[논문 리뷰] Total Internal Reflection for Effectively Transparent Solar Cell Contacts

Phillip Jahelka, Rebecca Saive외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 04.

Silicon and Solar Cell Technologies참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 캡슐화재의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 삼각형 공극을 사용하여 전반사(TIR)를 유도하고, 입사광을 금속 접촉부에서 멀리 빼내어 태양전지 흡수층으로 유도함으로써 총내부반사(TIR)를 가능하게 한다. 시뮬레이션과 개념증명 실험을 통해 이 방법은 다양한 입사각에서 반사 손실을 감소시키고 광전류를 향상시키며, 공간적으로 분해능이 높은 레이저 빔 유도 전류(LBIC) 측정을 통해 버스바 영역에서 효과적인 전류 수확이 크게 증가했음을 확인한다.

ABSTRACT

A new strategy for eliminating photocurrent losses due to the metal contacts on the front of a solar cell was proposed, simulated, and tested. By placing triangular cross-section lines of low refractive index on top of the contacts, total-internal reflection at the interface of the low-index triangles and the surrounding material can direct light away from the metal and into the photoactive absorber. Simulations indicated that losses can be eliminated for any incident angle, and that yearly energy production improvements commensurate with the metallized area are possible. Proof of principle experiments were carried out to eliminate the reflective losses of a commercial solar cell's busbar contact. Spatially resolved laser beam induced current measurements demonstrated that reflection losses due to the busbar were reduced by voids with triangular cross-section.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 태양전지의 전면 금속 접촉부로 인한 광전류 손실을 해결하여 효율을 높이고 비용 절감을 촉진하기 위해.
• 태양전지 내부 구조를 변경하지 않고 총내부반사(TIR)를 이용해 입사광을 금속 접촉부에서 멀리 빼내는 방법을 개발하기 위해.
• 기존 상용 태양전지 제조 공정과 호환되며, 확장 가능한 간단한 솔루션을 제공하여 에너지 수확을 향상시키기 위해.
• 프로토타입 구조에서 공간적으로 분해능이 높은 레이저 빔 유도 전류(LBIC) 측정을 통해 개념을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 삼각형 단면을 가진 공극을 사용하며, 이는 둘레의 캡슐화재(ne)보다 낮은 굴절률(nt < ne)을 가져, 삼각형과 캡슐화재의 인터페이스에서 총내부반사(TIR)를 유도한다.
• 스넬의 법칙을 적용하여 TIR가 발생하기 위한 임계각 조건을 유도하며, 이는 입사광이 금속 접촉부를 통해 빠져나가지 않고 태양전지로 반사되어 들어가도록 보장한다.
• 삼각형의 기하학적 형상(높이 h, 너비 w)과 굴절률 대비 차이(nt < ne)를 조절하여 넓은 입사각 범위에서 TIR를 유도하도록 설계한다.
• 이론적 모델링과 LightTools 시뮬레이션을 통해 다양한 태양광 각도에서 광전류 향상과 연간 에너지 수확 향상을 예측한다.
• 개념증명 실험은 버스바 위에 삼각형 공극을 가진 3D 프린팅된 PDMS 몰드를 사용하여 빛의 방향 전환을 시험하였으며, 반사 현미경과 공간적으로 분해능이 높은 LBIC를 통해 결과를 검증하였다.
• 이 기법은 기존 상용 태양전지 제조 공정과 캡슐화재와 호환되도록 설계되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 총내부반사(TIR)를 이용해 금속 접촉부에서 빛을 멀리 빼내어 흡수층으로 유도함으로써 반사 손실을 제거할 수 있는가?
• RQ2 넓은 각도 범위에서 TIR를 달성하기 위해 필요한 기하학적 및 광학적 파rameter(굴절률 대비 차이, 삼각형의 비율, 입사각)는 무엇인가?
• RQ3 이 방법은 저비용이며 쉽게 확보할 수 있는 재료와 표준 측정 기법을 사용하여 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 기존 캡슐화 방식과 비교해 이 방법이 연간 에너지 생산에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 이 설계는 장기적인 모듈 신뢰성에 어떤 영향을 미치며, 특히 기체 확산 또는 이질화 위험 측면에서 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과, 굴절률 대비 차이와 기하학적 형상이 적절히 매칭되면 제안된 삼각형 공극이 임의의 입사각에서 반사 손실을 완전히 제거할 수 있음을 보여준다.
• 이론적 분석은 삼각형/캡슐화재 인터페이스에서 입사각이 임계각을 초과할 경우 TIR가 발생하며, 이 임계각은 굴절률 대비 차이와 삼각형 기하학적 형상에 의해 결정됨을 확인한다.
• 공간적으로 분해능이 높은 레이저 빔 유도 전류(LBIC) 측정 결과, 삼각형 공극이 존재할 경우 버스바 영역에서 광전류가 뚜렷하게 증가함을 보여주며, 금속 손가락 접촉부가 반사된 빛 덕분에 삼각형을 관통하는 것처럼 보임을 확인한다.
• 반사 현미경과 LBIC 영상은 삼각형 공극이 실리콘으로 빛을 효과적으로 유도하여 금속 접촉부에서 발생하는 손실을 줄임을 보여준다.
• 이 기법은 입사각에 독립적이며 상용 태양전지와 호환되며, 메탈라이제이션 면적 비례로 연간 에너지 수확을 크게 향상시킬 수 있다.
• 3D 프린팅된 PDMS 몰드를 사용한 실험적 검증을 통해, 고급 리소그래피가 필요 없이 최소한의 제조 복잡성으로 개념을 입증하였다.