BSC – 양면형 태양전지: 양면형 또는 두 표면 태양전지의 역사

실리콘 태양전지는 1946년 벨 연구소에서 근무하던 러셀 오흘에 의해 최초로 특허를 받았고, 1954년 같은 연구소의 풀러, 채핀, 피어슨에 의해 공개적으로 시연되었습니다. 그러나 이러한 초기 제안들은 뒷면이 활성 영역이 되지 않도록 설계된 단면형 태양전지였습니다.

최초로 이론적으로 제안된 양면형 태양전지는 1960년 10월 4일 하야카와 전기공업 주식회사(훗날 샤프 주식회사가 됨)에 근무하던 모리 히로시가 출원한 일본 특허에서 찾아볼 수 있다. 제안된 전지는 마주 보는 두 가장자리에 접촉 전극이 있는 pnp 양면 구조였다.

하지만 양면형 태양전지와 패널의 최초 시연은 소련 우주 프로그램의 일환으로 군용 저궤도 우주 정거장인 살류트 3호(1974년)와 살류트 5호(1976년)에서 이루어졌습니다. 이 양면형 태양전지는 모스크바에 있는 VNIIT(전연방 에너지 연구소)의 보르디나 연구팀이 개발 및 제조했으며, 이 연구소는 1975년에 러시아 태양전지 제조업체인 KVANT로 이름을 바꾸었습니다. 1974년, 이 연구팀은 최대 크기가 1mm x 1mm x 1mm인 미니 병렬 파이프 형태의 태양전지를 직렬로 연결하여 100셀/cm²의 밀도를 달성하는 방식을 제안하는 미국 특허를 출원했습니다. 오늘날의 양면형 태양전지와 마찬가지로, 이들은 빛을 받는 표면 중 하나 근처에 동형 pp+ 화합물을 사용하는 방식을 제안했습니다. 살류트 3호에서는 총 셀 면적 24cm²의 소형 실험 패널을 사용하여 당시 사용되던 단면 패널 대비 위성 궤도당 에너지 생산량이 최대 34%까지 증가했는데, 이는 지구의 반사율 덕분이었다. 살류트 5호 우주정거장 비행 중에는 양면 패널(0.48m², 40W)을 사용하여 17~45%의 에너지 생산량 증가를 확인했다.

러시아의 이러한 연구와 병행하여, 철의 장막 너머 마드리드 공과대학교 통신공학부의 반도체 연구실에서는 안토니오 루케 교수의 지도 하에 산업적으로 적용 가능한 양면형 태양전지 개발을 위한 포괄적인 연구 프로그램을 독자적으로 진행하고 있었습니다. 모리의 특허와 VNIIT-KVANT 우주선 프로토타입은 표면에 금속 격자가 없는 초소형 셀을 기반으로 하여 당시 초기 단계의 마이크로 전자 장치처럼 복잡하게 상호 연결되어 있었지만, 루케 교수는 1976년과 1977년에 스페인에서 두 건, 그리고 1977년에 미국에서 한 건의 특허를 출원했는데, 이는 현대 양면형 태양전지의 전신이 되었습니다. 루케 교수의 특허는 당시 단면형 태양전지처럼 실리콘 웨이퍼당 하나의 셀을 사용하는 양면형 태양전지를 최초로 제안했으며, 양면에 금속 격자를 적용했습니다. 또한 npp+ 구조와 pnp 구조 모두를 고려했습니다.

반도체 연구실에서 BSC(뒷면 전계 셀) 개발은 세 가지 방향으로 진행되었으며, 그 결과 안드레스 쿠에바스(1980), 하비에르 에구렌(1981), 헤수스 상그라도르(1982)가 박사 학위 논문을 발표했습니다. 쿠에바스와 상그라도르의 논문은 루케 교수의 지도를 받았고, 상그라도르의 논문은 같은 연구실의 가브리엘 살라 교수의 지도를 받았습니다. 쿠에바스의 논문은 1976년 루케 교수가 출원한 첫 번째 특허, 즉 트랜지스터와 유사한 npn 구조 때문에 "트랜스셀"이라고 불리는 소자의 구현에 관한 것이었습니다. 에구렌의 논문은 1977년 루케 교수가 출원한 두 번째 특허, 즉 pp+ 동위원소 접합부가 셀의 뒷면에 인접하게 위치하는 npp+ 도핑 프로파일을 구현하는 데 초점을 맞추었으며, 이는 태양 전지 기술에서 일반적으로 "뒷면 전계(BSF)"라고 불리는 현상을 만들어냅니다. 이 연구는 여러 편의 논문 발표와 추가 특허 출원으로 이어졌습니다. 특히, 베이스의 p-도핑을 줄이는 것이 상당한 이점을 제공했는데, 이는 이미터 접합부(전면 pn 접합부)의 전압 감소가 후면 동종 접합부의 전압 증가로 상쇄되는 동시에 소수 캐리어의 확산 길이가 길어져 양면 조사 시 전류 출력이 증가하기 때문입니다. 상그라도르의 박사 학위 논문과 마드리드 공과대학교의 세 번째 개발 접근 방식에서는 소위 수직형, 에지 조사형 다중 접합 태양 전지가 제안되었는데, 이는 p+nn+ 셀을 적층하고 직렬로 연결하여 가장자리에서 빛을 조사하는 방식입니다. 이러한 태양 전지는 전류 생성을 위해 표면 금속 그리드가 필요하지 않은 고전압 셀입니다.

1979년, 반도체 연구소는 태양 에너지 연구소(IES-UPM)로 개편되었고, 루케가 초대 소장으로 취임하여 21세기 첫 10년까지 양면형 태양 전지에 대한 집중적인 연구를 지속했습니다. 예를 들어, 1994년 태양 에너지 연구소의 브라질 출신 박사 과정 학생인 아드리아노 모엘레케와 이제테 자네스코는 루케 교수와 함께 앞면 효율 18.1%, 뒷면 효율 19.1%를 달성한 양면형 태양 전지를 개발 및 생산했습니다. 이는 양면형 태양 전지로는 최고 효율인 103%에 해당하는 기록이었습니다(당시 단면형 태양 전지의 최고 효율은 22% 미만이었습니다).

 

 

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