나노홀 어레이 활용 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 광포집 효율 향상

요약

페로브스카이트 태양전지는 조절 가능 밴드갭, 높은 흡수 계수, 저렴한 제조비로 실리콘 기반 탠덤 태양전지에 쓰입니다. 하지만 하부 실리콘의 상대적으로 큰 광학 굴절률이 상부 페로브스카이트 흡수층과 비교해 2단자 소자에서 상당한 반사 손실 유발합니다. 따라서 Si 하부전지 광전류 흡수 향상 위해 광관리 중요. 본 논문에서는 TiO₂ 채워진 나노홀 어레이를 하부전지 설계에 도입했습니다. 유한차분 시간영역(FDTD) 법으로 300-1100nm 범위 흡수 효율, 광전류 밀도 분석, 구조 파라미터 최적화 수행. 계산 결과 나노홀 높이 증가에 따라 광전류 밀도 포화 경향 보임. 서로 다른 파장 광자 흡수 향상 모드 전기장 분포로 직관적 분석. 이 결과 페로브스카이트/Si 탠덤 태양전지 고효율 설계 위한 실행 가능 편리한 경로 제시.

서론

태양에너지 재생 가능 청정 에너지로 인간 지속가능 발전 큰 의미. 광전 변환 효율, 제조 비용이 태양전지 산업 응용 결정 핵심 지표, 빛 에너지 직접 전기로 변환. 현재 실리콘 기반 태양전지 주류, 전세계 광전시장 90% 차지. 실리콘 태양전지 효율 25.6% 도달, 쇼클리-카이저 한계 효율(33.7%) 근접 but 제조비 여전히 높음[1, 2]. 실리콘 태양전지 발전 위해 제조비 절감, 셀 효율 향상 필요.

태양 스펙트럼 넓은 에너지 분포로 어떤 반도체 물질도 밴드갭보다 에너지 큰 광자만 흡수 가능. 따라서 태양 스펙트럼 더 잘 활용 검증된 접근법 이중접합 탠덤 태양전지 형성[3, 4]. 원리상 Si 탠덤 태양전지 태양 스펙트럼 서로 다른 부분 선택적 흡수해 단일접합 쇼클리-카이저 한계 초과 가능. 이상적 이중접합 실리콘 탠덤 태양전지 이론 한계 효율 46% 보고[5-7].

페로브스카이트 태양전지 큰 광전 잠재력, 단 몇 년 사이 성능 비약적 향상. 광전 변환 효율 2009년 3.7%서 현재 25.2%까지[8-10]. 페로브스카이트 차세대 저비용 태양전지 가장 유망 광흡수 소재 고려. 페로브스카이트 밴드갭 1.55eV일 때 800nm 미만 파장 광자 흡수, 실리콘 밴드갭 1.12eV로 태양 스펙트럼 800nm 이상 파장 흡수. 두 소재 상하 탠덤 셀 형성 시 흡수 스펙트럼 상호 보완, 태양 스펙트럼 활용도 크게 높이고 제조비 절감[11-14].

모든 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 중 2단자 모노리식 탠덤 최대 잠재력, 페로브스카이트 박막 직접 실리콘 하부전지 증착해 통합 소자 제작 가능하기 때문. Bush 등은 후면 이미터 SHJ 하부전지 p-i-n 페로브스카이트 상부전지(Eg=1.63eV) 조합 전면 전자 선택층 기생 흡수 감소로 23.6% 효율 달성. Oxford PV 2018년 28% 전력 변환 효율 달성해 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 기술 혁신 잠재력 추가 검증[15-17]. 하지만 실리콘 태양전지 한계 효율 85% 도달 대비 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀 여전히 효율 개선 여지 많음. 대부분 연구 상부전지, 터널링 접합 설계 집중, 하부전지 주로 텍스처 표면이나 SiNₓ 층으로 광흡수 개선[18, 19]. 주목할 점: 입사광 파도관 모드 결합이 선택적 흡수 향상 효과적 방법[20]. 위 목적 위해 나노홀 어레이 하부 서브셀 설계 도입. 일반 텍스처 표면 대비 실리콘 나노홀 어레이 표면 더 매끄러워 상하부전지 전류 매칭 유리[21, 22].

방법

본 서신에서 실리콘 나노홀 어레이 하부전지 페로브스카이트/실리콘 탠덤 소자 광흡수 특성 유한차분 시간영역(FDTD) 법 수치 연구. 그림 1, 2 제안된 나노홀 구조 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀 개략도, 단위 주기 측면도.

모델에서 나노홀 어레이 TiO₂ 채워 두 접합 사이 터널링 층 역할. 나노 구조 서브셀 광학 특성 집중 위해 ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂, TiO₂ 두께 각각 50nm, 10nm, 300nm, 20nm, 40nm 고정. 그림 2서 어레이 주기(P), 나노홀 직경(D), 나노홀 높이(h), 실리콘 기판 총 높이(H)로 특성화. 충진율 η=D/P 정의. 실리콘 기판 총 높이 H=1μm 고정. 셀 설계용 실리콘 및 기타 물질 광학 상수 F Miha 연구[23] 인용. x, y 방향 주기적 경계 조건, z 방향 완전 정합층 경계 조건 적용. 광원 300-1100nm 범위 평면파 소스, 나노홀 어레이 수직 z 방향 입사 고려.

상부전지 표면 위 평면 모니터 반사율(R) 기록, 실리콘 기판 바닥 두 번째 모니터 투과율(T) 기록; 페로브스카이트/실리콘 탠덤 흡수율 A(λ)=1-R(λ)-T(λ) 결정. 흡수 성능 단락 전류 밀도 Jsc 평가, 정의[14]: Jsc = (e/hc) ∫ λ A(λ) Φ(λ) dλ (1). 여기서 Φ(λ) AM1.5G 태양 에너지 밀도 스펙트럼, e 기본 전하, h 플랑크 상수, c 진공 빛 속도. 계산 시 광생성 캐리어 모두 전극 수집 가정, CH₃NH₃PbI₃, 결정질 실리콘 소수 캐리어 확산 길이 충분히 김.

결과 및 논의

나노홀 어레이가 탠덤 태양전지 광흡수에 미치는 역할 명확히 하고 광학 특성 설계 적절히 안내 위해 다른 충진율 하 나노홀 어레이 흡수 곡선 계산. 실험 시뮬레이션 과정서 300nm CH₃NH₃PbI₃ 층, 1μm 실리콘 기판 적용 광자 포집. 그림 3a, b서 하부 나노홀 높이는 각각 다른 주기 대비 600nm 고정. 충진율 0.1→0.9 증가 시 흡수 곡선 세 부분 나눔. 초기 단파장 300-600nm 범위 흡수 감소 성능. 그 후 600-850nm 범위 페로브스카이트 층 흡수 감소 관찰, 반면 공진 600nm 시작점 피크. 세 번째 부분 850-1100nm 범위, 총 세 흡수 공진 피크 포함. 페로브스카이트 층 파장 흡수 우세 한계 850nm 도달 고려 시 이 값 모델서 CH₃NH₃PbI₃ 임계 파장 간주 가능.

그림 3c서 광전류 밀도 η와 양의 상관관계, η 증가 시 증가. 고정 주기 파라미터서 전류 밀도 증가 초기 급속 성장 단계 나타, η 0.5 초과 시 AM1.5G 장단파 불균일 분포 탓 포화 구간 진입. 충진율 증가 따라 실리콘 기판 흡수 효율 향상되나 단위 주기당 실리콘 물질 감소. 따라서 실리콘 나노홀 어레이 충진율 최적값 제시 필요. 공진 흡수 피크 스펙트럼 ~1000nm 값 도달, 주기 500nm 조건 타 두 조건 대비 최대 도달 간주. 그림 3d P=500nm 조건 충진율 증가 따른 광전류 밀도 증가 곡선. 적색 선 다항식 피팅으로 얻음. 충진율 정확히 0.5 도달 시 광전류 밀도 성장 변곡점 나타남 결론.

위 분석 근거 탠덤 셀 나노홀 어레이 기반 최적 흡수 파라미터 주기 500nm, 충진율 정확히 0.5서 찾아짐. 광흡수 방출 메커니즘 추가 명확히 위해 언급 조건서 다른 나노홀 높이에 대한 흡수 스펙트럼 비교. 그림 3a, b서 나노홀 높이 증가 따른 스펙트럼 흡수, 광전류 밀도 변화 경향 각각 보임. 1000nm 파장 흡수 피크 나노홀 높이에 높은 의존성 보임, 반면 그림 4b 보인 다른 두 흡수 피크 나노홀 높이 의존성 매우 약함. 이 결과 미에 공진 지배적 흥분 나타냄. 그림 4c, d서 깊이 300nm 미만서 유의미한 전류 밀도 증가 14.53→15.68mA/cm² 관찰, h값 300nm 초과 시 거의 포화 값 도달. 나노홀 높이에 대한 약한 의존성 실제 나노홀 어레이 설계, 제조 면서 유용할 수 있음.

일반 원칙으로 빛 파동 탠덤 태양전지 계면 구조 진입 시 산란, 방출 효과 발생. 나노홀 어레이 구조 빛 파동 산란 광자 전파 경로 연장. 페로브스카이트/Si 탠덤 태양전지 나노홀 어레이 광흡수 추가 분석 위해 시뮬레이션 실험 단면 전기장 강도 분포(|E|²) 500, 600, 700, 800, 900, 1000nm 파장 선택, 높이 h=900nm 고정 설계(그림 5). x-z 평면 단위 부피당 광학 흡수 공간 프로파일 세 부분: 페로브스카이트, 나노홀 어레이, 실리콘 기판. 나노홀 어레이 부분 구조화된 실리콘 TiO₂ 채워진 나노홀과 간격, 그림 5a 점선 표시.

그림 5a, b서 상부전지 단파장(<600nm) 흡수 지배적이나 600nm 파장서 나노홀 어레이 생성 반사 방지 효과 500nm 대비 더 뛰어남. 하지만 실리콘 낮은 흡수 계수 탓 중파장(500-600nm) 흡수 평면 구조보다 낮음. 또한 주기적 나홀 존재로 상부 페로브스카이트 층 명백한 간섭 효과 관찰, 700, 800nm 빛 반사 상부전지 되돌아가 흡수 강화 의미.

페로브스카이트 850nm 급격한 흡수 에지 가정 시 900, 1000nm 파장 하부전지 전달 주로 흡수(그림 5e, f). 실리콘 나노홀 어레이 TiO₂ 충진으로 주기적 굴절률 분포 차이 하부전지 탠덤 근처 전자기장 위치 도전 모드 지지 의도, 입사광 이 도전 모드 결합 흡수 현저 증가 유도. 이 접근법 타당성 입증 위해 네 가지 다른 케이스 시뮬레이션 다른 나노홀 어레이 높이 분석. 모두 η=0.5, P=500nm 동일 나노홀 어레이 파라미터, 입사 파장 900nm 고정(그림 6). 지지 도전 모드 상호작용 나노홀 높이 증가 따라 유의미 강화됨.

결론

요약하면 본 논문 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 나노홀 어레이 조합 고효율 탠덤 소자 달성 실용적 방식 연구. 최적 나노홀 어레이 η=0.5, P=500nm서 배열 깊이 300nm 미만일 때 14.53mA/cm²→15.68mA/cm² 증가, 고효율 전제 조건 될 수 있음. 나노홀 어레이 TiO₂ 충진 도입으로 탠덤 셀 광흡수 모드 다양한 광흡수 모드 혼합 모드 전환됨 입증. 단파장 선택적 감소 단파장 광자 흡수 감소시키나 상부전지 광가둠 유도 간섭, 하부전지 굴절률 가이드 광가둠이 탠덤 선택적 흡수 유의미 강화 기능. 위 실험 결과 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 흡수 향상 유망한 방식 입증.