단결정 실리콘 태양전지의 열화에 따른 전기적 성능 저하 메커니즘 분석 = An Analysis of the Electrical Performance Deterioration Mechanisms of Single-Crystal Silicon Solar Cells

국문 초록 (Abstract)

실외 광 노출·주기적 열처리 그리고 둘을 병행한 복합 스트레스 조건에서 결정질 실리콘 태양전지의 초기 열화에 대한 데이터를 비교하고 분석하는 것을 목표로 한다. 태양전지의 수명이 약 25년 이상임을 생각하면 16주의 관찰 기간은 일부에 불과하다. 하지만 셀시뮬레이터 장치를 통하여 태양전지의 I− V 곡선을 주기적으로 측정함으로써 조건별 스트레스의 초기 성능을 정량적으로 평가하였다. 실외 노출과 열처리를 동시에 적용한 복합 스트레스 그룹에서 단일 스트레스 그룹보다 효율 향상이 가장 크게 관찰되었고 Voc 손상이 최소 화되는 동시에 Vmp와 FF가 함께 개선되는 결과를 도출했다. 하지만 단일 열스트레스 그룹은 FF가 증가하는 대신 Voc가 감소하여 고온 조건이 접촉 특성을 개선하는 동시에 다시 회복할 수 없는 전압 열화를 유발한다는 점을 추론 하였다. 상시 실외 광 노출을 적용한 그룹은 초기 몇 주의 미미한 변화 이후 일정한 효율을 유지하여 따뜻한 환경에서는 단기간에 뚜렷한 열화가 발생하지
않음을 확인하였다.
연구 기간이 짧고 혼자 연구를 진행하여 시편의 수와 측정 빈도가 제한적이 며, SEM 등 분석 장비를 제대로 활용하지 못했다는 점에서 열화 메커니즘을심층적 연구에 한계를 지닌다. 실제로 실외 환경 여건이 계속해서 변화하여 개별 요인의 영향을 파악하기 힘들었으며 결과의 재현성과 장기 예측에 불확 실성을 남긴다. 복합 스트레스 조건이 단일 스트레스 조건보다 초기 성능 안정성 측면에서 유리하다는 가설의 방향을 확인하였다. 네 가지 전기적 파라미 터의 분석을 통해 태양전지 열화 연구의 후속 실험 설계와 장기 신뢰성 평가에 유의미한 기초자료를 제공하고자 한다. 연구의 결과는 예비적 수준임을 전제로 하면서도, 향후 장기 야외 시험과 정밀·물성 분석을 통해 태양전지 열화 메커니즘을 심층적으로 학습하기 위한 시발점으로서 학문적 가치를 가진다는 점을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• I . 서 론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
• 1. 연구의 배경---------------------------------- 1
• 2. 결정질 실리콘 태양전지 선정-------------------- 2
• 1) 높은 효율과 안정성------------------------- 3
• 2) 재료의 풍부함과 무독성------------------------ 3
• 3) 성숙한 제조공정과 규모의 경제------------------- 3
• 4) 방대한 산업 생태계------------------------ 3
• 3. 실리콘 태양전지 상용 효율의 발전 추이--------------- 5
• 4. 연구의 필요성---------------------------------- 9
• 5. 연구의 목적----------------------------- 10
• 1) 광 스트레스(A그룹)----------------------------- 10
• 2) 열 스트레스(B그룹)----------------------------- 10
• 3) 복합 스트레스(C그룹)--------------------------- 10
• 6. 연구의 범위 및 내용------------------------------ 11
• 7. 연구의 구성------------------------------------- 12
• I I . 이 론 적 배 경 ----------------------------- 13
• 1. 태양전지 기본 구조와 작동 원리------------------- 13
• 1) 단결정 실리콘 셀의 일반적인 구조----------------- 13
• 2) 태양광 실리콘 태양전지 작동 원리------------------ 14
• 3) 태양전지의 출력 특성 ----------------------- 15
• 4) I-V곡선을 통해 해석할 수 있는 열화 패턴 - -- 19
• 2. 열화 매커니즘 개요----------------------------- 20
• 1) 광유도 열화----------------------------------- 20
• 2) 광·열 복합 열화-------------------------------- 23
• 3) 열 스트레스에 의한 열화------------------------- 23
• 3. 열화와 전기적 파라미터의 상관관계----------------- 24
• 4. 열화 진단 기법---------------------------------- 25
• 1) I-V 측정--------------------------------- 25
• 2) 열화상 분석-------------------------------- 25
• 5. 열화와 실험의 연관성------------------------ 26
• III. 실험 방법---------------------------------- 27
• 1. 실험 개요--------------------------------------- 27
• 2. 시편 정보 ------------------------------------ 28
• 3. 그룹 구성 및 실험 조건---------------------------- 30
• 1) A그룹 – 실외 노출 조건------------------------ 30
• 2) B그룹 - 열 스트레스 조건--------------------- 31
• 3) C그룹 - 복합 스트레스 조건---------------------- 31
• 4. 실험 장치 사진----------------------------- 32
• 5. 실험 진행 사진----------------------------- 37
• 6. 실험데이터 분석 계획----------------------------- 44
• 1) 각 그룹 태양전지의 효율 및 전기적 특성 변화 ----- 44
• 2) 편차 있는 항목과 제한 요소------------------ 44
• 3) 분석 항목 구성------ ------ ------ ------ - 45
• 4) 이상값 분석----------------------------------- 45
• 5) 대표셀 비교-------------------------------- 46
• 6) 측정 및 분석 항목 정리----- ------ ------ - 46
• IV. 실험 결과 및 분석--------------------------- 47
• 1. 그룹별 태양전지 효율·전기적 특성 변화 (첫 번째 장소)-- 47
• 1) 그룹 A(광·환경 스트레스) 실험 결과 및 분석---------47
• 2) 그룹 B(열 스트레스) 실험 결과 및 분석------------ 48
• 3) 그룹 C(복합 스트레스) 실험 결과 및 분석---------- 49
• 2. 그룹 A, B, C의 평균값 그래프 분석 및 효율 비교----- 51
• 1) 그룹 A, B, C의 평균값 분석-----------------------51
• 2) Isc-Voc, FF 상관관계 분석----------------------- 52
• 3) Rs, Rsh 변화 경향 및 열화 진행 매커니즘---------- 53
• 4) C그룹의 극한 조건과 복합 스트레스의 시너지 효과---- 54
• 5) 각 그룹의 열화 안정성 분석 및 셀 간 편차---------- 55
• 3. 그룹별 태양전지 효율·전기적 특성 변화 (두 번째 장소)-- 56
• 1) A그룹 – 실외 노출 조건-------------------------56
• 2) B그룹 – 열 스트레스 조건--------------------- 59
• 3) C그룹 – 복합 스트레스 조건--------------------- 63
• 4. 그룹별 셀에 대한 결론(두 번째 장소)----------------- 67
• 1 ) 그룹 A, B, C에 대한 연구결과---------------------67
• 5. 종합 분석 결과(부록 B 참조)--------------------- 70
• 1) 복합 스트레스가 단일 스트레스 보다 우수-----------70
• 2) 그룹별 메커니즘------------------------------- 70
• 3) 시간 경과에 따른 특성------------------------ 70
• 4) 셀별 일관성------------------------------- 70
• V. 결론-------------------------------------------- 71
• 부 록 A-------------------------------------------- 76
• 부 록 B-------------------------------------------- 130