나노기술 및 정책 정보

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실리콘 태양 전지는 이제 매우 저렴하고 효율적이어서 2센트/kWh 미만의 가격으로 전기를 생산할 수 있음. 오늘날 가장 효율적인 실리콘 태양 전지는 10nm 미만의 얇은 선택적 비정질 실리콘(a-Si : H) 접촉 층으로 만들어지며, 이는 광 생성 전하를 분리하는 역할을 함.

이러한 실리콘 이종 접합 태양 전지를 사용하여 HZB에서 24% 이상의 효율을 달성하며, 또한 최근 보고된 29.15%의 효율 기록으로 이어지는 직렬 태양 전지의 일부임(A. Al-Ashouri, et al. Science 370, (2020) )).

단일 접합 실리콘 태양 전지에 대한 일본의 현재 세계 기록도 이 헤테로 접촉을 기반으로 함(26.6 % : K. Yoshikawa, et al. Nature Energy 2, (2017)).

이러한 이종 접촉 시스템과 관련하여 여전히 상당한 효율 잠재력이 있지만, 이러한 층이 전하 캐리어 분리를 가능하게 하는 방법과 나노 손실 메커니즘이 무엇인지는 아직 자세히 이해되지 않았음. a-Si : H 접촉 층은 고유한 장애가 특징이며, 한편으로는 실리콘 표면의 우수한 코팅을 가능하게 하여 계면 결함 수를 최소화하지만 다른 한편으로는 국부적인 재결합 전류와 수송 장벽의 형성을 한다는 단점이 있음.

독일 헬름홀츠 베를린 재료에너지 센터(HZB)와 유타 대학의 연구진은 c-Si와 a-Si : H 사이에서 이러한 누설 전류가 어떻게 형성되는지, 그리고 태양 전지 성능에 어떤 영향을 미치는지 원자 수준에서 실험적으로 측정함.

유타 대학의 Christoph Boehme 교수와 HZB의 Klaus Lips 교수가 이끄는 공동 연구를 통해 초고 진공 전도성 원자력 현미경 (cAFM)을 사용하여 나노 미터 스케일에서 위에서 언급한 실리콘 이종 접촉의 인터페이스에서 손실 메커니즘을 해결할 수 있었음.

물리학자들은 누설 전류가 선택적 a-Si : H 접촉을 관통하고 태양 전지에서 손실 프로세스를 생성하는 위치를 원자에 가까운 분해능으로 결정할 수 있었음. cAFM에서 이러한 손실 전류는 나노 미터 크기의 전류 채널로 나타나며 비정질 실리콘 네트워크의 장애와 관련된 결함의 지문임.

이러한 결함은 전하가 선택적 접촉을 관통하고 재결합을 유도하기 위한 디딤돌 역할을 하며, 이를 트랩 지원 양자 기계 터널링이라고 함. 이러한 상태가 a-Si : H에서 가시화되는 것은 이번이 처음임. 그리고 연구진은 최고 품질의 태양 전지의 작동 조건하에서 손실 메커니즘을 풀 수 있었다고 설명함.

연구진은 또한 채널된 암전류가 시간이 지남에 따라 확률적으로 변동한다는 것을 보여줄 수 있었음. 결과는 터널링 상태(디딤돌)의 에너지적인 위치를 변경하는 인접 결함에 갇혀있는 국소 전하에 의해 야기되는 단기 전류 차단이 존재함을 나타냄. 이 트랩된 전하는 전류 채널의 국부 광 전압이 1V 이상으로 상승할 수 있는데, 이는 거시적 접촉으로 사용할 수 있는 것보다 훨씬 높음.

연구진은 나노에서 매크로 세계로의 전환에서 이종 접합의 흥미로운 물리학과보다 목표된 방식으로 실리콘 태양 전지의 효율성을 더욱 향상시키는 방법에 대한 핵심을 발견했다고 설명함.

본 연구 성과는 ACS Applied Nano Materials ("Imaging of Bandtail States in Silicon Heterojunction Solar Cells: Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics")에 게재됨.