현재 태양광 시장에서는 고출력 및 고효율 태양 전지를 생산하기 위해 PERC 셀 기술을 사용하고 있습니다. 이 아티클에서는 결정계 태양전지의 주류 제품으로 시장에서 높은 점유율을 보인 제품들 중에서 PERC 태양전지에 대해서 설명을 하고자 합니다.
PERC는Passivated Emitter and Rear Cell 혹은 Passivated Emitter and Rear Contact의 약자입니다. 현재 대부분은 태양전지 제조업체가 이 기술이 적용된 태양전지를 생산하고 있습니다. PERC 제품 이전에는 표준 태양전지로 BSF(Back Surface Field)라는 제품이 30여년간 사용되었고 그림 1에서 나타낸대로 2021년도에도 BSF제품은 10%의 점유율을 보이고 있습니다.
트렌드에서 보는 바와 같이 산업계의 주요제품은 새로운 후면 구조를 갖는 PERC입니다. 2021년 기준으로 80% 이상의 점유율을 보이고 있습니다. PERC 제품을 이해하기 위해서 먼저 표준적인 태양전지인 BSF의 구조를 알아 보겠습니다.
그림2에서 보인 Standard Solar Cell 구조는 아래와 같습니다.
– Screen Printed Ag Paste 생성된 전류를 가져오기 위한 전극 형성에 Ag(은) Paste와 Al(알루미늄) Paste 사용
– Anti Reflective Coating (ARC) 태양광이 실리콘 내부로 많이 입사되도록 사용되는 반사 방지막
– Phosphorous Diffused, Boron Doped Silicon Wafers P-N 정션을 형성하여 생성된 전류가 전압을 갖음
– Aluminum Back Surface Field (Al-BSF) 후면 알루미늄은 전극을 위해서 필요. 알루미늄과 실리콘의 결합으로 후면에 전기장 형성
– Screen Printed Al paste 전극은 스크린 프린팅 방식으로 형성. 프린팅 이후에 고온 열처리를 통해서 낮은 저항의 전극이 형성
엔지니어들은 이 BSF 구조에서 더 많은 출력을 얻기 위해서 PERC이라는 구조를 개발했고, 이는 후면에서 장파장 빛에 대한 재반사를 통해서 출력 증가를 얻었고 생성된 전자가 출력에 기여할 수 있도록 후면 결함을 최소화시키는 구조로 그림 3과 같이 개발되었다.
PERC라는 제품이외에도 PERL, PERT, PERF라는 태양전지 기술도 있는데 후면을 개선했다는 점에서 비슷한 개념의 제품으로 간주할 수 있습니다. PERC 전지 구조의 주요 장점은 앞에서 설명했듯이 제조업체가 물리적 한계에 도달한 표준 태양전지(BSF)보다 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 현재 기술 발전 상태로 보면 BSF 대배 절대 셀 효율이 최대 1% 높습니다. 이는 모듈 제품에서 2 Class(10와트)가 높은 제품 생산이 가능하다는 것을 의미입니다. 제조 공정에서 추가 공정 및 추가 설비가 필요하지만 셀 효율이 향상되어서 여기에서 얻는 이익이 비용보다 큽니다.
태양광 분야에서는 원가를 나타내는 단위가 $/W입니다. 이는 1 와트(Watt)를 만드는데 몇 $가 비용으로 들었는지를 나타냅니다. BSF 대비 PERC는 1와트 생산 비용이 늘어나지만 출력 자체도 늘어나기 때문에 $/W는 동등이거나 혹은 기존 대비 더 낮은 수치가 나옵니다. (더 높은 수치가 나오면 이는 경제성이 낮은 것을 의미합니다.) 이 아티클에는 분모에 해당하는 출력을 높이는 기술에 촛점을 두고 이야기 하고 있습니다.
PERC 태양전지는 실제로 전혀 새로운 것이 아닙니다. 1983년 호주의 UNSW 대학에서 시작되었으며 첫 번째 논문[1]이 1989년에 출판되었습니다. 이 전지 개념은 고효율에 도달할 수 있는 최고의 잠재력을 제공했기 때문에 UNSW는 이를 사용하여 셀 효율에 대한 여러 세계 기록을 달성하여 25% 기록을 세우기도 했습니다[2]. 다른 두 경쟁 기술은 Sunpower에서 대중화된 Back Contact 기술과 Panasonic에서 상용화한 HIT 기술이 있는데 현재 태양광 시장에서 그림 1과 같이 PERC가 주류입니다.
BSF 태양전지 구조는 1980년대 중반부터 사용되었습니다. 그 이후로 이 기술은 전면 접촉을 형성하기 위한 향상된 페이스트, 더 얇은 접촉 핑거, 최적화된 반사 방지 코팅으로 점진적 개선을 거쳤습니다. 업계에서 연구 수준에서 달성한 효율성을 거의 따라잡는 데 거의 30년이 걸렸습니다. 그림 4는 기술 향상을 위한 태양광 산업의 역사적 이력을 요약한 것입니다.
새로운 제품이 개발이 되면, 새로운 품질 이슈가 동반되기도 합니다. 첫번째로는 빛에 의한 열화와 관련이 있습니다. LID(Light Induced Degradation)는 모듈이 빛에 처음 노출된 후 전력의 일정 비율을 잃게 하는 효과인데요, 모듈 제품의 데이터시트를 보면 첫해 2%이내의 출력 손실이 발생하고 매년 일정 비율로 출력이 낮아질 것이라고 표기합니다.
PERC 셀은 BSF 대비 LID에 더 취약합니다. 특히 다결정 PERC에 대해 LID 문제에 대해서 수많은 논문과 기사가 있습니다.[5]. 이러한 결함이 발전소의 성능을 손상시킬 수 있는 문제이어서 중요합니다.
현재 산업계에서는 모노 웨이퍼를 사용하는 PERC제품에 대해서는 Regenerator라는 추가 공정을 사용해서 LID를 막거나 혹은 웨이퍼 자재를 갈륨 도핑된 것을 사용함으로써 개선을 하고 있습니다.
참고문헌
| [1]: A.W.Blakers, A.Wang, A.M.Milne, J.Zhao, M.A.Green, 22.8%Efficient Silicon Solar Cell, Appl. Phys. Lett. 55 (1989) 1363–1365. [2]: Zhao J; Wang A; Keevers MJ; Green MA, 2000, High efficiency PERT cells on SEH p-type Si substrates and PERT cells on SHE n-type Si substrates[3]: M.A. Green, The Passivated Emitter and Rear Cell(PERC):From conception to mass production, Solar Energy Materials & Solar Cells 143 (2015) 190–197[4]: M.A. Green, Forty Years of Photovoltaic Research at UNSW, Journal and Proceedings of the Royal Society of New South Wales, vol. 148, nos. 455 & 456, pp. 2-14[5]: https://www.aleo-solar.com/perc-cell-technology-explained/ |