전 세계적으로 페로브스카이트 태양광 전지의 효율 향상을 위해 노력하고 있으며, 그중에서도 탠덤 태양 전지(TSC)는 높은 효율, 낮은 열 손실, 그리고 손쉬운 집적화로 인해 연구의 주요 분야로 떠오르고 있습니다. 본 논문은 양면 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지의 최적화 경로를 체계적으로 분석하며, 효율 향상에 있어 IBC 구조와 격자 설계의 역할에 초점을 맞춥니다.

태양 전지 구조 및 재료 선택

알베도 반사 하에서 4단자 양면 페로브스카이트/결정질 실리콘 적층 태양 전지 구조의 개략도

상위 페로브스카이트 셀:

활성층: Cs₀.₀₅MA₀.₁₅FA₀.₈Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃ (밴드갭 1.62 eV)

수송층: SnO2(ETL)/NiOX(HTL) 조합, 저온 공정 호환성 및 높은 안정성

전극 : 양면 ITO (30nm 음극/200nm 양극)

혁신적인 디자인: IBC 구조는 격자 기능(주기 Pg=700nm, 폭 Wg=350nm)을 모두 갖추고 있습니다.

하단 실리콘 이종접합 셀:

접촉층 : 200nm Al 전극(각각 n/p 영역 연결)

캐리어 선택층: n형 aSi(20nm, 도핑 1.5×1019cm-3) 및 p형 aSi(20nm, 도핑 2×1019cm-3)

패시베이션층: 5nm 고유 aSi(i-aSi)

흡수층 : 300 μm n형 결정질 실리콘(5×1015cm-3 도핑)

계면층 : 1nm 결함 실리콘(시뮬레이션 계면 재결합)

중간 연결 계층:

광결합층 : 150 nm SiO₂ (굴절률 매칭)

전기 절연층: 50 nm SiO₂ (파괴 전계 강도 >10 MV/cm)

각 층의 광전 특성 파라미터 셀

설계된 태양전지의 에너지 밴드 구조 개략도 (a) 상부 셀, (b) 하부 셀

시뮬레이션 방법 및 매개변수 설정

광학 시뮬레이션: 300 파장 영역에서의 흡수 특성–1200nm는 유한차분시간영역법(FDTD)을 사용하여 계산됩니다.

캐리어 전송 및 재결합: 드리프트-확산 방정식에 의해 시뮬레이션된 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

트랩 지원 재결합: 페로브스카이트 층의 캐리어 수명 τₙ=τₚ=40ns (N을 기준으로 계산됨)ₜ=1×1015cm-3 및 σₙₚ=2.5×10-15cm2).

오거 재결합: 페로브스카이트 Cₙ=Cₚ=4.4×10-29cm6/초.

복사 재결합: 페로브스카이트 Cᵣ=5.3×10-11 cm3/초.

알베도 반사 시뮬레이션: 다양한 지면 유형(아스팔트, 콘크리트, 눈 등)을 고려하여 AM1.5G 스펙트럼 강도는 계수 0.1로 조정됩니다.–0.8.

최상단 셀 반사 방지층(ARC) 최적화

최적 두께 지점에서의 페로브스카이트층의 투과 스펙트럼

이중층 ARC(LiF/TiO2)는 350에서 더 높은 투과율을 갖습니다.–800nm ​​대역(96% 대 93%).

최적 두께: LiF(100nm)/TiO2(22nm).

상단 셀 백 접촉 격자 설계

광전류 밀도(Jph)와 상부 셀 후면 접촉 격자 주기(Pg) 및 폭 대 주기 비율(Wg/Pg) 간의 관계

(a) 단락 전류 밀도(Jsc), (b) 광전 변환 효율(PCE), (c) 개방 회로 전압(Voc), (d) 충전 인자(FF)의 색상 매핑은 후면 접촉 격자 주기(Pg)와 폭-주기 비율(Wg/Pg)에 따라 달라집니다.

최적 매개변수: Pg=0.4일 때 μm 및 Wg/Pg=0.4일 때, 상부 셀 광전류(Jph)는 20.3 mA/cm에 도달합니다.².

준전류 매칭: Pg=0.7일 때 μm 및 Wg/Pg=0.5, 상단/하단 셀 Jph는 가깝습니다(19.45/19.91 mA/cm²).

상위 셀 성능 분석

(에이) (Pg, Wg/Pg) 매개변수 그룹의 전류밀도-전압(JV) 특성 곡선;

(b) 전기화학 임피던스 분광법(EIS)의 나이퀴스트 플롯

다양한 회절격자 매개변수 조합(Pg, Wg/Pg) 하에서의 흡수 스펙트럼 및 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼; (d) 해당 매개변수 그룹의 반사 및 기생 흡수 광전류 밀도 손실

최적 구조(Pg=0.7) μm, Wg/Pg=0.5):

높은 합성 저항(Rrec=1.92 M)Ω), 낮은 직렬 저항(Rs=12.95) Ω).

가장 높은 개방 회로 전압(Voc=1.196V), PCE는 최대 19.3%입니다.

구조가 좋지 않음(Pg=0.2) μm, Wg/Pg=0.6): PCE는 6.23%에 불과하고 FF는 최저 45%에 불과합니다.

하단 셀 반사 방지층(ARC) 최적화

(a) 이중층(SiO₂/이산화티타늄₂) 구조;

(b) 실리콘층 표면에 대응하는 반사 스펙트럼

SRV가 전기적 매개변수에 미치는 영향 곡선

이중층 ARC(SiO2/TiO2)의 최적 두께는 SiO2=92nm, TiO2=52nm이며, 광투과율은 94%로 증가한다.

효과: PCE는 10.81%로 증가하고 Jsc는 9% 증가합니다.

하단 셀 후면 접촉 격자 설계

n형 비정질 실리콘 폭(nw)과 갭 폭(Gw)을 이용한 필 팩터(FF)의 색상 매핑

최적 매개변수: nw=400 μm(기간의 20%), Gw=1280 μm (80%).

효과: PCE는 9.94%에 도달합니다(Jsc=16.55 mA/cm², Voc=0.734V).

비교: 너무 큰 nw(1600 μm)은 홀 추출을 감소시키고 PCE는 7.14%에 불과합니다.

하부 셀 성능 분석

다양한 반사율에서의 PCE 비교 막대 그래프

(a) 다양한 알베도 반사 조건에서의 전류 밀도-전압(JV) 특성 곡선, (b) 평균 알베도 및 무알베도 조건에서의 JV 특성 곡선 비교

높은 반사 환경(예: 80% 눈): PCE는 16.59%에 도달하며, 이는 아스팔트(10% 반사)보다 53% 높습니다.

일반적인 어두운 모래(30% 반사): 반사가 없는 경우에 비해 Jsc와 PCE가 각각 43%와 46% 증가합니다.

최고의 성능

상단 셀: 이중층 ARC + 격자의 최적 조합(Pg=0.7) μm, Wg/Pg=0.5), 높은 광투과율, 낮은 반사율(3.5 mA/cm)을 고려² 손실)과 효율적인 요금 징수를 가능하게 합니다.

하단 셀: IBC 기하학 최적화(Gw 최대화)와 이중층 ARC를 통해 눈과 같은 반사율이 높은 환경에서 PCE가 16.59%에 도달할 수 있습니다.

전체 효율: 상단 셀과 결합 후 전체 효율은 30%를 초과하며, 이는 평면 구조로 적층된 셀 중 가장 높은 수준입니다.