태양 전지의 평가상의 관찰과 해석

태양 전지의 동작 원리

널리 채택되고 있는 실리콘계 태양 전지는 내부에 전기적 성질이 다른 2종류(P형·N형)의 반도체를 겹친 구조입니다.
태양광 패널에 태양광이 닿으면 전자(-)와 정공(+)이 발생합니다. 정공은 P형 반도체, 전자는 N형 반도체 측으로 끌려갑니다. 예를 들어, 아래 그림처럼 앞면과 뒷면의 전극에 전구 등의 부하를 접속하면 그곳으로 전류가 흐릅니다.

태양 전지의 구조

태양 전지의 구조와 각 부분의 명칭을 아래 그림에 표시하여 부위 및 형태에 따른 명칭에 대해 설명합니다.

셀

태양 전지의 최소 단위입니다.

셀 스트링·셀 어레이

1장의 셀은 출력 전압이 낮기 때문에 필요한 전압을 얻을 수 있도록 셀을 직렬로 여러 장 접속시킨 것을 셀 스트링이라고 합니다.
필요한 출력을 얻기 위해 여러 셀 스트링을 직렬 또는 병렬로 접속시킨 것을 셀 어레이라고 합니다.

모듈

셀 어레이를 실외에서 사용할 수 있도록 패키지화 한 것으로 태양 전지 패널이라고도 합니다. 수지 및 강화 글라스로 내부의 셀 등을 보호하고, 강도를 부여하기 위해 프레임에 끼우는 등의 처리가 이루어진 상태입니다.

어레이

여러 모듈을 나열하여 접속한 것입니다.

태양 전지의 변환 효율과 재질에 대해서

태양 전지의 성능을 나타내는 사양으로 중요한 것이 「변환 효율」입니다. 변환 효율이란, 입사한 태양광 에너지 중 전기 에너지로 변환되는 비율을 나타내는 수치입니다. 태양 전지의 변환 효율 지표로는 「모듈 변환 효율」과 「셀 변환 효율」 두 가지가 대표적입니다. 각각에 대해 설명하겠습니다.

모듈 변환 효율

태양 전지 모듈(태양 전지 패널)의 발전 능력을 나타내는 지표로서 일반적으로 사용되는 것이 모듈 변환 효율입니다. 모듈 변환 효율이란, 태양 전지 모듈 1 ㎡당 약 1 kW의 빛 에너지 중 몇 %를 전기 에너지로 변환할 수 있는지 나타내는 지표로, 다음 계산식을 통해 구할 수 있습니다.

셀 변환 효율

태양 전지 모듈을 구성하는 최소 단위의 구성 부품이 셀입니다. 셀 변환 효율은 태양 전지 셀 1장당 변환 효율을 나타내는 지표가 됩니다. 셀 변환 효율은 다음 계산식으로 구합니다.

거듭된 연구 개발을 통해 모듈 및 셀의 변환 효율은 해마다 향상하고 있습니다. 단, 현대의 기술로는 태양광 패널의 빛 반사 및 셀 자체의 전기 저항 등으로 인해 입사한 빛 에너지를 100% 흡수하여 모두 전력으로 변환하지는 못합니다.

태양 전지의 재질과 특징

매우 다양한 용도와 그것에 요구되는 기능, 비용 실현을 위해 태양 전지에는 여러 가지 재질이 이용되며 변환 효율도 다릅니다. 따라서 각사가 변환 효율 향상과 저비용화를 위해 소재 및 제법의 연구 개발에 힘쓰고 있습니다.
여기에서는 실리콘계·화합물 반도체계의 분류에 따라 각각 대표적인 재료와 특징에 대해 설명합니다.

【실리콘계】

단결정

단결정 실리콘을 사용하므로 고가인 동시에 변환 효율과 신뢰성이 높습니다.

다결정

다결정 실리콘은 단결정 실리콘보다 비용이 낮으므로 가장 많이 보급되고 있습니다.

비정질

실리콘을 결정화하지 않으므로 다결정 실리콘보다 비용이 저렴하지만 변환 효율은 낮습니다.

다중 접합형

비정질 실리콘 및 박막 다결정 실리콘 등 서로 다른 태양 전지를 적층하여 탠덤 구조로 만든 것으로 변환 효율이 높습니다.

【화합물 반도체계】

CIS

구리·인듐·셀렌을 원료로 하여 비용은 저렴하지만 변환 효율은 비교적 높습니다.

CIGS

CIS 태양 전지에 갈륨을 추가하여 4원소로 만든 전지입니다. CIS 태양 전지에 비해 변환 효율이 약간 높습니다.

CdTe

카드뮴과 텔루르를 원료로 하여 서구에서 보급되고 있습니다.

GaAs

갈륨과 비소를 원료로 하여 변환 효율이 뛰어나지만 고가입니다. 용도로는 인공위성 등이 있습니다.

전극의 3D 형상 측정

태양 전지의 변환 효율을 높이려면 전극의 폭을 최대한 좁히는 한편, 높이는 낮춰야 합니다. 또한, 전극부에 금 등 고가의 재료를 사용하는 경우, 체적을 최대한 줄이면 비용이 절감됩니다.

기존의 현미경은 미세한 전극의 형상을 정확하게 측정하는 것이 어려워 3D 형상을 순간적으로 측정하지 못했습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도의 확대 화상에서 그대로 미크론 단위의 3D 형상을 측정할 수 있습니다. 컬러 맵으로 높이 데이터를 가시화할 수 있는 동시에 여러 지정 부분의 프로파일 측정도 가능하기 때문에 부위에 따른 세밀한 형상도 쉽게 비교할 수 있습니다.

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불량 부분의 단면 샘플 관찰

기존의 현미경은 수지를 채워 관찰면을 연마한 단면 샘플을 큰 배율로 확대할 때 샘플 표면에 아주 조금이라도 요철이 남아 있으면 전체에 초점이 맞지 않아 선명하게 관찰할 수 없었습니다. 또한, 주사 전자 현미경(SEM)의 경우, 샘플실을 진공 또는 저진공 상태로 만드는 진공화 등 사전 준비에 시간과 공정 수가 필요했으며, 컬러 화상으로 관찰할 수 없기 때문에 단면 내에 혼재된 재질 변화 및 이물질 동정이 어려웠습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 4K CMOS와 새로 개발된 광학계로 깊은 피사계 심도를 실현합니다. 샘플 표면의 요철에 영향을 받지 않고 시야 전체에 풀 포커스를 맞춘 선명한 4K 컬러 화상으로 관찰할 수 있습니다.
또한, 렌즈 교환 없이 20~6000배까지 자동으로 전환하여 관찰할 수 있는 「심리스 줌」을 통해 배율 전환도 마우스나 콘솔로 그 자리에서 빠르게 조작할 수 있어서 단면 샘플의 고해상도 관찰이 빠르고 간단하게 실현됩니다.

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태양 전지 모듈(패널) 관찰

태양 전지의 모듈(패널)은 색이나 광택이 다른 재질이 혼재되어 있고, 세밀한 요철이나 흠집은 콘트라스트가 낮으므로 기존의 현미경을 이용한 관찰은 난이도가 높았습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 셔터 속도를 변경한 화상을 여러 장 취득하고 고계조의 화상을 취득하는 「HDR(High Dynamic Range) 기능」을 탑재하여, 텍스처를 강조한 높은 콘트라스트의 화상으로 관찰할 수 있습니다. 샘플의 각도는 그대로 두고 자유로운 각도에서 관찰할 수 있는 「프리 앵글 관찰 시스템」을 활용한 경사 관찰에서도 심도 합성 기능으로 깊은 곳부터 앞쪽까지 전체에 초점이 맞는 화상으로 관찰할 수 있습니다.

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웨이퍼 표면의 입자 카운트

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 모든 방향의 조명을 자동으로 제어한 여러 화상에서 관찰에 적합한 화상을 선택하기만 하면 되는 「멀티 라이팅」 등 자동화 어시스트에 의해 관찰 시의 조명 조건 추출을 간략화하고 시간을 단축합니다. 물론 다른 샘플에 대해 과거의 설정을 간단하게 완전히 재현할 수도 있습니다.
또한, 간단한 조작으로 지정 범위의 자동 면적 계측 및 입자 카운트를 실행할 수 있고, 불필요한 대상 물체를 제거하거나 서로 겹치는 대상 물체를 분리하는 등의 기능도 있습니다.
따라서 측정자의 경험 및 숙련도와 관계없이, 그리고 측정자에 따른 수치 편차 없이 높은 정도의 해석 결과를 빠르게 얻을 수 있습니다.

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