and IBC solar cell.
| Cell type | Diode method | Sun-shade method | I-V slope method | |
|---|---|---|---|---|
| SP solar | n | 1.11 | 1.03 | - |
| cell | Rs(Ω·cm2) | 0.416 | 0.757 | 1.23 |
| IBC solar | n | 1.07 | 1.01 | - |
| cell | Rs(Ω·cm2) | 0.109 | 0.388 | 0.807 |
4. 결 론
결정질 실리콘 태양전지의 전기적인 특성을 다이오드, 직렬저항, 병렬저항을 포함한 회로로 정의하였다. 다이오 드에 흐르는 전류를 One diode equation을 통해 정의하 였고, 몇 가지 가정을 통해 One diode equation으로부터 이상계수(n)와 직렬저항(Rs)을 추출할 수 있는 식을 도 출하였다. 이 방법을 Diode method로 정의하고, 상업용 스크린 프린트 태양전지와 후면전극형 실리콘 태양전지 의 Light I-V 측정 결과로부터 이상계수와(n) 직렬저항 (Rs)의 추출해 보았다. Diode method로 추출한 이상계수 (n)와 직렬저항(Rs) 값을 I-V slope method와 sun-shade method를 통해 추출한 값과 비교 평가하였다. Diode method가 대량 생산되는 태양전지의 특성을 일괄적으로 평가하는데 있어 유용한 것으로 생각된다.
