본 논문에서는 대면적 다중접합 박막 태양전지의 출력 불균일에 대하여 이상계수 분포를 활용한 분석 방법론을 제시하였고 이를 통해 이상계수 균일도를 고려한 모듈 설계 기법을 제안하였다. 여러 다중접합 박막 태양전지 중 본 논문에서는 비정질 실리콘 기반 삼중접합 박막 태양전지(Amorphous ...
본 논문에서는 대면적 다중접합 박막 태양전지의 출력 불균일에 대하여 이상계수 분포를 활용한 분석 방법론을 제시하였고 이를 통해 이상계수 균일도를 고려한 모듈 설계 기법을 제안하였다. 여러 다중접합 박막 태양전지 중 본 논문에서는 비정질 실리콘 기반 삼중접합 박막 태양전지(Amorphous Silicon based Triple Junction Thin Film Solar Cell: a-Si T/J Thin Film Solar Cell)를 사용하였다. 대면적 박막 태양전지 생산 공정에는 모듈화 과정이 동시에 진행되는 특징이 있어 태양전지의 출력 불균일이 그대로 태양전지 모듈의 출력 불균일에 영향을 끼친다. 출력 불균일 분석을 위해 밀봉(Encapsulation)하기 전 공정 중 태양전지 모듈 출력 단자와 연결하는 띠 결선(Tabbing) 이전 단계까지 진행한 태양전지 모듈을 활용하였다. 5G(1100×1300[㎟]) 크기의 대면적 샘플을 소면적(100×100[㎟]) 크기의 박막 태양전지 모듈로 가공하였다. 각 소면적 샘플 사이에는 샘플 분리 시 박막의 보호를 위해 4[㎝]의 간격을 두었다. P4(박막 태양전지 간 절연 공정을 위한 레이저)레이저를 통해 각 샘플 간 절연을 실시하였고, 총 72개의 소면적 박막 태양전지 모듈을 제작하였다. 대면적 태양전지 모듈에 대한 특성을 나타내는 샘플을 선정하기 위해 중앙부분과 모서리부분의 소면적 샘플을 선택하여 암(Dark) 전류 전압 특성 곡선을 측정하였다. 측정 결과, 중앙부분의 샘플에서 삼중접합 특성이 나타났다. 측정된 전류전압곡선에서 4곳의 선형구간을 발견하였고, 각 영역으로부터 이상계수를 비롯한 회로 파라미터들을 추출하였다. 추출한 파라미터들을 회로 모델에 적용시켜 측정한 결과와 비교하기 위해 3개의 회로 모델들을 제시하였다. 회로해석은 Hspice를 사용하였고 각 회로 해석은 다이오드가 동작하는 시점을 기준으로 회로 해석한 결과와 실체 측정값을 비교하여 5[%]이하의 오차가 나올 때 까지 이상계수를 제외한 파라미터들을 변수로 하여 반복 실험하였다. 측정한 암 전류 전압 곡선과 오차가 가장 적은 결과의 모델을 선정하였다. 대면적 샘플의 출력 균일도를 분석할 수 있는 위치의 소면적 샘플들을 선정하여 선정된 회로 모델을 바탕으로 암 전류 전압 곡선을 측정, 이상계수를 추출하였다. 각 위치별 추출 이상계수의 분포를 수직균일도와 수평균일도로 나누어 분석하였다. 수직 균일도의 경향 분석을 통해 중심영역에 위치한 샘플과 모서리 영역에 위치한 샘플들의 이상계수에 대한 경향을 구분하였다. 또한, 수평 균일도를 통해 박막 공정에서 나타나는 균일도 이상 지역을 각 층별로 판별하였다. 이상적인 이상계수를 계산하기 위해 반도체 이론으로부터 이론적 이상계수 계산 방법을 유도하였다. 유도된 계산 방법을 통해 삼중접합 태양전지의 총 이상계수와 총 역포화 전류, 각 층에 대한 최적 이상계수들을 제시하였다. 소면적 모듈 샘플의 측정값 중 개방전압과 단락 전류를 이론적 이상계수 계산 방법에 적용하여 제작 샘플의 이론적 최대 출력값을 예측하였다. 예측된 출력 특성과 측정된 출력 특성을 비교 분석하였다. 분석 결과, 8.35%의 최대 출력점 출력 차이를 나타내었고 개방전압의 경우 3.83%, 단락 전류의 경우 1.32%의 차이가 나타났다. 이러한 결과는 박막 태양전지 모듈 제작에서 이상계수를 개선할 때 출력 증대의 한계점으로 분석된다. 또한, 이상계수 표준편차와 출력과의 관계를 분석하였다. 이상계수 표준편차가 증가하면 박막 태양전지 모듈의 출력 감소를 확인하였고, 이를 통해 균일도 최적화에 대한 가능성을 제시하였다. 반도체 이론을 기반으로 연구한 결과이므로 본 연구에 대한 결과는 결정질 태양전지 모듈 연구에 동일하게 적용 가능하며 결정질 태양전지의 불균일 연구를 비롯한 여러 불균일에 대한 분석 연구에 활용 가능성에 대하여도 검토하였다. 본 연구 결과에서 제시한 이상계수를 통한 다중접합 박막 태양전지 모듈의 균일도 분석 방법으로 이상계수의 불균일을 분석하고, 이론적 이상계수 값을 계산하여 전체 및 층별 이상계수와 비교 분석, 출력 균일도를 최적화함으로써 높은 효율의 다중접합 태양전지 모듈 제조 기술에 도움이 될 것으로 기대한다.
본 논문에서는 대면적 다중접합 박막 태양전지의 출력 불균일에 대하여 이상계수 분포를 활용한 분석 방법론을 제시하였고 이를 통해 이상계수 균일도를 고려한 모듈 설계 기법을 제안하였다. 여러 다중접합 박막 태양전지 중 본 논문에서는 비정질 실리콘 기반 삼중접합 박막 태양전지(Amorphous Silicon based Triple Junction Thin Film Solar Cell: a-Si T/J Thin Film Solar Cell)를 사용하였다. 대면적 박막 태양전지 생산 공정에는 모듈화 과정이 동시에 진행되는 특징이 있어 태양전지의 출력 불균일이 그대로 태양전지 모듈의 출력 불균일에 영향을 끼친다. 출력 불균일 분석을 위해 밀봉(Encapsulation)하기 전 공정 중 태양전지 모듈 출력 단자와 연결하는 띠 결선(Tabbing) 이전 단계까지 진행한 태양전지 모듈을 활용하였다. 5G(1100×1300[㎟]) 크기의 대면적 샘플을 소면적(100×100[㎟]) 크기의 박막 태양전지 모듈로 가공하였다. 각 소면적 샘플 사이에는 샘플 분리 시 박막의 보호를 위해 4[㎝]의 간격을 두었다. P4(박막 태양전지 간 절연 공정을 위한 레이저)레이저를 통해 각 샘플 간 절연을 실시하였고, 총 72개의 소면적 박막 태양전지 모듈을 제작하였다. 대면적 태양전지 모듈에 대한 특성을 나타내는 샘플을 선정하기 위해 중앙부분과 모서리부분의 소면적 샘플을 선택하여 암(Dark) 전류 전압 특성 곡선을 측정하였다. 측정 결과, 중앙부분의 샘플에서 삼중접합 특성이 나타났다. 측정된 전류전압곡선에서 4곳의 선형구간을 발견하였고, 각 영역으로부터 이상계수를 비롯한 회로 파라미터들을 추출하였다. 추출한 파라미터들을 회로 모델에 적용시켜 측정한 결과와 비교하기 위해 3개의 회로 모델들을 제시하였다. 회로해석은 Hspice를 사용하였고 각 회로 해석은 다이오드가 동작하는 시점을 기준으로 회로 해석한 결과와 실체 측정값을 비교하여 5[%]이하의 오차가 나올 때 까지 이상계수를 제외한 파라미터들을 변수로 하여 반복 실험하였다. 측정한 암 전류 전압 곡선과 오차가 가장 적은 결과의 모델을 선정하였다. 대면적 샘플의 출력 균일도를 분석할 수 있는 위치의 소면적 샘플들을 선정하여 선정된 회로 모델을 바탕으로 암 전류 전압 곡선을 측정, 이상계수를 추출하였다. 각 위치별 추출 이상계수의 분포를 수직균일도와 수평균일도로 나누어 분석하였다. 수직 균일도의 경향 분석을 통해 중심영역에 위치한 샘플과 모서리 영역에 위치한 샘플들의 이상계수에 대한 경향을 구분하였다. 또한, 수평 균일도를 통해 박막 공정에서 나타나는 균일도 이상 지역을 각 층별로 판별하였다. 이상적인 이상계수를 계산하기 위해 반도체 이론으로부터 이론적 이상계수 계산 방법을 유도하였다. 유도된 계산 방법을 통해 삼중접합 태양전지의 총 이상계수와 총 역포화 전류, 각 층에 대한 최적 이상계수들을 제시하였다. 소면적 모듈 샘플의 측정값 중 개방전압과 단락 전류를 이론적 이상계수 계산 방법에 적용하여 제작 샘플의 이론적 최대 출력값을 예측하였다. 예측된 출력 특성과 측정된 출력 특성을 비교 분석하였다. 분석 결과, 8.35%의 최대 출력점 출력 차이를 나타내었고 개방전압의 경우 3.83%, 단락 전류의 경우 1.32%의 차이가 나타났다. 이러한 결과는 박막 태양전지 모듈 제작에서 이상계수를 개선할 때 출력 증대의 한계점으로 분석된다. 또한, 이상계수 표준편차와 출력과의 관계를 분석하였다. 이상계수 표준편차가 증가하면 박막 태양전지 모듈의 출력 감소를 확인하였고, 이를 통해 균일도 최적화에 대한 가능성을 제시하였다. 반도체 이론을 기반으로 연구한 결과이므로 본 연구에 대한 결과는 결정질 태양전지 모듈 연구에 동일하게 적용 가능하며 결정질 태양전지의 불균일 연구를 비롯한 여러 불균일에 대한 분석 연구에 활용 가능성에 대하여도 검토하였다. 본 연구 결과에서 제시한 이상계수를 통한 다중접합 박막 태양전지 모듈의 균일도 분석 방법으로 이상계수의 불균일을 분석하고, 이론적 이상계수 값을 계산하여 전체 및 층별 이상계수와 비교 분석, 출력 균일도를 최적화함으로써 높은 효율의 다중접합 태양전지 모듈 제조 기술에 도움이 될 것으로 기대한다.
In this paper, an analysis methodology for a non-uniformity of a large-area multi-junction thin film photovoltaic module via distributions of ideality factors was presented. Moreover, optimized photovoltaic module design that considers a uniformity of ideality factors was proposed. Amorphous silicon...
In this paper, an analysis methodology for a non-uniformity of a large-area multi-junction thin film photovoltaic module via distributions of ideality factors was presented. Moreover, optimized photovoltaic module design that considers a uniformity of ideality factors was proposed. Amorphous silicon based triple-junction thin film solar cell was used as one of multi-junction solar cells. In the large-area thin film solar module, cell manufacturing and modularization are one process. Thus, thin film solar cells that contain a non-uniformity output power characteristics affect the output power of a thin film solar module. Manufactured thin film solar modules before a tabbing process was utilized for analyzing non-uniformity of output power A large area sample, 5G(1100×1300[㎟]), was produced into a small size sample as 100×100[㎟]. Through the P4, laser process to isolate module edge, each small size sample was isolated. 72 small size samples were obtained. Small size samples which represent the characteristic of the large-size solar module were selected and measured dark I-V characteristics. In the measurement results, dark I-V of a sample in center area appeared the characteristics of triple-junction and 4 linear areas from semi I-V curve. From those linear areas, circuit parameters included ideality factors were extracted. Three circuit modeling for extraction of parameters were proposed to compare with results of experiment and simulation. Circuit analysis about three circuit models were performed repeatedly with changing some value except ideality factors until reaching 5% error ratio at turn-on voltage point by using Hspice. From measured dark I-V curves of nine samples that represent a uniformity of large-area thin film solar module, the ideality factors were extracted by using the circuit model with minimum error of total dark I-V curve. Ideality factors for each position were divided to vertical and horizontal distribution and analyzed. A calculation method of theoretical ideality factor was derived from the semiconductor theory. Through the some of measurement result of a small size sample were applied to derived calculation method, three parameters of a triple junction thin film solar cell - total ideality factor, total reverse saturation current and ideality factor of each layer - were suggested in theoretically. the experimental I-V curve and the predicted I-V curve that was calculated using theoretical parameters were analyzed by comparing with. Moreover, a relationship between a deviation of ideality factors and output power was analyzed. The possibility of optimized uniformity design methodology of multi-junction solar module was proposed based on analyzed results. In addition, the extendable possibility of this study to the crystalline photovoltaic modules was investigated. In conclusion, the analyzed results about the non-uniformity of ideality factors by using the suggested methodology and compared results between experimental and theoretical ideality factors are utilized to optimize the output uniformity of multi-junction thin film photovoltaic modules. In this point, we expect to contribute in the thin film solar module manufacturing technology for high efficiency.
In this paper, an analysis methodology for a non-uniformity of a large-area multi-junction thin film photovoltaic module via distributions of ideality factors was presented. Moreover, optimized photovoltaic module design that considers a uniformity of ideality factors was proposed. Amorphous silicon based triple-junction thin film solar cell was used as one of multi-junction solar cells. In the large-area thin film solar module, cell manufacturing and modularization are one process. Thus, thin film solar cells that contain a non-uniformity output power characteristics affect the output power of a thin film solar module. Manufactured thin film solar modules before a tabbing process was utilized for analyzing non-uniformity of output power A large area sample, 5G(1100×1300[㎟]), was produced into a small size sample as 100×100[㎟]. Through the P4, laser process to isolate module edge, each small size sample was isolated. 72 small size samples were obtained. Small size samples which represent the characteristic of the large-size solar module were selected and measured dark I-V characteristics. In the measurement results, dark I-V of a sample in center area appeared the characteristics of triple-junction and 4 linear areas from semi I-V curve. From those linear areas, circuit parameters included ideality factors were extracted. Three circuit modeling for extraction of parameters were proposed to compare with results of experiment and simulation. Circuit analysis about three circuit models were performed repeatedly with changing some value except ideality factors until reaching 5% error ratio at turn-on voltage point by using Hspice. From measured dark I-V curves of nine samples that represent a uniformity of large-area thin film solar module, the ideality factors were extracted by using the circuit model with minimum error of total dark I-V curve. Ideality factors for each position were divided to vertical and horizontal distribution and analyzed. A calculation method of theoretical ideality factor was derived from the semiconductor theory. Through the some of measurement result of a small size sample were applied to derived calculation method, three parameters of a triple junction thin film solar cell - total ideality factor, total reverse saturation current and ideality factor of each layer - were suggested in theoretically. the experimental I-V curve and the predicted I-V curve that was calculated using theoretical parameters were analyzed by comparing with. Moreover, a relationship between a deviation of ideality factors and output power was analyzed. The possibility of optimized uniformity design methodology of multi-junction solar module was proposed based on analyzed results. In addition, the extendable possibility of this study to the crystalline photovoltaic modules was investigated. In conclusion, the analyzed results about the non-uniformity of ideality factors by using the suggested methodology and compared results between experimental and theoretical ideality factors are utilized to optimize the output uniformity of multi-junction thin film photovoltaic modules. In this point, we expect to contribute in the thin film solar module manufacturing technology for high efficiency.
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