박막 실리콘 태양전지의 광열화현상 연구: 비정질 실리콘 태양전지 및 나노양자점 실리콘 박막 태양전지

김가현 한국태양에너지학회 2019 한국태양에너지학회 논문집 Vol.39 No.1

Light induced degradation is one of the major research challenges of hydrogenated amorphous silicon related thin film silicon solar cells. Amorphous silicon shows creation of metastable defect states, originating from elevated concentration of dangling bonds during light exposure. The metastable defect states work as recombination centers, and mostly affects quality of intrinsic layer in solar cells. In this paper we present results of light induced degradation in thin film silicon solar cells and discussion on physical origin, mechanism and practical solutions of light induced degradation in thin film silicon solar cells. In-situ light-soaking IV measurement techniques are presented. We also present thin film silicon material with silicon nano-quantum dots embedded within amorphous matrix, which shows superior stability during light-soaking. Our results suggest that solar cell using silicon nano-quantum dots in abosrber layer shows superior stability under light soaking, compared to the conventional amorphous silicon solar cell.

모듈 형태별 태양광 발전 비교 실증 분석

박재환,박준훈 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2016 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.6 No.11

Solar power generation has been a renewable energy that have large electric capacity and long life spans. There are different kinds depending on the form and function of solar module and the characteristics of the types are different. In this study, the electrical efficiency of several photovoltaic modules (crystalline solar-cell and thin-film solar-cell) under different driving condition (fixed and tracking) was studied. The maximum electrical power output of modules were 107% (crystalline solar-cell / tracking), 107% (crystalline solar-cell / fixed), and 72% (thin-film solar-cell / fixed). The electric power generation time of modules were 7.8h (crystalline solar-cell / tracking), 4.2h (thin-film solar-cell / fixed), and 6.3h (crystalline solar-cell / fixed). The overall electric performance of the thin film module was rather low, which could be attributed to the efficiency degradation after module fabrication. Electric power generation reaches from Mar. to Apr. when the solar radiation is quite enough and the ambient temperature is rather low. 태양광발전은 수명이 길고 발전용량이 큰 신재생에너지이다. 태양전지 모듈은 형태와 기능에 따라 다양한 종류가 있으며, 각각의 발전 특성이 다르다. 본 연구에서는 태양전지 모듈의 종류 (결정질, 박막) 및 구동방식 (추적식, 고정식)의 변화에 따른 발전 특성을 조사하였다. 시설용량 대비 최대 순간 발전량은 결정질 Si (양축식) 107%, 결정질 Si (고정식) 107%, 박막 Si (고정식) 72%로 나타났다. 일일 최대 발전시간은 결정질 Si (양축식) 7.8시간, 박막 Si (고정식) 4.2시간, 결정질 Si (고정식) 6.3시간으로 나타났다. 전체적으로 박막 모듈의 발전 성능이 떨어지는 것은 박막 모듈 제조 이후 시간경과에 따른 효율 저하율이 크기 때문인 것으로 판단된다. 태양광 추적형 (양축식) 모듈은 시스템이 복잡한 단점이 있으나, 고정식 모듈에 비하여 24% 정도 더 우수한 발전량을 나타내었다. 태양광 발전이 최대가 되는 시기는 3~4월이며, 이는 일사량이 어느 정도 보장되면서 외기 온도가 낮은 기후적 특성에 기인하는 것으로 보인다.

태양전지를 활용한 도시디자인 사례분석 연구 : CIGS 박막 태양전지의 활용을 중심으로

박지훈,남원석,장중식 한국융합학회 2020 한국융합학회논문지 Vol.11 No.3

본 연구는 최근 급속도로 성장하고 있는 태양전지를 활용한 국내외 도시 디자인의 현황과 동향을 파악하고, 사례 분석을 토대로 향후 진행할 연구과제인 CIGS 박막 태양전지를 활용한 도시 디자인 제안의 긍정적인 측면과 시사 점을 파악하고자 하였다. 연구 방법은 문헌연구를 통하여 이론적 고찰을 진행하였고, 이후에 국내외 태양전지를 활용한 도시 디자인의 현황과 동향을 파악하여 사례를 조사·분석하였다. 그 결과 태양전지를 활용한 도시 디자인은 꾸준히 증가 하고 있음을 확인하였으며, 주변 환경과의 조화, 실내외 동반 미관창출, 색상의 활용 등의 시각적인 변화를 통하여 심미 적 도시 미관창출의 긍정적 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 시사점을 바탕으로 CIGS 박막 태양전지를 도시 디자인에 활용하였을 때 올 수 있는 기대효과를 제시하고, 향후 진행할 CIGS 박막 태양전지를 활용한 도시 디자인 제안 에 대한 방향성과 의의를 확인하고자 한다. This research was to understand the current situation and trends of urban design using rapidly growing solar cells at home and abroad, and to understand the positive aspects and implications of urban design proposals using CIGS thin film solar cells, a research project to be conducted based on case analysis. The research method was conducted through a literature study and the case was investigated and analyzed after identifying the present situation and trends of urban design using solar cells from home and abroad. As a result, it was confirmed that urban design using solar cells was steadily increasing, and through visual changes such as harmony with the surrounding environment, indoor and outdoor visualization, and the use of color, urban aesthetic beauty creation was positive. Based on these implications, we will present the expected effects of CIGS thin film solar cells being utilized in urban design, and confirm the direction and significance of the urban design proposal using CIGS thin film solar cells in the future.

CIGSe₂ 박막태양전지용 Mo 하부전극의 물리ㆍ전기적 특성 연구

최승훈(Seung-Hoon Choi),박중진(Joong Jin Park),윤정오(Jeong Oh Yun),홍영호(Young Ho Hong),김인수(In Soo Kim) 한국진공학회(ASCT) 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.3

CIGS 박막 태양전지 기판소재인 소다라임유리 표면에 플라즈마 전처리 후 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 Mo 박막을 제조하였다. 증착압력과 증착시간 변화에 따른 Mo 박막의 물리적, 전기적 특성을 분석하였고, 셀렌화 처리 조건에 따른 MoSe₂ 생성 여부와 경향성을 연구하였으며, Mo 박막 두께에 따른 AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 구조의 태양전지를 제조하여 그 특성을 분석 및 평가하였다. 증착압력이 4.9 mTorr에서 1.3 mTorr로 감소할수록 치밀하고 결정입자 사이의 공극이 적고, 증착속도가 감소하고 전기저항도가 낮은 Mo 박막이 증착되었다. 증착온도가 상온에서 200oC로 증가할수록 Mo 박막은 치밀한 구조를 가지고 결정성은 향상되어 면저항이 낮게 나타났다. 셀렌화 시간이 길어질수록 Mo 박막 층은 줄어들고, MoSe₂ 층 생성두께가 커지는 것을 알 수 있었고, 열처리로 인해 결정화 되면서 전체 박막의 두께가 줄어들었으며, MoSe₂ 층의 배양성은 c축이 Mo 표면과 수직 방향으로 성장된 것을 알 수 있었다. Mo 박막의 두께가 1.2 ㎛와 0.6 ㎛인 AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 구조로 이루어진 CIGS 박막 태양전지를 제조하였다. Mo 박막의 두께가 1.2 ㎛일 때 보다 0.6 ㎛일 때 CIGS 박막태양전지의 변환 효율은 9.46%로 비교적 우수한 특성을 나타났다. CIGS 박막 태양전지에서 하부전극인 Mo 박막 특성은 유리기판 및 광흡수 층과의 계면 형성 따라 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었고, 유리기판의 플라즈마 처리와 Mo 박막의 두께 조절로 Na 효과 및 MoSe₂층 형성 제어함으로써 CIGS 박막 태양전지의 특성 개선에 효과를 가질 수 있었다. In this Study, Mo back electrode were deposited as the functions of various working pressure, deposition time and plasma per-treatment on sodalime glass (SLG) for application to CIGS thin film solar cell using by DC sputtering method, and were analyzed Mo change to MoSe₂ layer through selenization processes. And finally Mo back electrode characteristics were evaluated as application to CIGS device after Al/AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG fabrication. Mo films fabricated as a function of the working pressure from 1.3 to 4.9mTorr are that physical thickness changed to increase from 1.24 to 1.27 ㎛ and electrical characteristics of sheet resistance changed to increase from 0.195 to 0.242 Ω/sq as according to the higher working pressure. We could find out that Mo film have more dense in lower working pressure because positive Ar ions have higher energy in lower pressure when ions impact to Mo target, and have dominated (100) columnar structure without working pressure. Also Mo films fabricated as a function of the deposition time are that physical thickness changed to increase from 0.15 to 1.24 ㎛ and electrical characteristics of sheet resistance changed to decrease from 2.75 to 0.195 Ω/sq as according to the increasing of deposition time. This is reasonable because more thick metal film have better electrical characteristics. We investigated Mo change to MoSe₂ layer through selenization processes after Se/Mo/SLG fabrication as a function of the selenization time from 5 to 40 minutes. MoSe₂ thickness were changed to increase as according to the increasing of selenization time. We could find out that we have to control MoSe₂ thickness to get ohmic contact characteristics as controlling of proper selenization time. And we fabricated and evaluated CIGS thin film solar cell device as Al/AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG structures depend on Mo thickness 1.2 ㎛ and 0.6 ㎛. The efficiency of CIGS device with 0.6 ㎛ Mo thickness is batter as 9.46% because Na ion of SLG can move to CIGS layer more faster through thin Mo layer. The adhesion characteristics of Mo back electrode on SLG were improved better as plasma pre-treatment on SLG substrate before Mo deposition. And we could expect better efficiency of CIGS thin film solar cell as controlling of Mo thickness and MoSe₂ thickness depend on Na effect and selenization time.

박막형 태양전지 응용을 위한 ITZO 박막의 기판 종류에 따른 특성 분석

정양희(Yang-Hee Joung),강성준(Seong-Jun Kang) 한국전자통신학회 2021 한국전자통신학회 논문지 Vol.16 No.6

본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 법으로 유리, 사파이어, PEN 기판 위에 ITZO 박막을 증착하여 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. 유리와 사파이어 기판위에 증착한 ITZO 박막의 비저항은 각각 3.08×10-4 과 3.21×10-4 Ω-cm로 큰 차이를 보이지 않은 반면 PEN 기판위에 증착한 ITZO 박막의 비저항은 7.36×10-4 Ω-cm로 다소 큰 값이 측정되었다. 기판의 종류와 무관하게 ITZO 박막의 평균 투과도의 차이는 크지 않았다. 유리 기판위에 증착한 ITZO 박막의 비정질 실리콘 박막 태양전지의 흡수영역에서의 평균 투과도와 P3HT : PCBM 유기물 활성층의 흡수영역에서의 평균 투과도를 이용하여 구한 재료평가지수는 각각 10.52와 9.28×10-3 Ω-1로 가장 우수한 값을 나타내었다. XRD와 AFM 측정을 통해, 기판의 종류에 상관없이 모든 ITZO 박막이 비정질 구조를 나타내며 핀홀이나 크랙 같은 결함이 없는 표면을 가짐을 확인할 수 있었다. In this study, ITZO thin films were deposited on glass, sapphire, and PEN substrates by RF magnetron sputtering, and their electrical and optical properties were investigated. The resistivity of the ITZO thin film deposited on the glass and sapphire substrates was 3.08×10-4 and 3.21×10-4 Ω-cm, respectively, showing no significant difference, whereas the resistivity of the ITZO thin film deposited on the PEN substrate was 7.36×10-4 Ω-cm, which was a rather large value. Regardless of the type of substrate, there was no significant difference in the average transmittance of the ITZO thin film. Figure of Merits of the ITZO thin film deposited on the glass substrate obtained using the average transmittance in the absorption region of the amorphous silicon thin film solar cell and the absorption region of the P3HT : PCBM organic active layer were 10.52 and 9.28×10-3 Ω-1, respectively, which showed the best values. Through XRD and AFM measurements, it was confirmed that all ITZO thin films exhibited an amorphous structure and had no defects such as pinholes or cracks, regardless of the substrate type.

플라스틱 기판 위에 Ge 농도에 따른 a-Si:H/a-SiGe:H 이중 접합 구조의 특성 및 대면적 유연성 박막 태양전지 모듈 제작

김용현,김인기,편승철,함창우,김성배,박원석,박창균,강형동,유천,강승호,김성원,원동영,최영,남주현 한국물리학회 2011 새물리 Vol.61 No.10

Experimental results relating to the structural, optical, and electrical properties of a-SiGe:H layers and the light conversion efficiency of a-Si:H/a-SiGe:H tandem cells are presented. Tandem cells have been integrated on polyimide films by using large area (450×450cm²) DC sputtering, plasma-enhanced chemical vapor deposition, metalorganic chemical vapor deposition and laser scribing. For all the a-SiGe:H films, their optical energy band gaps, photo conductivities, and crystalline structures are analyzed by using an UV/Visible spectrometer, a source measurement unit, and a Raman spectrometer, respectively. Furthermore, the light conversion performances are characterized by using a Sun simulator to measure the efficiency, Voc, Jsc, and FF of a-Si:H/a-SiGe:H tandem cells. The external quantum efficiency (EQE) test for the tandem cells has been performed. The results reveal better conversion performance, such as a higher initial efficienc of 8.7%in a small area (0.25 cm²) and 7.96% in a large area (504cm²). All the experimental results obtained in this study indicate that the light conversion efficiency is satisfactory for applications to thin film solar cells, particularly flexible,foldable, portable solar cells. 본 연구에서는 플라스틱 기판 위에 3.5세대 (450×450cm²)급스퍼터, 금속유기 화학기상증착장치, 플라즈마 화학기상증착장치, 레이저가공장치를 이용하여a-Si:H/a-SiGe:H 이중접합을 갖는 태양전지를제작하였고, 광 변환효율 특성을 평가하였다. 전도도, 라만 분광 및UV/Visible 분광 분석을 통하여 박막의 전기적, 구조적, 광학적 물성을평가하여 단위박막의 물성을 최적화 했다. 또한 제작된 태양전지는 쏠라시뮬레이터를 이용하여 성능 평가를 수행하였고, 상/하부층의 전류정합을 위해 외부양자효율을 분석하였다. 제작된 접이식 이중접합태양전지는 소면적 (0.25cm²) 에서 광변환 효율 초기8.7%, 대면적(504cm²)에서 7.96%를 확보하였으며, 성능 향상을 위해 대면적패턴 가공 및 공정 기술 개선을 수행 중이다.

표면 플라즈몬 효과를 이용한 박막형 태양전지 효율향상

변수환 ( Soo Hwan Byun ),소현준 ( Hyun Jun Soh ),유정훈 ( Jeong Hoon Yoo ) 정보저장시스템학회 2012 정보저장시스템학회논문집 Vol.8 No.2

In spite of many advantages, the practical application of the thin film solar cell is restricted due to its low efficiency compared with the bulk type solar cells. This study intends to adopt the surface plasmon effect using nano particles to solve the low efficiency problem in thin film solar cells. By inserting Ag nano-particles in the absorbing layer of a thin film solar cell, the poynting vector value of the absorbing layer is increased due to the strong energy field. Increasing the value may give thin film solar cells chance to absorb more energy from the incident beam so that the efficiency of the thin film solar cell can be improved. In this work, we have designed the optimal shape of Ag nano-particle in the absorbing laser of a basic type thin film solar cell using the finite element analysis commercial package COMSOL. Design parameters are set to the particle diameter and the distance between each Ag nano-particle and by changing those parameters using the full factorial design variable set-up, we can determine optimal design of Ag nano-particles for maximizing the poynting vector value in the absorbing layer.

SiO_x 나노입자 박막을 이용한 저반사 태양전지 유리패널

곽진석,김종수,김동호,권진혁,박민수,황성기,정태교,이홍수 한국물리학회 2011 새물리 Vol.61 No.2

SiO_x 나노입자 투명 단층박막을 태양전지 유리패널에 코팅하여 낮은 제조 비용으로 유리패널 표면에서 반사되어 손실되는 태양광을 줄임으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 맥스웰 방정식에서 박막의 광학적 특성을 고려한 후, 박막의 두께와 굴절율에 따른 최적의 반사와 투과 조건을 이론적으로 알아보았다. 그리고 이 이론에 근거하여 담금방법으로 SiO_x 나노입자 투명 단층박막을 강화유리기판 위에 코팅한 시료의 투과율을 자외선/가시광선/적외선 분광기(UV/VIS/IR Spectrometer)로 투과율을 측정하였다. 측정 결과 SiO_x 나노입자가 박막으로 코팅한 시료는 기존 유리기판과 비교하여 가시광 영역에서 투과율이 약 5%정도 향상되었다. In this paper, in order to improve the optical efficiency of solar cells by decreasing light loss of the solar beam incident on the surface of a glass panel, we present a low-reflective solar-cell glass panel using a low-cost, single-layer SiO_x nano-particle thin film. We found the theoretically optimized optical conditions of the thin film based on Maxwell’s equation. Subsequently, a singlelayer SiO_x nano-particle thin film was coated on a glass panel by using a dipping method; then, the transmittance was measured by an UV/VIS/IR spectroscope. The glass panel with this single-layer thin film showed a transmittance that was improved by 5% compared with the bare glass panel.

플라스틱 기판 위에 a-Si:H/a-SiGe:H 이중 접합 구조를 갖는 박막 태양전지 제작

김용현(Kim, Y.H.),김인기(Kim, I.K.),편승철(Pyun, S.C.),함창우(Ham, C.W.),김성배(Kim, S.B.),박원석(Park, W.S.),박창균(Park, C.K.),강형동(Kang, H.D.),유천(You, C.),강승호(Kang, S.H.),김성원(Kim, S.W.),원동영(Won, D.Y.),최영(Choi, Y.),남주현(N 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

가볍고, 유연성(flexibility)을 갖는 박막(thin film)형 플랙서블 태양전지(flexible solar cell)는 상황에 따른 형태의 변형이 가능하여, 휴대가 간편하고, 기존 혹은 신규 구조물의 지붕(rooftop)등에 설치가 용이하여, 차세대 성장 동력 분야에서 각광받고 있다. 그러나 아직까지 플랙서블 태양전지는 제작시 열에 의한 기판의 변형, 기판 이송시 너울 현상, 대면적 패터닝(patterning) 기술 등 많은 어려움 등으로 웨이퍼나 글라스 기판에 제조된 태양전지 대비 낮은 광전환 효율을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 플랙서플 태양전지 성능개선을 위해 3.5세대급 (450{times}450cm²) 스퍼터(sputter), 금속유기 화학기상장치 (MOCVD), 플라즈마 화학기상장치 (PECVD), 레이저 가공장치 (Laser scriber)를 이용하여 a-Si:H/a-SiGe:H 이중접합(tandem)을 갖는 태양전지를 제작하였고, 광 변환효율 특성을 평가하였다. 전도도(conductivity), 라만(Raman)분광 및 UV/Visible 분광 분석을 통하여 박막의 전기적, 구조적, 광학적 물성을 평가하여 단위박막의 물성을 최적화 했다. 또한 제작된 태양전지는 쏠라 시뮬레이터 (Solar Simulator)를 이용하여 성능 평가를 수행하였고, 상/하부층의 전류 정합 (current matching)을 위해 외부양자효율 (external quantum efficiency) 분석을 수행하였다. 제작된 이중접합 접이식 태양전지로 소면적(0.25cm²)에서 8.7%, 대면적(360cm² 이상) 8.0% 이상의 효율을 확보하였으며, 성능 개선을 위해 대면적 패턴 기술 향상 및 공정 기술 개선을 수행 중이다.

CIS 박막태양전지용 철계 연성 기판재의 열팽창 특성 연구

한윤호(Han, Yoonho),이민수(Lim, Minsu),송영식(Song, Youngsik),조용기(Cho, Yongki),임태홍(Yim, Taihong) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

차세대 태양전지로써 플렉서블 태양전지에 대한 연구가 활발하다. CIS 박막태양전지의 경우도 Glass base 태양전지 시스템 연구와 더불어 금속과 플라스틱 등 연성 기판재를 이용한 전지 시스템에 관한 연구가 진행 되고 있다. 그러나 태양전지의 핵심 부자재라고 할 수 있는 기판재에 대한 체계적인 연구는 미흡한 실정이다. 특히 플렉서블 박막태양전지용 기판재와 그 위에 적층되어 태양전지를 구성하는 박막 소재의 열팽창 거동들 사이에 차이가 있어 태양전지 시스템에 결함을 야기할 수 있다. 본 연구에서는 플렉서블 태양전지용으로 적용되거나 연구되고 있는 SUS 300 계열과 SUS 400번 계열을 중심으로 철계 연성 기판재의 열팽창 거동을 비교 분석하였다. 그리고 CIS 박막태양전지 제조 공정인 고온 박막 생성 공정의 열분석을 통해 기판재의 성능을 평가 하였다.