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가설 설정
- 이 결과를 30º 이하의 패턴각을 갖는 구면 패턴에 적용해 보면 각 단위박막의 광흡수를 일정하다고 가정할 수 있다. 따라서, a-Si:H 박막 태양전지 광추적 전산모사를 진행할 때 TCO/활성층/후면반사막의 3층 광학 박막 구조로 가정하였다.
- 이 결과를 30º 이하의 패턴각을 갖는 구면 패턴에 적용해 보면 각 단위박막의 광흡수를 일정하다고 가정할 수 있다.
제안 방법
- Table 1. The short circuit current density was calculated using ray tracing simulation.
- 수치해석에 쓰인 광학상수들은 SOFRA 엘립소미터 분광 방법을 이용하였으며, 광특성 측정에는 UV–VIS 분광기와 적분구가 사용 되었다. 또한, AM1.5G 태양광 조사장치로 제작된 비정질 실리콘 박막 태양전지의 변환효율을 분석 하여, 주기적인 패턴 기판을 이용한 비정질 실리콘 박막 태양전지의 변환효율 향상에 대한 가능성을 확인하였다.
- 이 때 광포획 효과를 극대화하기 위해 각 단위박막의 광경로 예측을 통하여 1차 입사시 광손실을 최소화해야 한다. 본 실험의 경우 활성층(i a-Si:H) 전면에 위치하는 TCO의 흡수 억제를 위해 glass/ TCO 박막 계면에 투과 필터를 형성하였다. 이러한 박막 구조 최적화는 빛의 간섭 현상이 함께 고려되어야 하며 [7], a-Si:H 보다 더 얇은 박막구조를 갖는 유기 태양전지에서 입사각에 따라 더 두드러진 변화를 보인다 [8].
- 본 연구에서는 유리기판 위에 주기적인 구면 패턴을 형성하여 비정질 실리콘 박막 태양전지를 제작하였다. 비정질 실리콘 박막 태양전지는 glass/TCO/p-i-n a-SI:H/ ZnO/Al 구조로 PECVD를 이용하여 제작되었으며, 실험전 광추적 전산모사로 패턴의 효과를 분석하였고, 패턴의 광포획 효과를 극대화하기 위해 박막의 광특성 전산모사를 병행하여 박막 태양전지의 광손실을 개선하였다.
- 현재 이러한 빛의 간섭ㆍ비간섭 특성을 모두 포함한 복합적인 3D 광 추적 전산모사 툴은 전세계적으로 거의 개발되어 있지 않으며, 기존의 광학 툴은 직접적인 적용에 한계가 있다. 본 연구에서도 자체 제작된 박막 광학 계산 툴과 상용툴인 Light Tools 6.2 프로그램으로 기하학적 광추적 전산모사를 병행하여 광특성 분석을 진행하였다.
- 본 연구에서는 유리기판 위에 주기적인 구면 패턴을 형성하여 비정질 실리콘 박막 태양전지를 제작하였다. 비정질 실리콘 박막 태양전지는 glass/TCO/p-i-n a-SI:H/ ZnO/Al 구조로 PECVD를 이용하여 제작되었으며, 실험전 광추적 전산모사로 패턴의 효과를 분석하였고, 패턴의 광포획 효과를 극대화하기 위해 박막의 광특성 전산모사를 병행하여 박막 태양전지의 광손실을 개선하였다. 수치해석에 쓰인 광학상수들은 SOFRA 엘립소미터 분광 방법을 이용하였으며, 광특성 측정에는 UV–VIS 분광기와 적분구가 사용 되었다.
- 광포획 효과를 얻기 위한 주기적인 패턴 형성은 크게 두가지 측면에서 접근할 수 있다. 첫 번째로 박막의 두께와 근접하거나 작은 크기의 주기적인 패턴을 형성하여 기존의 불규칙 패턴을 대체 하는 것이다. 기존의 불규칙 패턴은 주로 단파장 영역에서 높은 산란도를 보이며, 장파장 영역으로 갈수록 산란도가 낮아진다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 주기적인 구면 패턴이 형성된 유리기판을 사용하여 비정질 실리콘 박막 태양전지를 제작하였다. 주기적인 패턴 기판은 박막 태양전지 두께 대비 큰 크기의 패턴으로 기존 TCO의 불규칙 패턴과 상호 보완하여 광포획 효과를 얻기 위한 것이다.
- 6은 구면 패턴 유리기판에 제작된 a-Si:H 박막 태양전지의 SEM 사진이다. 유리 기판 표면에 BZO (1,200 nm)를 증착하고, a-SI:H (20 nm/400 nm/40 nm)/ ZnO (200 nm)/Al (200 nm)의 구조로 제작되었다. Table 2는 각 케이스 별 약 40개의 비정질 실리콘 박막 태양전지를 인공 태양광 조사(AM1.
- 패턴 기판의 광포획 효과는 표면에 증착되는 박막 태양전지의 광손실이 적을수록 증가한다. 제작된 a-Si:H 박막 태양전지는 약 15% 산란도와 40 nm의 거칠기를 갖는 TCO와 광손실이 높은 Al 후면 반사전극을 사용하여 제작되었다. 실험 결과 전류밀도가 약 3.
이론/모형
- 수치해석에 쓰인 광학상수들은 SOFRA 엘립소미터 분광 방법을 이용하였으며, 광특성 측정에는 UV–VIS 분광기와 적분구가 사용 되었다.
성능/효과
- 따라서 박막 태양전지 광손실 개선의 여지가 남아있음을 분명하게 알 수 있다. 또한, 효율 증가폭의 차이는 존재하겠지만 평면/패턴 기판 모두 효율 증가를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 두번째 전산모사 모델에서는 TCO 표면 산란도를 0으로 가정하였지만, 실제 제작된 박막 태양전지의 전면 TCO는 약 15∼20% (550 nm)의 산란도와 약 40 nm 거칠기를 갖고 있다.
- 제작된 a-Si:H 박막 태양전지는 약 15% 산란도와 40 nm의 거칠기를 갖는 TCO와 광손실이 높은 Al 후면 반사전극을 사용하여 제작되었다. 실험 결과 전류밀도가 약 3.9% 증가했다. ZnO/Al 후면전극 적용과 박막 구조 최적화로 광손실을 최소화하면 광포획 효과가 개선 될 것으로 예상된다.
- 위의 결과들로 일반적인 비정질 박막 태양전지 구조에서 패턴 유리 기판의 광포획 효과를 확인하였다. 이것은 차후 ZnO/Al 후면 반사전극 등을 적용하고, 광손실을 최소화한다면 박막 태양전지의 변환 효율이 개선될 것으로 예상된다.
- ZnO/Al 후면전극 적용과 박막 구조 최적화로 광손실을 최소화하면 광포획 효과가 개선 될 것으로 예상된다. 이러한 결과들로 주기적인 패턴 유리 기판을 사용한 비정질 박막 태양전지 고효율화 가능성을 확인하였다. 차후 불규칙 패턴을 갖는 TCO을 적용한 전산모사로 빛의 각도분포를 고려하여 박막 태양전지의 광손실을 감소와 패턴의 효과를 향상에 관한 연구를 진행할 것이다.
- 3에 나타내었다. 패턴의 경사각 증가에 따라 반사율이 감소하였고, 평면 기판 대비 구면 패턴의 반사율 감소를 확인하였다. 하지만, 이와 같은 반사율 저감이 항상 태양전지의 변환효율 향상에 기여하지는 않는다.
- 10에 나타내었다. 활성층의 흡수 증가로 전류 밀도가 약 1 mA/cm2 증가되었으며, 기존의 flat 기판 대비 약 18% 증가된 전류 밀도를 얻었다. 이같은 효과들은 광손실을 감소시키는 방법으로 패턴 유리 기판의 효과를 증대시킬 수 있다.
후속연구
- 9% 증가했다. ZnO/Al 후면전극 적용과 박막 구조 최적화로 광손실을 최소화하면 광포획 효과가 개선 될 것으로 예상된다. 이러한 결과들로 주기적인 패턴 유리 기판을 사용한 비정질 박막 태양전지 고효율화 가능성을 확인하였다.
- 위의 결과들로 일반적인 비정질 박막 태양전지 구조에서 패턴 유리 기판의 광포획 효과를 확인하였다. 이것은 차후 ZnO/Al 후면 반사전극 등을 적용하고, 광손실을 최소화한다면 박막 태양전지의 변환 효율이 개선될 것으로 예상된다.
- 이러한 결과들로 주기적인 패턴 유리 기판을 사용한 비정질 박막 태양전지 고효율화 가능성을 확인하였다. 차후 불규칙 패턴을 갖는 TCO을 적용한 전산모사로 빛의 각도분포를 고려하여 박막 태양전지의 광손실을 감소와 패턴의 효과를 향상에 관한 연구를 진행할 것이다.
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