REAL 에너지 디바이스 가이드북

광생성

학습 목표
  • Beer-Lambert 흡수식에서 생성률 G(x)G(x)를 유도한다.
  • 이종접합에서 누적 광학깊이가 필요한 이유를 이해한다.
  • 솔버의 광학 모형이 가정하는 조건과 계산할 수 없는 항목을 구분한다.

빛에 의한 캐리어 생성률 G(x)G(x)는 연속 방정식의 생성항이다. 태양전지 계산에서는 GG로 광흡수에 의해 생성되는 캐리어의 양을 정한다.

Beer-Lambert 흡수

물질 내부를 진행하는 광자 플럭스는 지수적으로 감소한다. 깊이 xx에서의 광자 플럭스는 다음과 같다.

Φ(x)=Φ0 e−αx\Phi(x) = \Phi_0\, e^{-\alpha x}

여기서 α\alpha는 흡수계수이며 단위는 m⁻¹이다. 단위 깊이당 흡수되는 광자 플럭스가 생성률이므로 다음 식을 얻는다.

G(x)=−dΦdx=αΦ0e−αxG(x) = -\frac{d\Phi}{dx} = \alpha \Phi_0 e^{-\alpha x}

광자 하나가 전자-정공 쌍 하나를 만든다고 가정한다(양자수율 1).

층 구조를 지나는 빛의 감쇠투명한 ETL에서 일정하던 광속은 흡수층에서 지수적으로 감소한다. 깊이에 따른 광속의 감소가 캐리어 생성률 G에 해당한다.ETL (α = 0)흡수층 (α 큼)HTLΦ(x)e^(−αx)x = 1/α (흡수 길이, Φ = Φ₀/e)감쇠분 = 생성 G(x)
그림 · Beer-Lambert 흡수. 투명한 수송층(α = 0)은 빛을 그대로 통과시키므로 광속을 계산할 때는 절대 위치가 아니라 누적 광학 깊이를 사용해야 한다. 흡수층에서는 빛이 e^(−αx)로 감쇠하며 단위 깊이당 감소량이 캐리어 생성률 G(x)에 해당한다. 흡수 길이 1/α의 몇 배에 이르면 빛이 대부분 흡수된다.

흡수 길이

1/α1/\alpha를 흡수 길이라 한다. 이 깊이에서 빛의 세기는 입사값의 1/e1/e로 감소한다.

재료α\alpha (m⁻¹)흡수 길이
실리콘∼106\sim 10^61 µm
페로브스카이트∼107\sim 10^7100 nm

표의 흡수계수를 사용하면 페로브스카이트는 두께 500 nm에서 흡수 길이의 5배에 해당하므로 빛의 1−e−5=99.3%1 - e^{-5} = 99.3\%를 흡수한다. 같은 계산으로 실리콘에는 수 µm가 필요하다. 실제 실리콘 셀이 100 µm 이상인 이유는 밴드갭 근처의 장파장 광자에 대한 α\alpha가 훨씬 작기 때문이다.

층 편집기에서 두께와 α\alpha를 바꾸면 Jsc가 1−e−αd1 - e^{-\alpha d}에 따라 변하는 양상을 비교할 수 있다. 처음에는 빠르게 증가하다가 흡수 길이의 몇 배를 넘으면 증가 폭이 작아진다. 이후 두께를 늘리면 광흡수의 이득보다 재결합 손실이 중요해진다. 소자 두께 스케일 스윕은 두 효과의 균형을 비교한다.

두께에 따른 Jsc 포화흡수층 두께에 따른 Jsc 곡선이다. 처음에는 빠르게 증가하지만 흡수 길이의 몇 배를 지나면 증가폭이 작아진다. 그 이후의 두께 증가는 재결합을 늘린다.흡수층 두께 dJsc전부 흡수 (1 − e^(−αd) → 1)1/α2/α3/α4/α5/α이 구간의 두께 증가는재결합만 증가시킨다Jsc가 빠르게 증가
그림 · 흡수층 두께에 따른 Jsc 증가폭의 감소. Jsc는 1 − e^(−αd)를 따라 처음에는 빠르게 증가하지만 흡수 길이의 3~5배를 지나면 거의 일정해진다(5/α에서 99.3% 흡수). 이후에는 두께를 늘려도 추가로 흡수하는 빛이 거의 없고 캐리어의 이동 거리가 길어져 재결합이 늘어난다. 소자 두께 스윕에서는 이 관계를 비교해 최적 두께를 찾는다.

여러 층이 쌓인 경우

이종접합에서 하나의 흡수계수와 절대 위치 xx를 사용해 e−αxe^{-\alpha x}를 계산하면 층별 흡수 특성을 반영할 수 없다. 투명한 전자수송층(ETL)에서도 빛이 감쇠하는 것으로 계산되어 흡수층에 도달하는 빛을 과소평가하게 된다.

이를 피하려면 누적 광학깊이를 사용한다.

G(x)=α(x) Φ0exp⁡ ⁣[−∫0xα(x′) dx′]G(x) = \alpha(x)\,\Phi_0 \exp\!\left[-\int_0^{x} \alpha(x')\,dx'\right]

흡수하지 않는 층에서는 α=0\alpha = 0이므로 해당 층은 적분에 기여하지 않고 빛이 감쇠 없이 통과한다. 층 편집기의 흡수층 체크박스로 흡수 여부를 정한다. 기본 구조에서는 TiO2와 spiro의 체크를 해제하고 MAPI만 선택한다.

광학 모형의 한계

이 솔버의 광학 모형은 다음과 같이 단순화되어 있다.

1. 하나의 흡수계수로 전체 스펙트럼을 나타낸다

실제 태양광은 300 nm에서 2500 nm까지의 스펙트럼을 포함하며 α\alpha는 파장에 따라 달라진다. 밴드갭 근처에서는 작고 짧은 파장에서는 크다. 이 솔버는 하나의 α\alpha로 전체 스펙트럼을 대신한다.

따라서 계산에 사용하는 “1 sun”은 단색광 등가 조건이며 스펙트럼 적분값이 아니다.

2. EQE를 계산하지 못한다

외부양자효율(EQE)은 파장별로 입사 광자 하나당 수집한 전자의 수를 나타낸다. J-V와 함께 널리 사용하는 태양전지 측정량이지만, 파장을 구분하지 않는 이 모형으로는 계산할 수 없다.

3. 밴드갭 변화에 따른 Jsc의 변화를 반영하지 못한다

실제 셀에서는 밴드갭이 넓어지면 흡수할 수 있는 광자가 줄어 Jsc가 감소한다. 이 관계를 계산하려면 스펙트럼을 적분해야 하지만 현재 모형에는 그 과정이 없다. 같은 이유로 상부셀과 하부셀이 스펙트럼을 나누어 흡수하는 탠덤 전류매칭도 다루지 못한다.

4. 반사·광트래핑·텍스처를 고려하지 않는다

전면 반사, 후면 반사경, 텍스처 표면에 의한 광경로 연장은 실제 셀 설계에 중요한 요소지만 현재 모형에는 포함하지 않는다.

광학 모형의 확장

파장별 흡수계수 α(λ)와 AM1.5G 스펙트럼 적분을 준비 중이다. 이를 도입하면 EQE, 밴드갭 최적화, 탠덤 전류매칭을 계산할 수 있다.

전체 모형의 제약은 한계에서 다룬다.

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