Earticle

Nowadays thin-film solar cells are increasingly used mainly because of their low cost. In recent decades the performance of these cells were significantly improved. In this work, we simulated a solar cell type GaAs using software (PC1D) to analyze certain parameters, in particular the properties of the window layer, base, emitter and BSF layer (thickness, doping ...), these parameters play a crucial role in the performance of the cell, and to optimize them, we studied their influence on the photovoltaic solar cell sizes. In order to highlight the importance of depositing a layer window type Ga 1-x Al x on GaAs solar cells, a comparison between two cells, one with no window layer, the other with a layer window, was made. The energy efficiency is increased from 24.9 registered in a cell% to 26.7% for GaAs cell Ga1-x Al x As / GaAs.

The PC1D is widely used for modeling the properties of crystalline silicon solar cell. Optimized doping profile in crystalline silicon solar cell fabrication is necessary to obtain high conversion efficiency. Doping profile in the forms of a uniform, gaussian, exponential and erfc function can be simulated using the PC1D program. In this paper, the doping profiles including junction depth, dopant concentration on surface and the form of doping profile (gaussian, gaussian+erfc function) were changed to study its effect on electrical properties of solar cell. As decreasing junction depth and doping concentration on surface, electrical properties of solar cell were improved. The characteristics for the solar cells with doping profile using the combination of gaussian and erfc function showed better open-circuit voltage, short-circuit current and conversion efficiency.

본 연구는 PC1D를 이용하여 태양전지 전류전압 특성곡선및 효율을 분석한 연구이다. 태양전지 전류전압 특성곡선에서 제4상한부분의 면적은 태양전지의 효율을 나타낸다. 곡선인자(Fill Factor)는 개방전압과 단락 전류의 곱에 대한 최대 출력전압과 최대 출력전류의 곱한 값의 비율이다. 본 논문은 태양전지의 최대 효율을 얻기 위해서 도핑 농도를 $1{\times}10^{14}cm^{-3}$부터 $1{\times}10^{17}cm^{-3}$까지 변화시키면서 태양전지의 전류전압 특성곡선 및 최대효율을 분석하였다.

높은 효율의 태양전지의 개발은 태양전지 상용화에 꼭 필요한 일이다. 고효율 태양전지 개발을 위해 태양전시 시뮬레이션 프로그램인 PC1D를 이용하여 현재 많이 사용되고 있는 p-n 접합형 실리콘 태양전지의 변환효율에 영향을 주는 요소들, 특히 웨이퍼 표면의 texturing과 doping 농도를 변화시켜 최적의 요건을 찾고자하였다. texture depth = 3um, texture angle=$80^{\circ}$, base의 비저항=$0.1{\ell}{\cdot}cm$, emitter doping 농도=$5e+18cm^{-3}$에서 20.37%의 고효율을 얻을 수 있다.

결정질 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐링과 도핑은 태양전지의 효율을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 높은 효율을 갖는 태양전지 설계를 위해 PC1D를 이용하여 텍스쳐링 사면체의 폭 및 각도, 베이스 면저항 및 농도를 조절하였다. 최적화 결과, 텍스쳐 피라미드의 폭은 $2{\sim}4{\mu}m$, 각도는 $79^{\circ}$ 베이스 면저항 $100{\Omega}/{\Box}$, 도핑 농도 $1{\times}10^{19}cm^{-3}$에서 15.06%의 변환효율을 얻을 수 있다.

결정질 실리콘 웨이퍼의 두께와 비저항은 태양전지의 효율을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 높은 효율을 갖는 태양전지 설계를 위해 태양전지 시뮬레이터인 PC1D 프로그램을 이용하여 태양전지 웨이퍼 두께, 웨이퍼 비저항, 에미터 도핑 농도를 조절하였다. 최적화 결과, 베이스층 두께 $100{\mu}m$, 비저항 $0.1{\Omega}{\cdot}cm$, 에미터층 도핑 농도 $3{\cdot}10^{18}cm^{-3}$에서 $J_{sc}=39(mA/cm^2),\;V_{oc}=734(mV),\;P_{max}=3.17(W)$, FF=74, Efficiency=21.3%의 고효율을 얻을 수 있다. 본 연구를 통하여 태양전지 설계나 제조 시에 연구비를 절감할 수 있고 높은 효율의 태양전지로 접근할 수 있다.

결정질 실리콘 웨이퍼를 이용한 고효율 태양전지를 제작하기 위해서는 반드시 고려해야 할 주요 인자들이 있다. 그 중에서도 Base resistivity, Thickness, Doping concentration, Texture size, Texture angle등의 주요 인자를 PC1D 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적화 해 보았다. 그 결과, Base resistivity값은 낮을수록 좋으나 지나치게 낮을 경우 재결합으로 인해 효율이 떨어지기 때문에 Base resistivity = $1{\Omega}{\cdot}cm$에서 최대 효율을 얻을 수 있었다. 또한, Thickness는 두꺼울수록 R=${\rho}$(L/A)의 식에 의해 직렬저항이 증가하여 효율이 감소하므로 Thickness = $200{\mu}m$ 정도가 적정 값임을 확인할 수 있었다. Doping concentration의 경우 높을수록 재결합으로 인해 효율이 떨어지며 Doping concentration = $3.69{\times}10^{-20}cm^{-3}$에서 가장 좋은 효율을 보였다. Textrure size와 Textrure angle은 그 값이 클수록 빛의 흡수 정도가 증가해 효율이 증가함을 볼 수 있었고 Textrure size = $2{\sim}4{\mu}m$, Texture angle = $79^{\circ}$에서 높은 효율을 보여주었다. 이와 같은 조건에서 고효율 태양전지를 제작을 위한 시뮬레이션을 한 결과, 16.23%의 변환효율을 얻을 수 있었다.

일반적으로 결정질 실리콘 태양전지에서는 junction depth가 얕아짐으로써 단파장 영역에서의 수집효율이 향상되고 Jsc가 상승하기 때문에 junction depth가 얕은 것이 좋다. 또, 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 낮은 재결합 속도가 필요한데 이를 위해서도 얕은 junction depth가 필요하다. 하지만 junction depth가 너무 얕으면 FF와 Voc가 낮아져 효율이 떨어지므로 junction depth를 최적화 할 필요가 있다. 본 논문에서는 PC1D 시뮬레이션을 사용하여 표면 농도를 고정시키고 junction depth를 가변하면서 이에 따른 cell의 parameter변화를 관찰하였다. 그 결과, 면저항 $120{\Omega}/{\square}$에서부터 효율이 saturation되었고, 그에 따른 parameter 값은 FF=76.28%, Jsc=$38.17mA/cm^2$, Voc=596.5V이며 junction depth가 $0.1726{\mu}m$일 때 효율은 17.37%이다.

This paper explores a control of recombination velocity for optimization the crystalline solar cell. Using PC1D simulator, the efficiency of crystalline solar cell was measured to be about 17%. The results show that the lower the front recombination velocity is, the more efficiency of crystalline solar cell improves. The work which presented here has profound implications for studies of crystalline solar cell and someday may help solve the problem of optimization for the crystalline solar cells.

다결정질 실리콘 웨이퍼의 도핑깊이, 도핑농도, 전면 재결합 속도, 면저항은 태양전지의 효율을 결정하는데 중요한 요소이다. 태양전지의 높은 효율을 얻기 위해 PC1D를 이용하여 태양전지의 에미터 도핑 깊이와 농도, 에미터 면저항, 전면 재결합 속도를 조절해 보았다. 그 결과로 최적화된 요소들은 peak doping $10^{18}cm^{-3}$, depth factor $0.5{\mu}m$, front recombination velocity $10^2cm/s$, sheet resistance $50{\Omega}/{\square}$를 얻을 수 있었다. 최적화 과정을 통하여 우리는 peak doping과 면저항이 높은 효율을 얻기 위한 중요한 요소가 된다는 사실을 알 수 있었다. 본 논문에서는 더 자세한 시뮬레이션 요소값과 그들이 태양전지에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다.

This paper presents a proper condition to achieve above 17 % conversion efficiency using PC1D simulator. Crystalline silicon wafer with thickness of $240{\mu}m$ was used as a starting material. Various efficiency influencing parameters such as rear surface recombination velocity and minority carrier diffusion length in the base region, front surface recombination velocity, junction depth and doping concentration in the Emitter layer. Among the investigated variables, we learn that 2nd doping concentration as a key factor to achieve conversion efficiency higher than 17 %.

결정질 실리콘 웨이퍼의 도핑농도와 도핑깊이, 비저항은 태양전지의 효율을 결정하는데 매우 중요한 요소이다. 높은 효율을 갖는 태양전지의 설계를 위해 PC1D를 이용해 태양전지의 에미터 도핑농도와 깊이, 베이스 비저항을 조절하였다. 최적화 결과 emitter peak doping $1\times10^{19}cm^{-3}$와 depth factor $1{\mu}m$, base $\rho$ $ 0.1\Omega$-cm, 즉 sheet resistance $69.15\Omega$/square와 $X_j$ $1.603{\mu}m$일 때 $I_{sc}$ = 5.478(A), $V_{oc}$ = 0.7013(V), $P_{max}$ = 2.828(W), FF = 73.61(%), Efficiency = 19.03(%)의 고효율을 얻을 수 있다.

Doping depth, doping concentration, and resistivity of crystalline silicon solar cell are variables which take important portion in cell's efficiency. To get highly efficient solar cell, PC1D is used to calculate $I_{sc}$, $V_{oc}$, and $P_{max}$. Depth factor, peak doping, and base resistivity was used as variables. As a result, the optimized value of emitter peak doping is $1\times10^{19}cm^{-3}$, depth factor is $1{\mu}m$, and base $\rho$ is $ 0.1\Omega$-cm. Under the optimized condition, the solar cell gets efficiency 19.03(%).

This paper presents a proper condition to achieve above 19 % conversion efficiency using PC1D simulator. Cast poly-Si wafers with resistivity of 1 $\Omega$-cm and thickness of 250 ${\mu}{\textrm}{m}$ were used as a starting material. Various efficiency influencing parameters such as rear surface recombination velocity and minority carrier diffusion length in the base region, front surface recombination velocity, junction depth and doping concentration in the Emitter layer, BSF thickness and doping concentration were investigated. Optimized cell parameters were given as rear surface recombination of 1000 cm/s, minority carrier diffusion length in the base region 200 ${\mu}{\textrm}{m}$, front surface recombination velocity 100 cnt/s, sheet resistivity of emitter layer 100 $\Omega$/$\square$, BSF thickness 5 ${\mu}{\textrm}{m}$, doping concentration 5$\times$10$^{19}$ cm$^3$ . Among the investigated variables, we learn that a diffusion length of base layer acts as a key factor to achieve conversion efficiency higher than 19 %. Further details of simulation parameters and their effects to cell characteristics are discussed in this paper.

Wafer thickness of crystalline silicon is an important factor which decides a price of solar cell. PC1D was used to fix a condition that is required to get a high efficiency in a crystalline silicon solar cell using thin wafer($150{\mu}m$). In this simulation, base resistivity and emitter doping concentration were used as variables. As a result of the simulation, $V_{oc}$=0.6338(V), $I_{sc}$=5.565(A), $P_{max}$=2.674(W), FF=0.76 and efficiency 17.516(%) were obtained when emitter doping concentration is $5{\times}10^{20}cm^{-3}$, depth factor is 0.04 and sheet resistance is $79.76{\Omega}/square$.

태양전지의 효율은 실리콘 자체의 특성에 의해서 결정 되거나 완성된 실리콘을 통해 태양전지를 제조하는 과정에서 Texturing, Coating 등을 통해 효율을 변화 시킬 수 있다. PC1D를 이용해 Texturing, Base Resistivity, Emitter Doping등을 조절해가며 고효율 태양전지를 위한 시뮬레이션을 하였다. Texture Angle이 $80^{\circ}$, Texture Depth가 2um, Base Resistivity가 0.2[${\Omega}{\cdot}cm$], Emitter Doping이 8*Exp(19)[$cm^{-3}$]일 경우 효율이 19.9%로 최적화 되었다.

Solar cell's efficiency depends on silicon's characteristic itself, or additional process such as texturing, coating, etc. Using PC1D, by adjusting Texturing, Base Resistivity, Emitter Doping, simulate many situation and observe the result. When texture Angle=$80^{\circ}$, Texture Depth=2um, Base Resistivity = 0.2, Emitter Doping = 8*Exp(19) are set, the solar cell's efficiency si 19.89%, and optimized.

PV (photovoltaic) has becoming an important industry to invest due to its high robustness and require very little maintenance which goes a long time. Solar cell fabrication involves a few critical processes such as doping to make the N-type and P-type silicon, contact metallization, surface texturization, and anti-reflection coatings. Anti-reflection coating is a kind of surface passivation which ensures the stability, and efficiency of the solar cell. Thus, I will focus on the changes happen to the solar cell due to the reflectance and anti-reflection coating by PC1D. By using the PC1D (solar cell simulation program), I would analysis the effect of reflectance on the N-type cell. At last I will conclude the result regarding what I learned throughout this experiment.

In the crystalline silicon solar cells, the full area aluminum_back surface field(BSF) is routinely achieved through the screen-printing of aluminum paste and rapid firing. It is widely used in the industrial solar cell because of the simple and cost-effective process to suppress the overall recombination at the back surface. However, it still has limitations such as the relatively higher recombination rate and the low-to-moderate reflectance. In addition, it is difficult to apply it to thinner substrate due to wafer bowing. In the recent years, the dielectric back-passivated cell with local back contacts has been developed and implemented to overcome its disadvantages. Although it is successful to gain a lower value of surface recombination velocity(SRV), the series resistance($R_{series}$) becomes even more important than the conventional solar cell. That is, it is a trade off relationship between the SRV and the $R_{series}$ as a function of the contact size, the contact spacing and the geometry of the opening. Therefore it is essential to find the best compromise between them for the high efficiency solar cell. We have investigated the optimal design for the local back contact by using PC1D simulation.