KR20230091646A - Measuring method for recombination loss of silicon solar cell and designing method for silicon solar cell using the same - Google Patents

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KR20230091646A
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modeling
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송희은
강민구
박성은
정경택
이상희
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 MIGS(metal induced gap states)를 계산하는 단계; 실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 DBS(dangling bond states)를 계산하는 단계; 및 MIGS와 DBS를 비교하여 MIGS에 의한 재결합과 DB(dangling bond)에 의한 재결합을 비교하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 실리콘-금속 계면에 대한 MIGS와 실리콘 표면에 대한 DBS를 비교하여, MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합이 차지하는 비중을 비교할 수 있는 효과가 있다.
또한, MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합의 영향을 계측함으로써, 실리콘 태양전지를 설계하는 과정에 재결합 손실에 대한 정보를 반영할 수 있는 효과가 있다.
An object of the present invention is to provide a method for measuring recombination loss of a silicon solar cell.
To this end, the present invention calculates metal induced gap states (MIGS) in the LDOS of silicon in the silicon-metal interface system calculated by applying the density functional theory to modeling of the interface between silicon and metal electrodes; Calculating dangling bond states (DBS) from the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system calculated by applying the density functional theory to modeling of unsaturated bonds on the silicon surface; and comparing recombination by MIGS and recombination by dangling bond (DB) by comparing MIGS and DBS.
The present invention has an effect of comparing the proportions of recombination by MIGS and recombination by DB by comparing MIGS for the silicon-metal interface and DBS for the silicon surface.
In addition, by measuring the effect of recombination by MIGS and recombination by DB, there is an effect of reflecting information on recombination loss in the process of designing a silicon solar cell.

Description

실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법 및 이를 이용한 실리콘 태양전지의 설계 방법{MEASURING METHOD FOR RECOMBINATION LOSS OF SILICON SOLAR CELL AND DESIGNING METHOD FOR SILICON SOLAR CELL USING THE SAME}Method for measuring recombination loss of silicon solar cell and design method of silicon solar cell using the same

본 발명은 실리콘 태양전지에서 발생하는 손실을 계측하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 자세하게는 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 재결합 손실을 계측하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method for measuring loss generated in a silicon solar cell, and more particularly, to a method for measuring recombination loss that reduces the efficiency of a solar cell.

최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명이 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.Recently, the importance of developing next-generation clean energy is increasing due to serious environmental pollution problems and depletion of fossil energy. Among them, a solar cell is a device that directly converts solar energy into electrical energy, and is expected to be an energy source that can solve future energy problems because it has low pollution, unlimited resources, and a semi-permanent lifespan.

태양전지는 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있으며, 광전효과로 발전하는 소자이다. 광전 효과란 물체가 가지는 밴드갭 이상의 에너지를 받으면 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 전자가 여기 되며 전자-정공 쌍이 발생하게 되는 것을 이야기 하며, 전자-정공 쌍이 P-N 접합 계면의 전계로 인해 분리가 되어 전극으로 수집되며 전류가 흐른다.A solar cell is composed of a P-N junction diode and is an element that generates power through a photoelectric effect. The photoelectric effect is when an object receives energy greater than the bandgap, electrons are excited from the valence band to the conduction band, and electron-hole pairs are generated. It is separated and collected by the electrode, and current flows.

이때, 분리된 전자-전공 쌍이 다시 결합되는 것을 재결합(recombination)이라고 하며, 발전 효율을 낮추는 원인이 된다. 이러한 재결합은 태양광발전소자 자체에서 발생하는 손실이며, 매우 작은 재결합에 의한 손실의 경우에도 다수의 태양전지 셀을 포함하는 태양전지 모듈에서는 전체적인 효율을 크게 낮추는 결과가 된다. 따라서 태양전지에서 발생하는 재결합을 줄이거나 방지하여 태양광 발전 효율을 높이려는 기술이 많이 개발되고 있다.At this time, recombination of the separated electron-electron pairs is called recombination, and causes the power generation efficiency to be lowered. This recombination is a loss that occurs in the photovoltaic device itself, and even in the case of a very small recombination loss, the overall efficiency of a solar cell module including a plurality of solar cells is significantly lowered. Therefore, many technologies are being developed to increase the efficiency of photovoltaic power generation by reducing or preventing recombination occurring in solar cells.

한편, 태양전지에서 발생하는 재결합은 다양한 원인으로 나타나며, 태양전지의 구조 등에 의해서 서로 다른 원인에 의해서 재결합이 발생하기도 한다. 최근 들어, 실리콘 태양전지의 제조에 사용되는 재료의 품질이 향상되고 소자의 두께가 얇아지면서, 태양전지 표면에서의 재결합이 중요한 문제가 되고 있고, 이를 해결하기 위한 기술들이 많이 연구되고 있다.On the other hand, recombination occurring in the solar cell appears for various reasons, and recombination may occur for different reasons depending on the structure of the solar cell. In recent years, as the quality of materials used in the manufacture of silicon solar cells has improved and the thickness of devices has become thinner, recombination on the surface of solar cells has become an important problem, and many technologies for solving this problem have been studied.

하지만 태양전지에서 발생하는 재결합의 원인은 매우 다양하기 때문에, 재결합 손실을 유발하는 원인을 정확하게 파악하지 않으면, 원인과는 맞지 않는 대응책을 적용함으로써 재결합에 의한 손실을 줄이지 못하는 결과가 된다.However, since the causes of recombination occurring in solar cells are very diverse, if the cause of recombination loss is not accurately identified, countermeasures that do not match the cause are applied, resulting in inability to reduce recombination loss.

대한민국 공개특허 10-2012-0067361Republic of Korea Patent Publication 10-2012-0067361 대한민국 등록특허 10-1195040Korean Registered Patent No. 10-1195040

본 발명은 실리콘 태양전지의 에미터층과 금속과 접촉을 통한 재결합 손실과 에미터층의 실리콘 불포화 결합에 의한 재결합 손실을 비교 계측하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a method for comparatively measuring recombination loss due to contact between an emitter layer and a metal of a silicon solar cell and recombination loss due to silicon unsaturated bonds in the emitter layer.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 아래와 같은 구성으로 이루어지는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for measuring recombination loss of a silicon solar cell having the following configuration.

본 발명은 실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론(density functional theory)을 적용하여 산출된 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS(local density of states)에서 MIGS(metal induced gap states)를 계산하는 단계; 실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 DBS(dangling bond states)를 계산하는 단계; 및 MIGS와 DBS를 비교하여 MIGS에 의한 재결합과 DB(dangling bond)에 의한 재결합을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the metal induced gap states (MIGS) in the LDOS (local density of states) of silicon in the silicon-metal interface system calculated by applying the density functional theory to the modeling of the interface between silicon and metal electrodes ) to calculate; Calculating dangling bond states (DBS) from the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system calculated by applying the density functional theory to modeling of unsaturated bonds on the silicon surface; and comparing recombination by MIGS and recombination by dangling bond (DB) by comparing MIGS and DBS.

실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은, 실리콘 격자와 금속 격자의 격자 불일치율이 7% 이하가 되도록 실리콘 격자 내에서 복수의 단위 격자가 포함되고 금속 격자 내에 복수의 단위 격자가 포함되도록 모델링하여 수행되는 것이 바람직하다.Modeling of the interface between the silicon and the metal electrode is performed by modeling so that a plurality of unit cells are included in the silicon lattice and a plurality of unit cells are included in the metal lattice so that the lattice mismatch rate between the silicon lattice and the metal lattice is 7% or less. it is desirable to be

실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은, 계면 형성 에너지가 0보다 작은 것을 만족하도록 모델링되는 것이 바람직하다.It is preferable that modeling of the interface between the silicon and the metal electrode satisfies that the interface formation energy is less than zero.

실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은, 실리콘에 도핑된 도펀트에 의한 실리콘의 격자 변형을 반영하여 모델링되는 것이 바람직하다.Modeling of the interface between silicon and the metal electrode is preferably performed by reflecting lattice strain of silicon due to a dopant doped in silicon.

실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링은, 실리콘에 도핑된 도펀트에 의한 실리콘의 격자 변형을 반영하여 모델링되는 것이 바람직하다.Modeling of the unsaturated bond of the silicon surface is preferably modeled by reflecting the lattice deformation of the silicon by the dopant doped in the silicon.

본 발명의 다른 형태에 의한 실리콘 태양전지의 설계 방법은, 재결합 손실을 반영하여 실리콘 태양전지를 설계하는 방법으로서, 설계된 태양전지에 대한 재결합 손실을 검증하는 과정을 포함하며, 재결합 손실을 검증하는 과정이, 실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 MIGS를 계산하는 단계; 실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 DBS를 계산하는 단계; 및 MIGS와 DBS를 비교하여 MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of designing a silicon solar cell according to another aspect of the present invention is a method of designing a silicon solar cell by reflecting recombination loss, and includes a process of verifying the recombination loss of the designed solar cell, and a process of verifying the recombination loss. Calculating the MIGS in the LDOS of silicon in the silicon-metal interface system calculated by applying the density functional theory to the modeling of the interface between the silicon and the metal electrode; Calculating DBS from the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system calculated by applying the density functional theory to modeling of unsaturated bonds on the silicon surface; and comparing recombination by MIGS and recombination by DB by comparing MIGS and DBS.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 실리콘-금속 계면에 대한 MIGS와 실리콘 표면에 대한 DBS를 비교하여, MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합이 차지하는 비중을 비교할 수 있는 효과가 있다. The present invention configured as described above has an effect of comparing the proportions of recombination by MIGS and recombination by DB by comparing MIGS for the silicon-metal interface and DBS for the silicon surface.

또한, MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합의 영향을 계측함으로써, 실리콘 태양전지를 설계하는 과정에 재결합 손실에 대한 정보를 반영할 수 있는 효과가 있다.In addition, by measuring the effect of recombination by MIGS and recombination by DB, there is an effect of reflecting information on recombination loss in the process of designing a silicon solar cell.

도 1은 실리콘과 은의 단위 격자 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 실리콘과 은의 격자 불일치를 줄이기 위한 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 모델링에 대하여 도출된 실리콘-은 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS 결과이다.
도 4는 실리콘 불포화 결합 표면에 대한 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 모델링에 대하여 도출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS 결과이다.
도 6은 도 3과 도 4에서 도출된 MIGS와 DBS를 비교한 그래프이다.
1 is a diagram showing a unit lattice structure of silicon and silver.
2 is a diagram for explaining modeling for reducing lattice mismatch between silicon and silver.
FIG. 3 is an LDOS result of silicon in a silicon-silver interface system derived for the modeling of FIG. 2 .
4 is a diagram for explaining modeling of a silicon unsaturated bond surface.
FIG. 5 is an LDOS result of silicon in a silicon unsaturated bond surface system derived for the modeling of FIG. 4 .
6 is a graph comparing MIGS and DBS derived from FIGS. 3 and 4 .

이하, 본 발명은 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through preferred embodiments with reference to the drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited only to the embodiments described below. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.And throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case of being “directly connected” but also the case of being “electrically connected” with another element interposed therebetween. In addition, when a part "includes" or "includes" a certain component, it means that it may further include or include other components, not excluding other components unless otherwise specified. .

또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.

실리콘 태양전지는 P형 또는 N형으로 도핑된 실리콘 기판에 반대 형으로 도핑된 에미터층을 형성하며, 이 에미터층에는 그리드 전극을 구성하는 금속 전극이 접촉하여 형성된다.In a silicon solar cell, an emitter layer doped in an opposite type is formed on a silicon substrate doped with a P-type or N-type, and a metal electrode constituting a grid electrode is in contact with the emitter layer.

이때, 실리콘-금속이 접촉하는 부분에서 MIGS에 의한 재결합이 발생한다. MIGS는 금속과의 화학적 결합으로 페르미 레벨 근처에서 유도되는 것으로 알려져 있으며, 쇼트키 장벽의 높이가 높아지고 전자-정공 쌍의 재결합이 증가하는 결과를 가져온다. 이와 같이, MIGS에 의한 재결합은 실리콘 태양전지의 효율을 낮추는 원인 중에 하나이다.At this time, recombination by MIGS occurs at the silicon-metal contact portion. MIGS is known to be induced near the Fermi level by chemical bonding with metals, resulting in a higher Schottky barrier height and increased recombination of electron-hole pairs. As such, recombination by MIGS is one of the causes of lowering the efficiency of silicon solar cells.

또한, 에미터층을 구성하는 실리콘의 끝부분이 불포화 결합된 불연속적인 구조로 인한 표면 재결합이 발생한다. 실리콘의 댕글링 결합(dangling bond)에 의해서 발생하는 재결합은 실리콘 태양전지의 효율을 낮추는 주요한 원인 중에 하나이다.In addition, surface recombination occurs due to a discontinuous structure in which an end of silicon constituting the emitter layer is unsaturated. Recombination caused by dangling bonds in silicon is one of the main causes of lowering the efficiency of silicon solar cells.

이때, 실제 실리콘 태양전지에서는 MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합이 동시에 적용된다. 재결합에 의한 손실을 줄이기 위하여, 이들 중에 하나를 감소시킬 수 있는 기술을 적용하였을 때에, 재결합 손실에 미치는 영향성을 고려하지 않으면 원하는 만큼의 효과를 얻지 못하게 된다. 예를 들면, MIGS에 의한 재결합이 크고 DB에 의한 재결합은 적은 태양전지에 대하여 DB에 의한 재결합을 줄이거나 방지하는 기술을 적용하거나, 반대로 DB에 의한 재결합이 크고 MIGS에 의한 재결합이 적은 태양전지에 대하여 MIGS에 의한 재결합을 줄이거나 방지하는 기술을 적용하는 경우에는, 기술 적용에도 불구하고 재결합에 의한 손실에 큰 차이가 없을 것이다.At this time, recombination by MIGS and recombination by DB are simultaneously applied in an actual silicon solar cell. In order to reduce loss due to recombination, when a technique capable of reducing one of them is applied, the desired effect cannot be obtained unless the effect on the recombination loss is taken into account. For example, a technology for reducing or preventing recombination by DB is applied to a solar cell with high recombination by MIGS and little by recombination by DB, or conversely, to a solar cell with high recombination by DB and little recombination by MIGS. In the case of applying a technique for reducing or preventing recombination by MIGS, there will be no significant difference in loss due to recombination despite the application of the technique.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 발명자들은 MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합을 비교 계측하는 방법을 개발하였다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention developed a method for comparatively measuring recombination by MIGS and recombination by DB.

구체적으로 본 발명의 발명자들은 밀도 범함수 이론을 통해서 MIGS에 의한 재결합을 나타내는 인자와 DB에 의한 재결합을 나타내는 인자를 계산하고 이들을 비교하는 방법으로 MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합을 비교 계측하는 방법을 개발하였다.Specifically, the inventors of the present invention calculated a factor representing recombination by MIGS and a factor representing recombination by DB through density functional theory, and compared and measured recombination by MIGS and recombination by DB by comparing them. developed.

밀도 범함수 이론은 계산 양자역학적인 모형 방법론으로서 원자, 분자, 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론적 방법이다. 이러한 밀도 범함수 이론은 상사 구조를 갖는 다체 문제에 어디든 적용할 수 있으며, 본 발명의 발명자들은 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS와 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS를 도출하는 방법으로서 밀도 범함수 이론을 적용하였다.Density functional theory is a computational quantum mechanical model methodology, and is a theoretical method for calculating the shape and energy of electrons in atoms, molecules, and materials through quantum mechanics. This density functional theory can be applied anywhere to a many-body problem with a similar structure, and the inventors of the present invention use the density range as a method of deriving the LDOS of silicon in a silicon-metal interface system and the LDOS of silicon in a silicon unsaturated bond surface system. Functional theory was applied.

실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS 분석 결과를 통해서, 실리콘-금속 계면에서의 MIGS를 도출할 수 있으며, 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS 분석 결과를 통해서 실리콘 불포화 결합 표면의 DBS를 도출할 수 있다. MIGS at the silicon-metal interface can be derived through the LDOS analysis result of silicon in the silicon-metal interface system, and DBS of the silicon unsaturated bond surface can be derived through the LDOS analysis result of silicon in the silicon unsaturated bond surface system. there is.

LDOS를 통해서 도출된 MIGS와 DBS를 비교하여, 현재 시스템에서 MIGS에 의한 재결합과 DB에 의한 재결합이 차지하는 비중을 비교할 수 있다.By comparing MIGS and DBS derived through LDOS, it is possible to compare the proportions of recombination by MIGS and recombination by DB in the current system.

먼저, MIGS를 도출하는 과정을 설명한다.First, the process of deriving MIGS will be described.

본 실시예에서는 금속 전극으로 많이 사용되는 은(Ag)을 기준으로 설명한다.In this embodiment, silver (Ag), which is widely used as a metal electrode, will be described.

도 1은 실리콘과 은의 단위 격자 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a unit lattice structure of silicon and silver.

도시된 것과 같은 단위 격자 구조를 갖는 실리콘과 은에 대하여 계산된 격자상수는 각각 5.4467Å과 4.0877Å이며, 이들 사이의 격자 불일치율은 24.951%에 달한다.Calculated lattice constants for silicon and silver having a unit cell structure as shown are 5.4467 Å and 4.0877 Å, respectively, and the lattice mismatch rate between them reaches 24.951%.

실리콘(에미터)의 표면에 은 전극을 형성하는 경우, 단위 격자의 불일치가 크기 때문에 단위 격자 대 단위 격자로 계면이 형성되지는 않으며, 결합 사이에 배치되는 단위 격자의 개수가 조절된다.When the silver electrode is formed on the surface of silicon (emitter), the unit cell-to-unit interface is not formed because the unit cell mismatch is large, and the number of unit cells disposed between bonds is controlled.

이러한 단위 격자 개수의 조절을 반영하기 위하여, 격자 불일치율이 소정 값보다 작은 상태(7% 이하)를 만족하도록 실리콘과 은의 단위 격자 수를 조절하는 모델링을 수행한다.In order to reflect the adjustment of the number of unit cells, modeling is performed to adjust the number of unit cells of silicon and silver so that the lattice mismatch rate is less than a predetermined value (7% or less).

도 2는 실리콘과 은의 격자 불일치를 줄이기 위한 모델링을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining modeling for reducing lattice mismatch between silicon and silver.

실리콘의 (111) 면과 은의 (111) 면을 대상으로 할 때에, 실리콘 단위 격자 3개 묶은 새로운 격자의 격자 상수는 11.554Å이고, 은의 단위 격자 4개를 묶어서 구성된 새로운 격자의 격자 상수는 11.562Å이기 때문에, 실리콘과 은의 새로운 격자에 대한 격자 불일치율은 0.06546%로 감소하여, 원하는 정도의 격자 불일치율을 얻을 수 있다. 이에 따라서 실리콘과 은의 계면 시스템은 실리콘 단위 격자 3개와 은의 단위 격자 4개가 묶인 형태로 모델링할 수 있다.When the (111) plane of silicon and the (111) plane of silver are targeted, the lattice constant of the new lattice consisting of three silicon unit lattices is 11.554Å, and the lattice constant of the new lattice consisting of four silver unit lattices is 11.562Å Because of this, the lattice mismatch rate for the new lattice of silicon and silver is reduced to 0.06546%, and a desired degree of lattice mismatch rate can be obtained. Accordingly, the interface system of silicon and silver can be modeled in a form in which three silicon unit cells and four silver unit cells are bundled.

이러한 모델링 결과의 정당성을 확인하기 위하여, 모델링된 구조에 대하여 계면 형성 에너지를 계산한다. In order to confirm the legitimacy of these modeling results, the interface formation energy is calculated for the modeled structure.

계면 형성 에너지는 다음의 수식으로 계산할 수 있으며, 이러한 계면 형성 에너지가 0보다 작으면 열역학적으로 안정한 상태로서 모델링의 형태로 계면이 형성된다고 판단할 수 있다.The interface formation energy can be calculated by the following formula, and if the interface formation energy is less than 0, it can be determined that the interface is formed in the form of modeling as a thermodynamically stable state.

Figure pat00001
Figure pat00001

반대로, 계면 형성 에너지가 0보다 크면 열역학적으로 불안정한 상태이므로 다른 모델링을 찾아야 한다.Conversely, if the interface formation energy is greater than zero, it is a thermodynamically unstable state and other modeling should be sought.

한편, 실리콘에 도펀트가 포함된 경우에 그에 따른 영향을 반영하여야 하며, P로 도핑된 실리콘의 경우에 형성 에너지는 다음의 수식으로 계산할 수 있다.On the other hand, when a dopant is included in silicon, the effect thereof must be reflected, and in the case of silicon doped with P, the formation energy can be calculated by the following formula.

Figure pat00002
Figure pat00002

앞서 결정된 실리콘 단위 격자 3개와 은의 단위 격자 4개가 묶인 모델링은 계면 형성 에너지가 0보다 작아서 적합한 모델링인 것으로 확인되었다.The previously determined modeling of three silicon unit cells and four silver unit cells was confirmed to be suitable modeling because the interface formation energy was less than zero.

실리콘 단위 격자 3개와 은의 단위 격자 4개가 묶인 모델링으로 형성된 실리콘-은 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS를 밀도 범함수 이론으로 계산하여 실리콘-은 계면의 MIGS를 도출한다.The MIGS of the silicon-silver interface is derived by calculating the LDOS of silicon in the silicon-silver interface system formed by modeling three silicon unit cells and four silver unit cells by density functional theory.

도 3은 도 2의 모델링에 대하여 도출된 실리콘-은 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS 결과이다.FIG. 3 is an LDOS result of silicon in a silicon-silver interface system derived for the modeling of FIG. 2 .

밀도 범함수 이론에 따른 계산은 교환-상관 에너지의 경우 Perdew-Burke-Ernzerhof 함수를 사용한 일반화된 기울기 근사(generalized gradient approximation)가 사용되었다. 스핀 분극 연산(spin-polarized calculation)을 수행하였으며, van der Waals 보정을 위해 Tkatchenko-Scheffler 방법이 사용되었다. 오비탈 차단 거리는 4.6Å으로 설정되었으며, 감마 k-포인트가 Monkhorst-Pack 그리드와 함께 사용되었다.For the calculation according to the density functional theory, generalized gradient approximation using the Perdew-Burke-Ernzerhof function was used in the case of exchange-correlation energy. Spin-polarized calculations were performed, and the Tkatchenko-Scheffler method was used for van der Waals correction. The orbital cut-off distance was set to 4.6 Å, and the gamma k -point was used with a Monkhorst-Pack grid.

도 3에서 빨간색 점선은 실리콘 결정격자의 가전자대 최곳값과 전도대 최솟값을 나타내며, 이 사이가 MIGS 영역이다.In FIG. 3 , a red dotted line represents the maximum value of the valence band and the minimum value of the conduction band of the silicon crystal lattice, and the interval between them is the MIGS region.

이상에서 설명한 방법으로 특정 금속과 실리콘이 형성하는 계면에 대한 MIGS를 계산할 수 있다.MIGS for the interface formed between a specific metal and silicon can be calculated by the method described above.

다음으로 DBS를 도출하는 과정을 설명한다.Next, the process of deriving the DBS will be described.

앞선 경우와 마찬가지로 밀도 범함수 이론으로 LDOS를 계산하기 위하여 실리콘 불포화 결합 표면에 대한 모델링을 수행한다.As in the previous case, modeling of the silicon unsaturated bond surface is performed to calculate the LDOS by density functional theory.

도 4는 실리콘 불포화 결합 표면에 대한 모델링을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining modeling of a silicon unsaturated bond surface.

앞선 실리콘-은 계면의 모델링에서와 같이 (111)면에 대하여, 실리콘의 격자 연결 관계를 반영하면, 표면에서 불포화 결합된 실리콘이 분산된 모델링을 도출할 수 있다.As in the previous modeling of the silicon-silver interface, if the lattice connection relationship of silicon is reflected on the (111) plane, modeling in which unsaturated bonded silicon is dispersed on the surface can be derived.

도시된 실리콘 표면 모델링에 대한 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS를 밀도 범함수 이론으로 계산하여 실리콘 표면의 DBS를 도출한다.The DBS of the silicon surface is derived by calculating the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system for the shown silicon surface modeling by density functional theory.

도 5는 도 4의 모델링에 대하여 도출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS 결과이다.FIG. 5 is an LDOS result of silicon in a silicon unsaturated bond surface system derived for the modeling of FIG. 4 .

앞선 설명한 것과 같은 방식으로 밀도 범함수 이론에 따른 계산을 통해서 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS을 산출하였으며, 파란색 점선은 실리콘 결정격자의 가전자대 최곳값과 전도대 최솟값을 나타내며, 이 사이가 DBS 영역이다.In the same way as described above, the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system was calculated through the calculation according to the density functional theory. am.

마지막으로 밀도 범함수 이론에 따라 산출된 MIGS와 DBS를 누적값으로 환산하면, 실리콘-은 계면에서의 MIGS에 의한 재결합과 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합의 영향을 비교할 수 있다.Finally, if MIGS and DBS calculated according to the density functional theory are converted into cumulative values, the effects of recombination by MIGS at the silicon-silver interface and recombination by DB at the silicon surface can be compared.

도 6은 도 3과 도 4에서 도출된 MIGS와 DBS를 비교한 그래프이다.6 is a graph comparing MIGS and DBS derived from FIGS. 3 and 4 .

도시된 것과 같이, 일반적인 실리콘 태양전지에서 은 전극과 에미터 사이의 MIGS에 의한 재결합 손실보다는 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합 손실이 더 크게 작용함을 알 수 있으며, 이는 일반적으로 알려진 결과와 일치한다.As shown, it can be seen that recombination loss due to DB on the silicon surface has a greater effect than recombination loss due to MIGS between the silver electrode and emitter in a general silicon solar cell, which is consistent with generally known results.

이상의 결과에서 실리콘-금속 계면에서의 MIGS에 의한 재결합과 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합의 영향을 이론적으로 비교할 수 있음을 확인할 수 있다.From the above results, it can be confirmed that the effects of recombination by MIGS at the silicon-metal interface and recombination by DB on the silicon surface can be theoretically compared.

한편, 실리콘 태양전지에 사용되는 금속 전극의 재료 차이와 실리콘의 도핑에 따른 격자 변형 등을 반영하면, 상기한 형태와는 다른 새로운 모델링을 수행하여야 하며, 최종적으로 밀도 범함수 이론으로 계산된 실리콘-금속 계면에서의 MIGS에 의한 재결합과 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합의 비교 결과가 달라질 수 있다. On the other hand, considering the difference in the material of the metal electrode used in the silicon solar cell and the lattice deformation due to the doping of silicon, a new modeling different from the above form should be performed, and finally the silicon-calculated silicon- Comparative results of recombination by MIGS at the metal interface and recombination by DB at the silicon surface may be different.

따라서 앞서 설명한 실리콘-금속 계면에서의 MIGS에 의한 재결합과 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합의 비교를 태양전지 설계에 적용하면 재결합에 의한 손실을 감소시킨 태양전지를 설계할 수 있다.Therefore, if the comparison of recombination by MIGS at the silicon-metal interface and recombination by DB on the silicon surface as described above is applied to solar cell design, it is possible to design a solar cell with reduced loss due to recombination.

나아가 기존에 설계된 태양전지의 성능을 개선하기 위하여, 새로운 기술을 적용하는 경우에도 실리콘-금속 계면에서의 MIGS에 의한 재결합과 실리콘 표면의 DB에 의한 재결합의 비교를 적용하면 성능 개선 효과가 더 높은 방법을 찾아낼 수 있을 것이다.Furthermore, in order to improve the performance of previously designed solar cells, even when a new technology is applied, a method with a higher performance improvement effect by applying a comparison of recombination by MIGS at the silicon-metal interface and recombination by DB on the silicon surface will be able to find

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above through preferred embodiments, but the above-described embodiments are only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes are possible within a range that does not depart from the technical idea of the present invention. Anyone with ordinary knowledge will be able to understand. Therefore, the protection scope of the present invention should be construed by the matters described in the claims, not the specific examples, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (6)

실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 MIGS(metal induced gap states)를 계산하는 단계;
실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 DBS(dangling bond states)를 계산하는 단계; 및
MIGS와 DBS를 비교하여 MIGS에 의한 재결합과 DB(dangling bond)에 의한 재결합을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법.
Calculating metal induced gap states (MIGS) in the LDOS of silicon in the silicon-metal interface system calculated by applying the density functional theory to the modeling of the interface between the silicon and the metal electrode;
Calculating dangling bond states (DBS) from the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system calculated by applying the density functional theory to modeling of unsaturated bonds on the silicon surface; and
A method for measuring recombination loss of a silicon solar cell, comprising the step of comparing recombination by MIGS and recombination by DB (dangling bond) by comparing MIGS and DBS.
청구항 1에 있어서,
실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은,
실리콘 격자와 금속 격자의 격자 불일치율이 7% 이하가 되도록 실리콘 격자 내에서 복수의 단위 격자가 포함되고 금속 격자 내에 복수의 단위 격자가 포함되도록 모델링하여 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법.
The method of claim 1,
Modeling of the interface between silicon and metal electrodes,
Recombination loss of a silicon solar cell characterized in that the modeling is performed so that a plurality of unit cells are included in the silicon lattice and a plurality of unit cells are included in the metal lattice so that the lattice mismatch between the silicon lattice and the metal lattice is 7% or less. measurement method.
청구항 1에 있어서,
실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은,
계면 형성 에너지가 0보다 작은 것을 만족하도록 모델링되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법.
The method of claim 1,
Modeling of the interface between silicon and metal electrodes,
A method for measuring recombination loss of a silicon solar cell, characterized in that the interface formation energy is modeled to satisfy that it is less than zero.
청구항 1에 있어서,
실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링은,
실리콘에 도핑된 도펀트에 의한 실리콘의 격자 변형을 반영하여 모델링되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법.
The method of claim 1,
Modeling of the interface between silicon and metal electrodes,
A method for measuring recombination loss of a silicon solar cell, characterized in that it is modeled by reflecting the lattice strain of silicon by a dopant doped in silicon.
청구항 1에 있어서,
실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링은,
실리콘에 도핑된 도펀트에 의한 실리콘의 격자 변형을 반영하여 모델링되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 재결합 손실 계측방법.
The method of claim 1,
Modeling of the unsaturated bond on the silicon surface,
A method for measuring recombination loss of a silicon solar cell, characterized in that it is modeled by reflecting the lattice strain of silicon by a dopant doped in silicon.
재결합 손실을 반영하여 실리콘 태양전지를 설계하는 방법으로서,
설계된 태양전지에 대한 재결합 손실을 검증하는 과정을 포함하며,
재결합 손실을 검증하는 과정이,
실리콘과 금속 전극의 계면에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘-금속 계면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 MIGS(metal induced gap states)를 계산하는 단계;
실리콘 표면의 불포화 결합에 대한 모델링에 대하여 밀도 범함수 이론을 적용하여 산출된 실리콘 불포화 결합 표면 시스템 내 실리콘의 LDOS에서 DBS(dangling bond states)를 계산하는 단계; 및
MIGS와 DBS를 비교하여 MIGS에 의한 재결합과 DB(dangling bond)에 의한 재결합을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 설계 방법.
As a method of designing a silicon solar cell by reflecting recombination loss,
Including the process of verifying the recombination loss for the designed solar cell,
The process of verifying the recombination loss,
Calculating metal induced gap states (MIGS) in the LDOS of silicon in the silicon-metal interface system calculated by applying the density functional theory to the modeling of the interface between the silicon and the metal electrode;
Calculating dangling bond states (DBS) from the LDOS of silicon in the silicon unsaturated bond surface system calculated by applying the density functional theory to modeling of unsaturated bonds on the silicon surface; and
A method for designing a silicon solar cell comprising the step of comparing recombination by MIGS and recombination by dangling bond (DB) by comparing MIGS and DBS.
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