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A study on crystalline silicon-based heterojunction devices and texturing for high efficiency perovskite tandem cell structure

A study on crystalline silicon-based heterojunction devices and texturing for high efficiency perovskite tandem cell structure
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고효율 페로브스카이트 적층형 태양전지 구조를 위한 결정질 실리콘 기반 이종접합소자 및 텍스쳐링 연구
Jin-Hyeong Park
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최근 지구 기후 변화와 환경 오염에 대한 해결책으로 재생 가능 에너지를 사용하는 것이 유망한 해결책으로 주목받고 있다. 재생 가능 에너지 중에서 특히 태양 에너지는 수력 발전 및 풍력과 같은 다른 에너지 자원보다 훨씬 지구상에 풍부하고 널리 퍼져 있다. 태양 에너지는 오염 물질이 없어 환경친화적인 장점을 가져 환영받고 있으며 현재 대체에너지 중에서도 잠재력이 가장 높은 에너지원으로 주목받고 있다. 태양 에너지와 관련한 기술개발은 실리콘 태양전지를 중심으로 이루어지고 있다. 실리콘 태양전지의 비용을 기존의 화석연료 수준 보다 낮춰서 에너지 시장에서의 경쟁력을 키우기 위한 연구가 계속되고 있다. 최근 연구자들은 태양전지의 저비용과 고효율화를 위한 연구를 진행 중이며 대표적인 예시로 텍스쳐링을 이용한 태양전지의 효율 향상이 있다. 특히, 일반적인 피라미드 텍스쳐링이 아닌 역피라미드 구조는 더 낮은 반사율을 지니며, 효율 개선에 크게 영향을 줄 수 있다. 다만 현재의 역피라미드 텍스쳐링은 기본적으로 리소그래피 공정을 이용하며, 이 때문에 비용적인 문제가 발생한다. 또한, KOH 용액을 이용한 현재의 피라미드 텍스쳐링은 Si 소모량이 크며, 이로 인해 점점 소형화, 박형화가 진행 중인 현재의 태양전지에 적용시키기에 힘들어진다는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는, 리소그래피 공정이 아닌, 금속의 산화, 환원반응을 이용한 화학적 식각의 방법인 MaCE 공정을 이용하여 역피라미드 구조를 제조하였다. 그리고 기존 KOH 식각에 첨가제를 추가한 방식으로, Masking 효과를 이용한 작은 피라미드 구조를 생성하였다. 그 결과 리소그래피 공정 없이 제작된 역피라미드 구조에서 10%의 반사율을 얻었다. 작은 피라미드 구조 역시 기존 방식에 비해 Si 소모량은 줄이고, 반사도는 유사한 결과를 얻었다. 거기에 더해서, 높은 한계 효율로 주목받고 있는 소재인 페로브스카이트를 이용해 적층형 태양전지 구조를 제작하였다. 적층형 태양전지의 효율 극대화를 위해서, 하부 태양전지의 효율 향상을 위한 공정들을 진행하였고, 이를 통해서 15% 이상의 높은 효율을 지니는 실리콘 이종접합 하부 태양전지를 얻었다. 이 하부 태양전지를 이용, 페로브스카이트 결합하여 적층형 태양전지를 제조하였으며, 약 12%의 효율과 1.5V의 Voc 결과를 얻었다.
The use of renewable energy as a solution to the recent global climate change and environmental pollution is attracting attention as a promising solution. Among renewable energies, especially solar energy is much more abundant and widespread than other energy resources such as hydroelectric power and wind power. Solar energy is eco-friendly, welcomed because it has no pollutants, and is currently attracting attention as the energy source with the highest potential for alternative energy. Technology development is centering on silicon solar cells. The cost of power generation should be lowered to a level lower than that of conventional fossil fuels, so that silicon solar cells can be competitive in the energy market. Recently, researchers are working on low-cost and high-efficiency solar cells. As a representative example, there is a solar cell efficiency improvement using texturing. In particular, inverted pyramid structures, rather than general pyramid texturing, have lower reflectivity and can have a significant impact on efficiency improvement. However, current inverted pyramid texturing basically uses lithography process, which causes cost problems. Current pyramid texturing using KOH solution has a problem in that it consumes a large amount of Si, which makes it difficult to apply it to current solar cells which are getting smaller and thinner. In this study, inverted pyramid etching was fabricated by MaCE process, which is chemical etching method using metal oxidation and reduction reaction, not lithography process. In addition, additive was added to the existing KOH etching, and a small pyramid was created using the masking effect. As a result, 10% reflectivity was obtained in the inverted pyramid structure produced without the lithography process. Small pyramid also reduced the consumption of Si compared with the conventional method, and the reflectance was similar. In addition, We fabricated tandem cell structure using Perovskite, which has been attracting attention for its high marginal efficiency. In order to maximize the efficiency of the tandem cell, the processes for improving the efficiency of the bottom cell were carried out and a heterojunction bottom cell with a high efficiency of 15% or more was obtained. Using this bottom cell, we synthesized tandem cell with PSK, and we obtained about 12% efficiency and 1.5V.
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