Design and performance enhancement of bifacial III-V/Si tandem solar cell for high-power photovoltaic applications

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As photovoltaic systems pursue higher efficiency, III–V/Si tandem solar cells offer a route beyond the single junction limit by combining the superior optoelectronic quality of III–V absorbers with the scalability of silicon. This thesis evaluates a back to back series tandem in which a commercial GaInP2/InGaAs/Ge triple junction III–V cell and a bifacial heterojunction silicon (HJT) cell are optically independent yet electrically connected in series. Because the subcells are illuminated from opposite sides, the stack remains optically decoupled and current matching is achieved by tuning rear irradiance: the III–V cell retains a full metal rear contact, while the HJT cell harvests rear side albedo illumination for current matching, avoiding tunnel junctions, intermediate optics, and 4 terminal wiring. Transparent conductive adhesive (TCA) based mechanical stacking and surface planarization are investigated to reduce interconnection losses and improve optical alignment and repeatability. To assess manufacturable pathways for next generation tandems, an inverted metamorphic (IMM) III–V wafer is processed via selective substrate etching, demonstrating feasibility for epitaxial lift off (ELO) and substrate reuse.
Under dual side illumination (1 Sun front / 0.3 Sun rear), the fabricated tandem device delivers Voc = 3.41 V, Jsc = 12.54 mA/cm², FF = 82.26%, and total efficiency η = 35.18%, exceeding the standalone III–V (29.25%) and HJT (21.52%) cells. This verifies albedo assisted current matching as an effective mitigation of series mismatch losses in III–V/Si tandems. To connect device performance to application value, the validated efficiencies are used as direct inputs for PVsyst based building integrated photovoltaics (BIPV) simulations spanning rooftop, tracking, and vertical façade cases. The system level results show that the preferred technology depends on the design objective: dual axis tracking maximizes total annual yield in unconstrained area (1563.1 MWh), whereas for space limited BIPV the tandem increases energy yield density by 64.7% (0.402 MWh m⁻² yr⁻¹) relative to a bifacial HJT reference, supporting zero energy building targets in dense urban environments. For aesthetics driven façades, bifacial operation remains essential, providing yield gains up to 58.0% on non south facing orientations. Overall, this device to system study validates an albedo matched, series connected III–V/Si architecture and outlines process routes toward scalable high efficiency tandem modules.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 단일 접합 실리콘 태양전지 효율 한계를 극복하고 설치 면적이 제약된 BIPV(Building Integrated Photovoltaics) 환경에서 고밀도 발전을 달성하기 위한 III-V/Si 탠덤 태양전지의 소자 시스템(device to system) 통합 연구를 수행하였다. 상용 GaInP₂/InGaAs/Ge 3접합 III-V 셀과 양면 수광형 HJT 실리콘 셀을 광학적으로 분리하되 전기적으로 외부 직렬 연결하는 Back to Back Series Tandem 구조를 구현하여, 상부 III-V 셀은 전면 1 Sun, 하부 HJT 셀은 후면 알베도 0.3 Sun 조건에서 구동함으로써 터널 접합이나 중간 광학계 없이도 전류 정합을 달성하였다. 이때 상부 III-V 셀은 금속 후면 전극을 그대로 유지하면서 하부 셀만 알베도 광을 수확하도록 설계하여, 이종 재료 간 격자·열 팽창 계수 차이에서 기인하는 집적 제약을 완화하고, 전류 불일치에 따른 직렬 손실을 알베도 세기 제어만으로 보상할 수 있음을 보였다. 제작된 Back to Back 탠덤 소자는 전면 1 Sun/후면 0.3 Sun의 양면 조사 하에서 Voc 3.41 V, Jsc 12.54 mA/cm², FF 82.26%를 기록하여 단일 III-V 셀(29.25%) 및 HJT 셀(21.52%)을 상회하는 35.18%의 변환 효율을 달성하였으며, 이를 통해 알베도 기반 전류 정합 전략이 III-V/Si 탠덤에서의 직렬 전류 불일치 손실을 효과적으로 저감하는 실질적 수단임을 실험적으로 검증하였다. 한편 차세대 박막 III-V/Si 탠덤의 공정 확장성과 원가 절감을 위해 MOCVD로 성장된 Inverted Metamorphic(IMM) III-V 웨이퍼를 대상으로 선택적 기판 식각 공정을 수행하여 Epitaxial Lift-Off(ELO) 및 III-V 기판 재사용 가능성을 평가하였다. 이 과정에서 PDMS(Sylgard) 캡슐화를 통해 Ni/Au 전극을 NH₄OH+H₂O₂ 및 HCl 기반의 공격적인 습식 식각 환경에서 안정적으로 보호할 수 있음을 확인하였으며, Al/Ag 전극의 용해, Cu 테이프에 기인한 오염, Cap etching 부재로 인한 기생 흡수층 잔존 등 대표적인 실패 모드를 분석함으로써 내화학성이 우수한 전극 재료 선택과 공정 청정도 확보가 III-V 박막 이행 공정에서 핵심 설계 변수임을 도출하였다. 마지막으로, 실험적으로 검증된 HJT(21.52%), III-V(29.25%), III-V/Si 탠덤(35.18%) 셀 효율을 직접 모듈·시스템 파라미터로 변환하여 PVsyst 기반 BIPV 시뮬레이션에 적용함으로써, 소자 성능이 실제 건물 적용 시 어떤 시스템적 가치를 가지는지 정량 평가하였다. 수원 지역 기상 조건을 가정한 1 MWp 기준 분석 결과, 면적 제약이 지배적인 BIPV 조건에서 III-V/Si 탠덤 양면 모듈은 30° 고정 경사 설치 시 0.402 MWh/m²/year(≈402 kWh/m²/year)의 에너지 생산 밀도를 기록하여 바이페이셜 HJT 참조 모듈 대비 64.7% 높은 면적 효율을 제공하고, 동일 용량 구성 시 요구 설치 면적을 약 39.3%까지 절감할 수 있음을 보였다. 또한 미관 중심의 비남향 수직 파사드·펜스형 BIPV 시나리오에서 양면 모듈 적용 시 동·서향 설치에서 단면형 대비 최대 58.0%의 연간 발전량 이득을 확보할 수 있음이 나타나, 알베도 활용 양면 탠덤을 고일사·고자유도 면적(지붕, 옥상)에 우선 배치하고, 수직 파사드에는 고미관 양면 모듈을 혼합 배치하는 전략이 도시형 ZEB(Zero Energy Building) 달성에 유리함을 확인하였다. 종합하면, 본 연구는 알베도 기반 전류 정합과 기계적 적층 직렬 연결을 결합한 III-V/Si Back to Back 탠덤 아키텍처를 통해 35.18%의 고효율 소자를 실현하고, IMM/ELO 공정 가능성을 입증하는 한편, BIPV 시스템 수준에서의 면적 효율 및 발전량 이득을 정량적으로 제시함으로써 고안정성·고효율 III-V 계열 탠덤 기술이 고밀도 에너지 수확과 건축 디자인 유연성을 동시에 요구하는 차세대 도시형 BIPV에 적합한 실용적 해법임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Background and Necessity of Research 1
• 1.2 Previous Research Trends 3
• 1.3 Objectives and Distinctiveness of the Present Study 4
• 2. Theoretical Background 7
• 2.1 Overview of Tandem Solar Cells and III-V/Si Integration 7
• 2.2 Interconnection Architectures: 2T, 3T, 4T, and Beyond 11
• 2.3 III-V Solar Cell Structures and Material Considerations 13
• 2.4 Transparent Conductive Adhesives and Optical Interfacing 14
• 2.5 Albedo Utilization in Bifacial Tandem Structures 16
• 2.6 Need for BIPV and Zero-Energy Building Goals 18
• 3. Experimental Methods and Simulation 21
• 3.1 Simulation-Based Optimization of III-V/Si Tandem Design 21
• 3.2 Simulation-Guided Fabrication of III-V and Si Subcells 24
• 3.3 Optical and Electrical Integration via Transparent Conductive Adhesives 26
• 3.4 Measurement Setup and Optical Alignment 31
• 3.5 Evaluation of IMM Wafer Etching for Tandem Feasibility 33
• 4. Results and Discussion 37
• 4.1 Optimal Structural Designs of III-V Solar Cells for Tandem Applications 37
• 4.2 Development and Fabrication Optimization of ELO based III-V Tandem Cells 42
• 4.3 Optimization of Silicon Heterojunction (HJT) Bottom Cells for High Efficiency Tandem Integration 48
• 4.4 Performance Maximization Strategy for High Efficiency III-V/Si Tandem Solar Cells Utilizing Albedo 51
• 5. High Efficiency Cells to Building Integrated Photovoltaics: From Device Merits to System Yield 57
• 5.1 BIPV System Application Scenarios and Performance Analysis Methodology 57
• 5.2 Comparative Analysis of Rooftop and Balcony BIPV System Performance 63
• 5.3 Expected Benefits and Future Prospects of BIPV Systems with High Efficiency Tandem Cells 77
• 6. Conclusion 82
• References 84