[논문 리뷰] Silicon solar cells efficiency analysis. Doping type and level optimization

А. В. Саченко, V. P. Kostylyov외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 09.

Silicon and Solar Cell Technologies참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 철(Fe) 관련 쇼크 ley-리드-홀 재결합이 지배적인 조건에서 실리콘 태양전지의 n형 및 p형 기반의 효율성을 분석하며, 도핑 유형과 농도 최적화에 초점을 맞춘다. 이는 비대칭 재결합 매개변수로 인해 n형 전지가 높은 도핑 농도에서 효율이 향상되는 반면, p형 전지는 동일한 조건에서 효율이 떨어짐을 보여주며, 실험적 HIT 전지 데이터를 통해 표면 재결합 속도와 시리즈 저항의 정확한 일치를 통해 이론적 예측을 확인한다.

ABSTRACT

The theoretical analysis of photovoltaic conversion efficiency of highly effective silicon solar cells (SC) is performed for n-type and p-type bases. The case is considered when the Shockley-Read-Hall recombination in the silicon bulk is determined by the deep level of Fe. It is shown that due to the asymmetry of the recombination parameters of this level the photovoltaic conversion efficiency is increasing in the SC with the n-type base and decreasing in the SC with the p-type base with the increase in doping. Two approximations for the band-to-band Auger recombination lifetime dependence on the base doping level are considered when performing the analysis. The experimental results are presented for the key characteristics of the solar cells based on $α-Si:H-n-Si$ heterojunctions with intrinsic thin layer (HIT). A comparison between the experimental and calculated values of the HIT cells characteristics is made. The surface recombination velocity and series resistance are determined from it with a complete coincidence of the experimental and calculated SC parameters' values.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 태양전지에서 도핑 유형(n형 대비 p형)과 농도가 태양전지 효율에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Fe 관련 깊은 수준 재결합(쇼크리-리드-홀)이 n형 및 p형 기반 간 효율 차이를 결정하는 데 미치는 역할을 분석하는 것.
• 두 가지 근사치를 사용하여 도핑 농도에 따른 밴드 간 오퍼 재결합 수명의 의존성을 모델링함으로써 도핑 농도를 최적화하는 것.
• 이론적 예측을 α-Si:H/i-n-Si 이종접합 태양전지(HIT 구조)의 실험 데이터와 비교 검증하는 것.
• 실험과 시뮬레이션 간의 핵심 장치 매개변수인 표면 재결합 속도 및 시리즈 저항을 추출하고 일치시키는 것.

제안 방법

• 철(Fe)을 주요 깊은 수준으로 하는 쇼크리-리드-홀 재결합을 사용한 태양전지 효율 이론적 모델링.
• 기반 도핑 농도에 따른 밴드 간 오퍼 재결합 수명의 의존성에 대해 두 가지 다른 근사치 적용.
• 동일한 재결합 조건과 도핑 조건에서 n형 및 p형 실리콘 기반의 태양전지 성능을 시뮬레이션하는 것.
• α-Si:H/i-n-Si 이종접합 태양전지의 실험 데이터와 비교하여 계산된 개방 전압, 단락 전류 및 전면 계수를 분석하는 것.
• 이론적 곡선을 실험적 I-V 특성에 맞추어 표면 재결합 속도 및 시리즈 저항을 추출하는 것.
• 실험과 계산된 매개변수 간 완전한 일치를 모델 검증 기준으로 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철(Fe) 관련 쇼크리-리드-홀 재결합이 지배적인 조건에서 도핑 유형(n형 대비 p형)이 태양전지 효율에 미치는 영향은 무엇인가요?
• RQ2 동일한 재결합 조건에서 왜 도핑을 높이면 n형 전지의 효율은 향상되지만 p형 전지의 효율은 악화되는가요?
• RQ3 오퍼 재결합 수명에 대한 서로 다른 근사치가 도핑 농도에 따른 예측 효율 추세에 미치는 영향는 어떠한가요?
• RQ4 이론적 모델이 인광성 암표면 실리콘 층을 가진 HIT 태양전지의 실험적 특성을 어느 정도 재현할 수 있나요?
• RQ5 HIT 전지에서 이론과 실험 간 완전한 일치를 이루기 위해 필요한 표면 재결합 속도 및 시리즈 저항 값은 무엇인가요?

주요 결과

• 철(Fe) 관련 깊은 수준의 비대칭 재결합 매개변수로 인해, n형 실리콘 태양전지는 높은 도핑 농도에서 효율이 증가하는 반면, p형 전지는 효율이 감소한다.
• α-Si:H/i-n-Si 이종접합 태양전지에서의 실험 데이터와 이론적 예측이 밀도적으로 일치하여 모델의 타당성을 확인한다.
• 실험적 I-V 곡선에서 추출한 표면 재결합 속도 및 시리즈 저항 값은 이론적 시뮬레이션에서 사용된 값과 완전히 일치한다.
• 두 가지 오퍼 재결합 수명 근사치는 유사한 정성적 추세를 보이며, 효율 분석의 강건성을 뒷받침한다.
• 계산된 태양전지 매개변수(Voc, Isc, FF)와 측정된 값 간의 완전한 일치는 모델이 장치 성능을 예측하는 데 있어 정확하다는 것을 검증한다.
• 본 연구는 철 오염이 존재하고 도핑이 최적화된 조건에서 n형 실리콘은 p형 실리콘보다 고효율 태양전지에 더 유리하다는 것을 확인한다.