[논문]도파모드 공진을 이용한 태양전지의 흡수효율 증대

김두성; 김상인; 이재진; 임한조

doi:10.3807/kjop.2010.21.1.001

[국내논문] 도파모드 공진을 이용한 태양전지의 흡수효율 증대
Enhanced Absorption Efficiency of Solar Cells Using Guided-mode Resonance 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.1, 2010년, pp.1 - 5

김두성 (아주대학교 전자공학부) , 김상인 (아주대학교 전자공학부) , 이재진 (아주대학교 전자공학부) , 임한조 (아주대학교 전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 실리콘 태양전지의 흡수효율 증가를 위해 도파모드 공진 특성을 이용한 격자 구조를 제안하였다. 도파모드 공진을 이용함으로써 두께를 ~200 nm 수준으로 줄이면서도 높은 흡수율을 기대할 수 있는 태양전지 설계가 가능함을 확인하였다. 제안된 구조는 은으로 된 반사경 위에 격자구조를 갖는 Poly-Si 유전체 층이 존재하는 1-D 구조로서 각 구조변수들 즉 격자의 주기, 유전체 두께, 격자 간격 및 깊이 등이 흡수 효율에 어떤 영향을 미치는지 알아보고, 변수들의 조절을 통해 최적의 구조를 찾고자 시도하였다. PSO알고리즘을 사용하여 제안된 구조의 적절성을 확인 하였으며, 이로부터 65.8%의 유효 흡수율을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we propose a grating structure using guided-mode resonance (GMR) to increase the absorption efficiency of a silicon solar cell. The proposed solar cell design consists of a one-dimensional diffraction grating and a planar waveguide layer of poly-silicon deposited on a silver reflector. We investigate the influence of structure parameters such as grating period, waveguide thickness, grating width and grating depth. Optimal parameters are found using the particle swarm optimization (PSO) algorithm. In the optimized GMR-assisted solar cell, absorption efficiency up to 65.8% is achieved in the wavelength range of 300 nm~750 nm.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이 같은 저비용 고효율 실리콘 태양전지 개발의 한 방안으로 유전체의 도파모드 공진(GMR, guided mode resonance) 특성을 이용한 구조를 소개하려고 한다. 유전체 격자구조로 빛이 입사할 경우 격자로 인한 회절 현상에 의해 빛은 직진하는 기본 모드와 함께 비스듬히 진행하는 고차 회절 모드 빔을 생성한다.
본 논문에서 제안하는 구조는 금속 반사경 위에 사각형 격자를 갖는 유전체 층이 있는 1-D 형태로서, 주기 및 격자의폭, 유전체 두께 등 구조 변수들의 값을 조절해 가며 흡수율에 어떠한 변화를 가져오는지 알아보고 이로부터 최대의 흡수율을 얻을 수 있는 구조를 찾아보았다. 구조를 향해 들어오는 빛은 수직입사를 전제하였고, 편광은 TE모드만을 고려하였다.
본 논문에서는 그림 1에서 보이는 것처럼 반사경 역할을하는 금속판과 도파로 역할을 하는 유전체로 이루어진 구조를 설계 하였다. 금속판으로는 은(Ag)을, 유전체 층으로는 3.
본 논문에서는 도파모드 공진(guided mode resonance) 특성을 태양전지의 효율 증대에 이용하기 위한 연구를 하였다. 유전체와 반사경으로 구성된 1-D 격자구조를 설계하고 구조 변수들의 크기를 다양하게 변화시켜 가며 최적의 구조를 찾았으며, PSO알고리즘에 의한 결과와 비교함으로써 적절한 설계임을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 구조는 금속 반사경 위에 사각형 격자를 갖는 유전체 층이 있는 1-D 형태로서, 주기 및 격자의폭, 유전체 두께 등 구조 변수들의 값을 조절해 가며 흡수율에 어떠한 변화를 가져오는지 알아보고 이로부터 최대의 흡수율을 얻을 수 있는 구조를 찾아보았다. 구조를 향해 들어오는 빛은 수직입사를 전제하였고, 편광은 TE모드만을 고려하였다. 전사모사 도구로는 상용 프로그램인 CST Microwave Studio를 사용하였으며, 측정된 투과계수와 반사계수로부터 흡수율을 계산하였다.
계산된 흡수율이 높은 값이더라도 금속으로 흡수된 양이 많다면 빛이 도파모드로 충분히 결합되었다고 보기 힘들 뿐만 아니라, 흡수 스펙트럼이 금속의 특성 변화에 큰 영향을 받을 것이기 때문이다. 이 같은 사실을 고려하기 위해 그림 2와 그림 3을 통해 초기 구조에서의 흡수 스펙트럼과 유전체 손실탄젠트 값의 유무에 따른 전기장 분포를 살펴보았다.
유전체와 금속 경계에 집중되어 있는 전기장은 금속표면의 플라즈몬과 외부에서 입사한 광자의 결합으로 발생하는 표면 플라즈몬(surface plasmon)에 의해 나타나는 것으로, 입사한 광자와 도파모드간의 결합에 의해 발생하는 도파모드공진의 경우와는 전혀 다른 분산 특성을 보이고 있다. 때문에 우리는 도파모드 공진에 의한 유전체로의 흡수만을 고려하기 위해서 유전체의 손실을 포함한 경우와 포함하지 않은 경우의 차로부터 유효 흡수율(Effective Absorption)을 정의하고, 이를 바탕으로 최적 구조를 찾는 과정을 진행하였다. 다만 여기서 한가지 짚고 넘어가야 할 사실은 유전체 손실이 있는 경우에는 플라즈몬 모드가 여기 되지 않는 것으로 나타나기 때문에 실제에 있어서는 금속에 의한 영향이 이보다 훨씬 적을 것이라는 점이며, 이에 대한 부분은 뒤에 다시 언급하도록 하겠다.
도파모드 공진을 이용하여 태양전지의 높은 흡수 효율을 꾀하기 위해서는 흡수 스펙트럼 상의 공진 피크들이 관측하고자 하는 300 nm~750 nm 파장대역의 중간 범위에 위치하도록 설정하는 것이 중요하며, 이 때 공진 피크의 폭이 넓을수록 흡수효율은 올라갈 것이다. 때문에 파장을 결정하는데 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 주기의 결정을 우선으로 하고, 이후 결정된 주기에서 F값, 격자간 간격, 격자 깊이 등의 각 변수들을 차례대로 변화시켜 보았다.
그러나 구조전체의 흡수율에서 금속에 의한 영향만을 따로 알아내는 것은 현실적으로 쉽지 않은 일이기 때문에, 우리는 앞선 계산들에서 유전체의 손실 유무에 따른 흡수율 차이를 유효 흡수율로 규정한 바 있다. 그렇다면 이 같은 가정이 적절한지, 제안된 구조의 금속 의존성은 어느 정도인지 확인할 필요가 있으며, 이를 위해 그림 6을 통해 금속의 손실이 없을 때와 2배, 3배로 커졌을 때 최적 구조에서의 흡수 스펙트럼이 어떻게 변화하는지 알아보았다.
앞에서 우리는 태양전지 구조의 각 변수들을 차례대로 변화시켜 가면서 최적의 구조를 찾아보았다. 그러나 실제로 주기와 격자 간격, 유전체 두께와 격자 깊이 등의 각 구조변수들은 서로 연관되어 흡수효율에 영향을 미치기 때문에 각 변수에 의한 영향을 명확히 규정짓기 어렵다.
입자의 개수는 16개로 하였고, 보다 정확한 계산을 위해 filling factor를 사용하는 대신 격자의 간격이 0~180 nm 범위에서 직접 변화하도록 설정하였다. 이 때 유전체 두께는 앞선 계산에서와 마찬가지로 1 ㎛이하의 범위로 제한하였으며, 유전체 손실탄젠트의 유무에 따라 유효 흡수율을 계산하도록 하였다. 그 결과 그림 7에서 보는 바와 같이 유전체 두께 70 nm, 격자 간격 112 nm, 격자 깊이 58 nm인 경우 65.
제안한 태양전지 구조의 적절성을 알아보기 위해 주기 A를 180 nm로 고정하고 유전체 두께, 격자의 간격과 깊이의 3가지 변수에 대해 PSO알고리즘을 사용하였다. 입자의 개수는 16개로 하였고, 보다 정확한 계산을 위해 filling factor를 사용하는 대신 격자의 간격이 0~180 nm 범위에서 직접 변화하도록 설정하였다. 이 때 유전체 두께는 앞선 계산에서와 마찬가지로 1 ㎛이하의 범위로 제한하였으며, 유전체 손실탄젠트의 유무에 따라 유효 흡수율을 계산하도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 그림 1에서 보이는 것처럼 반사경 역할을하는 금속판과 도파로 역할을 하는 유전체로 이루어진 구조를 설계 하였다. 금속판으로는 은(Ag)을, 유전체 층으로는 3.48의 굴절률을 갖는 poly-silicon을 사용하였다. 테라 헤르츠 영역에서 poly-Si의 손실 탄젠트는 0.
로 나타내며, 격자 사이의 간격은 주기와 filling factor(F)의 곱으로 표시하였다. 이 때 수치해석을 위한 초기값으로는 각각 A=200 nm, T_d=100 nm, T_g=50 nm를 사용하였다. 금속판의 두께를 100 nm로 설정한 것은 두께가 이보다 얇을 경우 빛이 금속을 통과해 나가는 양이 많아 반사경으로서의 역할을 제대로 해내지 못하고, 반대로 두께가 너무 두꺼울 경우 금속에서 손실되는 빛의 양이 증가해 유전체의 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

데이터처리

구조를 향해 들어오는 빛은 수직입사를 전제하였고, 편광은 TE모드만을 고려하였다. 전사모사 도구로는 상용 프로그램인 CST Microwave Studio를 사용하였으며, 측정된 투과계수와 반사계수로부터 흡수율을 계산하였다.

이론/모형

이 때 금속의 분산 특성은 Drude 모델로부터 정의하였으며, 플라스마 주파수(plasma frequency)와 산란 주파수(scattering frequency)는 각각 1.3699×1016s-1, 2.73586×1013s-1을 사용하였다.
제안한 태양전지 구조의 적절성을 알아보기 위해 주기 A를 180 nm로 고정하고 유전체 두께, 격자의 간격과 깊이의 3가지 변수에 대해 PSO알고리즘을 사용하였다. 입자의 개수는 16개로 하였고, 보다 정확한 계산을 위해 filling factor를 사용하는 대신 격자의 간격이 0~180 nm 범위에서 직접 변화하도록 설정하였다.

성능/효과

그림 4의 (a)를 보면 주기가 100 nm에서 250 nm로 증가함에 따라 중심파장은 서서히 장파장으로 이동하고 있으며, 250 nm에서는 관측 파장대역이 공진피크 사이에 위치하게 되면서 흡수율이 떨어지는 것을 알 수 있다. 단위구조의 주기가 150~200 nm의 범위일 때 흡수율의 편차는 크지 않았으며 180 nm일 때 가장 높은 값을 보였다.
그림 4의 (a)를 보면 주기가 100 nm에서 250 nm로 증가함에 따라 중심파장은 서서히 장파장으로 이동하고 있으며, 250 nm에서는 관측 파장대역이 공진피크 사이에 위치하게 되면서 흡수율이 떨어지는 것을 알 수 있다. 단위구조의 주기가 150~200 nm의 범위일 때 흡수율의 편차는 크지 않았으며 180 nm일 때 가장 높은 값을 보였다. 그림 4의 (b)는 주기를 180 nm로 고정한 후 F값을 변화 시켰을 때 흡수 스펙트럼을 나타내고 있는데 F값이 0.
격자의 깊이는 유전체의 두께와 연관되어 변하는 변수이기 때문에 각각의 유전체 두께마다 격자의 깊이를 변화시켜 가며 흡수율을 계산하였고, 그 중 유전체 두께가 75 nm인 경우의 격자 깊이에 따른 흡수 스펙트럼을 그림 4의 (c)에서 보이고 있다. 주기를 180 nm, F값을 0.6로 고정하고 유전체 두께가 1 ㎛를 넘지 않도록 제한한 범위에서, 유전체 두께 65~85 nm, 격자의 깊이가 유전체 두께의 80% 정도일 때 가장 높은 흡수율을 얻을 수 있었다. 이 같은 사실들을 토대로 본 논문에서 제안하는 태양전지의 구조변수 값들은 A=180 nm, F=0.
앞에서 확인한 것처럼, 금속에 의한 플라즈몬 모드는 유전체 손실이 포함된 경우에는 나타나지 않기 때문에 이 같은 흡수율 변화를 가져오는 요인은 금속으로 직접 흡수되는 빛에 의한 것으로 판단된다. 그림 6의 결과를 종합해보면 제안된 설계는 금속의 손실에 의한 영향을 거의 받지 않는 사실을 알 수 있으며, 지금까지 계산한 유효흡수율은 구조에서 기대할 수 있는 최소한의 흡수율로 판단할 수 있을 것이다. 금속의 분산특성을 근사치인 Drude 모델을 통해 기술한 만큼 어느 정도의 오차는 있겠으나, 실제 제작된 구조의 경우 금속 손실이 없을 때의 흡수율인 74.
그림 6의 결과를 종합해보면 제안된 설계는 금속의 손실에 의한 영향을 거의 받지 않는 사실을 알 수 있으며, 지금까지 계산한 유효흡수율은 구조에서 기대할 수 있는 최소한의 흡수율로 판단할 수 있을 것이다. 금속의 분산특성을 근사치인 Drude 모델을 통해 기술한 만큼 어느 정도의 오차는 있겠으나, 실제 제작된 구조의 경우 금속 손실이 없을 때의 흡수율인 74.1%에 근접한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
이 때 유전체 두께는 앞선 계산에서와 마찬가지로 1 ㎛이하의 범위로 제한하였으며, 유전체 손실탄젠트의 유무에 따라 유효 흡수율을 계산하도록 하였다. 그 결과 그림 7에서 보는 바와 같이 유전체 두께 70 nm, 격자 간격 112 nm, 격자 깊이 58 nm인 경우 65.8%의 유효 흡수율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이는 구조의 각 변수들을 따로 변화시켰을 때의 결과와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 앞서 제안한 구조의 적절성을 증명한다고 볼 수 있다.
본 논문에서는 도파모드 공진(guided mode resonance) 특성을 태양전지의 효율 증대에 이용하기 위한 연구를 하였다. 유전체와 반사경으로 구성된 1-D 격자구조를 설계하고 구조 변수들의 크기를 다양하게 변화시켜 가며 최적의 구조를 찾았으며, PSO알고리즘에 의한 결과와 비교함으로써 적절한 설계임을 확인하였다. 그 결과 주기 180 nm, 격자 간격 112 nm, 유전체 두께 70 nm, 격자 깊이 58 nm일 때 65.
유전체와 반사경으로 구성된 1-D 격자구조를 설계하고 구조 변수들의 크기를 다양하게 변화시켜 가며 최적의 구조를 찾았으며, PSO알고리즘에 의한 결과와 비교함으로써 적절한 설계임을 확인하였다. 그 결과 주기 180 nm, 격자 간격 112 nm, 유전체 두께 70 nm, 격자 깊이 58 nm일 때 65.8%의 유효 흡수율을 얻을 수 있었다. 반사경으로 사용된 금속이 설계된 구조의 흡수율에 미치는 영향을 알아보기 위해 금속 손실을 변화시켜 가면서 흡수율을 비교하였고, 그 결과 금속에 의한 영향이 거의 없다는 사실 또한 확인할 수 있었다.
8%의 유효 흡수율을 얻을 수 있었다. 반사경으로 사용된 금속이 설계된 구조의 흡수율에 미치는 영향을 알아보기 위해 금속 손실을 변화시켜 가면서 흡수율을 비교하였고, 그 결과 금속에 의한 영향이 거의 없다는 사실 또한 확인할 수 있었다. 유전체 손실이 있을 경우 금속에 의한 플라즈몬 모드가 여기 되지 않는다는 사실로 미루어 볼 때, 실제 제작에서는 플라즈몬 모드에 의한 손실을 포함하여 계산한 유효 흡수율 보다 높은 흡수율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
유전체의 손실을 포함할 경우 74.7%, 포함하지 않을 경우 11.2%로 유효 흡수율 63.5%를 얻을 수 있었으며 이로부터 격자가 없는 경우와 비교했을 때 약 4배 이상의 효율증대 효과가 있음을 알 수 있다.

후속연구

태양전지 구조설계에 앞서 유념해야 할 점은 설계의 목적이 최대한 많은 양의 빛이 외부로 나가지 않고 유전체에 흡수되도록 하는 것이라는 사실이다. 이를 위해선 계산된 흡수율이 실제 유전체로 흡수된 것인지 반사경 등 다른 요인의 영향에 의한 것인지 확인할 필요가 있다. 계산된 흡수율이 높은 값이더라도 금속으로 흡수된 양이 많다면 빛이 도파모드로 충분히 결합되었다고 보기 힘들 뿐만 아니라, 흡수 스펙트럼이 금속의 특성 변화에 큰 영향을 받을 것이기 때문이다.
반사경으로 사용된 금속이 설계된 구조의 흡수율에 미치는 영향을 알아보기 위해 금속 손실을 변화시켜 가면서 흡수율을 비교하였고, 그 결과 금속에 의한 영향이 거의 없다는 사실 또한 확인할 수 있었다. 유전체 손실이 있을 경우 금속에 의한 플라즈몬 모드가 여기 되지 않는다는 사실로 미루어 볼 때, 실제 제작에서는 플라즈몬 모드에 의한 손실을 포함하여 계산한 유효 흡수율 보다 높은 흡수율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
파장에 따른 유전체 손실탄젠트 값의 변화를 반영해야 한다는 점과 빛의 편광에 의한 영향을 고려해야 한다는 점에서 앞으로도 지속적인 연구가 필요할 것으로 보이며, 빛이 수직 입사하는 경우뿐만 아니라 입사각이 변화하는 경우에 대한 연구 또한 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 재료를 사용하는 태양전지의 단점은?	특히, 실리콘 재료를 사용하는 태양전지는 타 재료들에 비해 흡수효율이 높고, 반도체 산업의 기반시설로부터 응용 가능하다는 점에서 비교우위를 점하고 있다[1]. 그러나 실리콘 태양전지는 단위전력당 제조원가가 상대적으로 비싼 편이기 때문에 이를 개선하기 위해 최근에는 흡수 층의 두께를 나노미터 단위로 줄이는 박막형 태양전지 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 박막형 구조의 경우 흡수 층이 얇아 입사한 광자가 이동하는 경로가 짧아지기 때문에 일반적인 구조에 비해 상대적으로 흡수효율이 떨어지게 된다.
	태양전지가 주목받는 이유는?	태양전지는 친환경적인 대체 에너지 개발이라는 점에서 최근 가장 주목 받고 있는 연구분야 중 하나이다. 특히, 실리콘 재료를 사용하는 태양전지는 타 재료들에 비해 흡수효율이 높고, 반도체 산업의 기반시설로부터 응용 가능하다는 점에서 비교우위를 점하고 있다[1].
	태양전지 구조 중 박막형 구조의 단점은?	그러나 실리콘 태양전지는 단위전력당 제조원가가 상대적으로 비싼 편이기 때문에 이를 개선하기 위해 최근에는 흡수 층의 두께를 나노미터 단위로 줄이는 박막형 태양전지 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 박막형 구조의 경우 흡수 층이 얇아 입사한 광자가 이동하는 경로가 짧아지기 때문에 일반적인 구조에 비해 상대적으로 흡수효율이 떨어지게 된다. 그래서 실리콘 흡수 층 아래에 유전체 기판이나 금속 반사경을 배치하는 등의 구조적 변화를 통해 광자의 이동경로를 증가시켜 흡수 효율을 높이고자 하는 노력이 계속되고 있다[2,3,4].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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