외부 양자 효율 - 고효율 태양전지를 만들기 위한 최고의 도구

태양전지의 양자효율은 얼마인가? 입사 광자에 의해 생성된 전자 수로 정의되는 정의입니다. 이는 연구자들이 각각 또는 특정 파장에서 태양전지의 품질을 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.

양자 효율 QE는 입사 광전자 변환 효율 IPCE(Incident Photon-Electron Conversion Efficiency)라고도 알려진 외부 양자 효율 EQE를 의미합니다.

QE=EQE=IPCE

​외부 양자 효율 EQE는 입사된 총 광자 수에 의해 생성된 전자 수를 계산합니다.

​예를 들어, 태양전지에 총 10개의 광자가 입사하고, 2개의 광자가 태양전지 표면에 반사되어 최종적으로 6개의 전하가 생성된다고 가정해보자. 따라서 이 태양전지의 외부양자효율은 다음과 같이 정의된다:

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양자 효율을 계산하는 방법은 무엇입니까? (양자효율의 공식)

스펙트럼 응답과 양자 효율 간의 변환은 다음 공식으로 작성할 수 있습니다:

이 중 P(λ)는 각 파장의 입사광 에너지, 단위는 와트(Watt), I(λ)는 태양전지가 입사광을 받은 후 변환한 전류, 암페어(Amp) 단위, q는 전자량 , h는 판자 상수, v는 광자 주파수, λ는 입사 광자의 파장(nm)입니다.

​SR(Spectral Response)은 광방사선 검출 장치(예: 광검출기, 광도계, 태양전지 등)의 광전 변환 능력, 즉 입사 광전자 변환 효율(IPCE)을 평가하는 지수입니다.

​위에서 설명한 바와 같이, 태양전지의 양자효율은 입사된 광자에 의해 생성된 전자이며, 이를 외부양자효율(EQE)이라고도 합니다. 따라서 양자 효율의 공식은 다음과 같습니다:

그림 1. 스펙트럼 응답(SR)과 외부 양자 효율(EQE) 간의 변환.

양자 효율이 고효율 태양전지를 만드는 데 가장 적합한 도구인 이유는 무엇입니까?

양자 효율/스펙트럼 응답은 다양한 파장에서 태양전지의 광전 변환 효율을 반영합니다. 태양전지의 변환효율은 셀 자체의 재질, 제조공정, 구조 등의 요인에 의해 영향을 받기 때문에 파장이 다르면 변환효율도 달라집니다. 스펙트럼 응답/양자 효율 측정 기술을 이용하여 다양한 조건에서 태양전지의 변환 효율 변화를 감지하고 분석하여 공정의 장단점을 분석하고 효율 향상과 관련된 핵심 요소를 찾아냅니다.

​다양한 파장 범위는 다양한 태양전지 층의 구조와 제조 공정을 나타냅니다. 스펙트럼 응답 결과를 통해 다양한 제조 공정에서 태양전지의 장단점을 쉽게 분석할 수 있으며, 이는 효율성 향상을 위한 지침입니다.

​양자효율/스펙트럼 응답/IPCE 스펙트럼은 태양전지 각 층의 특성을 반영합니다. 실리콘 태양전지를 예로 들면, 입사 인터페이스에서 인터페이스 반사가 발생합니다. 일반적으로 UV 및 적외선 파장 대역의 반사로 인한 손실이 더 크고, 가시광선 파장 대역의 손실이 가장 낮습니다.

​350 nm ~ 500 nm 대역에서는 파장이 증가함에 따라 스펙트럼 응답 곡선이 증가합니다. pn 접합에 가까울수록 장파장 광자의 침투 깊이가 깊어지기 때문에 변환 효율이 향상됩니다. 일반적으로 가장 효율적인 부분은 PN 접합의 밴드에 있는데, 그 이유는 pn 접합의 내부 전계가 광자를 흡수한 후 전자-정공 쌍을 효율적으로 분해할 수 있기 때문입니다. 따라서 500~800nm 대역에서 효율이 가장 높으며 이는 pn 접합층의 특성을 반영한다. 800~1100 nm 파장 범위는 가장 낮은 p층까지 침투합니다. 그림 2의 단결정 실리콘 태양전지의 외부 양자 효율을 이용하여 각 층의 반응 특성을 관찰할 수 있습니다.

그림 2. 실리콘 태양전지의 양자효율 스펙트럼과 파장별 응답 모식도. 그림은 실리콘 태양전지의 구성요소 구조를 보여줍니다.

그림 3은 두 가지 서로 다른 공정을 통해 두 실리콘 결정 셀의 측정된 스펙트럼 응답 A와 B를 보여줍니다. 스펙트럼 응답 결과를 보면 주로 700~1100 nm 대역에서의 변환으로 인해 셀 A의 효율이 더 높다는 것을 알 수 있습니다. 효율은 B 셀보다 높으며 이로 인해 발생하는 단락 전류는 B 셀보다 0.897mA/cm2 더 높습니다. 그러나 300~500 nm 파장 범위에서 A의 효율은 B 셀의 효율보다 약간 낮으며, 단락 전류 밀도는 B 셀의 효율보다 0.675 mA/cm2 낮습니다. 따라서 셀 A의 전체 단락 전류 밀도는 셀 B(0.897-0.675)=0.222mA/cm2보다 여전히 높습니다.

그림 3. 다양한 제조 공정 조건에서 태양전지 스펙트럼 반응과 AM1.5G의 개략도.

스펙트럼 응답을 양자 효율로 변환하면 다음 그림 4를 얻을 수 있습니다. 300 nm ~ 500 nm에서는 A 셀의 효율이 B 셀의 효율보다 낮습니다. A셀의 효율을 더욱 향상시키기 위해서는 효율향상 방향으로 반사방지층(300nm~350nm)과 n층(350nm~500nm) 공정에 주목해야 한다.

그림 4. 프로세스가 서로 다른 두 셀의 양자 효율 스펙트럼.

위의 테스트를 수행하려면 당사 제품을 사용하는 것이 유용합니다. 인틴스(INTINS)가 개발한 ELQ 시리즈는 태양전지 성능에 대한 상세한 통찰력을 제공하는 능력으로 업계에서 주목을 받아왔다. ELQ(Electroluminescent and Quantum Efficiency)는 태양전지의 효율과 내구성을 측정하는 최첨단 기술입니다. ELQ 시리즈는 전자발광 이미징과 양자 효율 측정을 결합하여 태양전지 성능에 대한 포괄적인 평가를 제공합니다. 무엇보다도 저렴한 가격대, 높은 정확성과 효과적인 테스트 소프트웨어, EQE 측정 프로세스를 더 쉽게 만들어주는 사용자 친화적인 인터페이스를 갖추고 있습니다.

그림 5. 인틴스가 개발한 ELQ 시리즈

요약하면, 오늘날 경쟁이 치열한 태양광 산업에서는 비용을 지속적으로 절감하고 태양광 변환 효율을 향상시키는 것이 중요합니다. 태양전지 변환효율 향상의 핵심은 제조공정과 소재 개선에 있다. 태양전지의 양자 효율/스펙트럼 응답/IPCE를 측정하면 다양한 빛의 파장에서 태양전지의 광전 변환 효율을 이해할 수 있습니다. 사용자는 프로세스에서 문제를 빠르게 찾아내고 스펙트럼 피드백 결과를 기반으로 이를 개선할 수 있어 효율성 향상에 더욱 유리합니다.