Optimization of ITO optoelectrical properties for high efficiency Perovskite/Si tandem solar cells and their system applications

국문 초록 (Abstract)

페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 기존 단일 접합 실리콘 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘을 잠재력을 지니고 있어 차세대 유망한 광전 기술로 주목받고 있습니다. 다양한 탠덤 구조 중에서도 2T 모놀리식 페로브스카이트/Si 탠덤 태양전지는 간단한 소자 구조, 직렬 연결, 높은 이론적 효율 등의 장점을 제공합니다. 그러나 2T 탠덤 소자는 4T과 다르게 두 태양전지를 Inter connection layer (ICL)를 통해 직렬로 연결하기 때문에 이 연결층은 효율적인 전하 재결합, 낮은 전기 저항, 높은 광학적 투명도, 특히 근적외선(NIR) 영역에서의 높은 광학적 투명도를 동시에 제공해야 합니다. 해당 논문에서는 고효율 탠덤 태양전지의 전기적, 광학적 특성 향상을 위해 ICL로 사용되는 ITO의 특성을 최적화하였다. 최적의 전하 수송, 재결합 효율 및 광 투과율 간의 균형을 얻기 위해 주석의 도핑 농도, 스퍼터링 증착 온도 및 Reactive sputtering을 통한 산소 첨가량이 박막에 주는 영향을 조사하였다. ITO의 캐리어 농도를 1.0x1020 cm-3 수준으로 유지하고 150 ℃ 이상의 온도에서 0.5% 정도의 소량의 산소주입을 통해 ITO의 투과도를 96% 이상으로 그리고 면저항을 300 Ohm/sq 이하로 확보함으로써19mA/cm2 이상의 높은 current density 와 28% 이상의 높은 탠덤 태양전지 효율을 확보하였다.
추가적으로 영농형 태양광 시스템 최적화를 위하여 PVSYST 시뮬레이션을 통해 모듈의 설치각도, Pitch, 모듈 타입에 따른 모듈 파워 생산량 지면 일사량을 분석한다. 가장 높은 지면 일사량과 PPFD를 확보할 수 있는 수직형 영농형 모듈에 최적화된 양면형 탠덤 태양전지를 적용하여 기존의 단면 태양광 모듈에 비해 파워 생산량이 증가하고 모듈이 차지하는 면적을 줄여 차광률을 약 20% 낮출수 있는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Perovskite/silicon tandem solar cells have attracted significant attention as a promising next-generation photovoltaic technology due to their potential to surpass the efficiency limits of conventional single-junction silicon solar cells. Among various tandem configurations, two-terminal (2T) monolithic perovskite/Si tandem solar cells offer advantages such as a simple device architecture, series electrical connection, and high theoretical efficiency. However, unlike four-terminal (4T) tandem devices, 2T tandem solar cells require the two sub-cells to be electrically connected in series through an interconnection layer (ICL). Consequently, the ICL must simultaneously provide efficient charge recombination, low electrical resistance, and high optical transparency, particularly in the near-infrared (NIR) region.
In this study, the properties of indium tin oxide (ITO) used as the ICL were optimized to enhance the electrical and optical performance of high-efficiency tandem solar cells. To achieve an optimal balance between charge transport, recombination efficiency, and optical transmittance, the effects of tin doping concentration, sputtering deposition temperature, and oxygen incorporation via reactive sputtering on the thin-film properties were systematically investigated. By maintaining the carrier concentration of ITO at approximately 1.0 × 1020 cm⁻³ and introducing a small amount of oxygen (~0.5%) during sputtering at deposition temperatures above 150 °C, an optical transmittance exceeding 96% and a sheet resistance below 300 Ohm/sq were achieved. As a result, a high current density exceeding 19 mA/cm2 and a tandem solar cell efficiency above 28% were successfully demonstrated.
In addition, to optimize agrivoltaic photovoltaic systems, PVSYST simulations were conducted to analyze the effects of module tilt angle, array pitch, and module type on power production and ground-level irradiance. By applying bifacial tandem solar modules optimized for vertical agrivoltaic configurations which provide the highest ground irradiance and PPFD it was confirmed that power generation can be increased compared to conventional monofacial photovoltaic modules. Furthermore, the required module installation area was reduced, leading to an approximately 20% reduction in shading ratio. These results demonstrate the strong potential of bifacial tandem solar cells as an effective solution for enhancing both energy generation and agricultural productivity in agrivoltaic systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Importance of photovoltaic system 1
• 1.2 Challenges and research trends of solar cells 2
• 1.3 Objective of this thesis 4
• 2. Theoretical background 6
• 2.1 High-Efficiency Heterojunction Solar Cell 6
• 2.2 High-efficiency tandem solar cell 12
• 2.3 Recombination junction for 2T tandem solar cell 17
• 2.4 Agrivoltaics system application 21
• 3. Experimental details 26
• 3.1 Bottom Silicon solar cell fabrication 26
• 3.2 Tandem solar cell fabrication 31
• 3.3 Design Methodology for the Agrivoltaics Photovoltaic System 32
• 4. Results of the tandem solar cell 34
• 4.1 Improvement of optoelectrical properties of Si bottom solar cell 34
• 4.2 Optical and electrical properties of 2T tandem solar cell 40
• 5. Design of Agrivoltaics Photovoltaic Systems with Bifacial Tandem Module 51
• 5.1 Modeling and optimization of the Agrivoltaics PV system 51
• 5.2 Agrivoltaics system with a bifacial tandem module 58
• 6. Conclusion 63
• Reference 65
• Korean Abstract 74