광 입사각이 BIPV에 적용되는 단결정 또는 비정질 실리콘 태양전지의 양자효율에 미치는 영향 Incident Angle Dependence of Quantum Efficiency in c-Si Solar Cell or a-Si Thin Film Solar Cell in BIPV System원문보기
건재 일체형 태양광발전(BIPV) 응용을 위해 광 입사각에 따른 태양전지의 변환 효율은 중요하다. 양자효율은 태양전지의 파장별 전자 수집효율을 말하며, 입사각별 양자효율 측정으로 입사각에 따른 태양전지 출력 변화 요인을 분석할 수 있다. 이러한 입사각별 양자효율은 태양전지 종류에 따라 차이를 보인다. 본 연구에서는 가장 많이 쓰이는 벌크형 단결정 실리콘 태양전지와 박막형 비정질 실리콘 태양전지의 입사각별 양자효율을 비교하였다. 그 결과, 단결정 실리콘 태양전지에서는 광 입사각이 증가함에 따라 전 파장영역에서 양자효율이 감소했다. 반면, 비정질박막 실리콘 태양전지에서는 단파장 영역에서는 결정질 실리콘과 동일하게 감소하였으나, 그 이후의 흡수 영역에서 약 $40^{\circ}$의 입사각까지 증가 또는 일정한 양자효율을 보이다가 이후에 급격히 감소하는 결과를 얻었다. 이는 비정질 박막 실리콘 태양전지에서 입사각이 증가함에 따라 특정 파장 영역에서 산란과 박막 구조의 영향으로 예상된다. 따라서, 태양전지의 구조 및 광학 구조 최적화 등으로 BIPV 적용에 유리한 구조 태양전지 제작이 가능할 것으로 보인다.
건재 일체형 태양광발전(BIPV) 응용을 위해 광 입사각에 따른 태양전지의 변환 효율은 중요하다. 양자효율은 태양전지의 파장별 전자 수집효율을 말하며, 입사각별 양자효율 측정으로 입사각에 따른 태양전지 출력 변화 요인을 분석할 수 있다. 이러한 입사각별 양자효율은 태양전지 종류에 따라 차이를 보인다. 본 연구에서는 가장 많이 쓰이는 벌크형 단결정 실리콘 태양전지와 박막형 비정질 실리콘 태양전지의 입사각별 양자효율을 비교하였다. 그 결과, 단결정 실리콘 태양전지에서는 광 입사각이 증가함에 따라 전 파장영역에서 양자효율이 감소했다. 반면, 비정질 박막 실리콘 태양전지에서는 단파장 영역에서는 결정질 실리콘과 동일하게 감소하였으나, 그 이후의 흡수 영역에서 약 $40^{\circ}$의 입사각까지 증가 또는 일정한 양자효율을 보이다가 이후에 급격히 감소하는 결과를 얻었다. 이는 비정질 박막 실리콘 태양전지에서 입사각이 증가함에 따라 특정 파장 영역에서 산란과 박막 구조의 영향으로 예상된다. 따라서, 태양전지의 구조 및 광학 구조 최적화 등으로 BIPV 적용에 유리한 구조 태양전지 제작이 가능할 것으로 보인다.
The conversion efficiency of solar cells depending on incident angle of light is important for building-integrated photovoltaics (BIPV) applications. The quantum efficiency is the ratio of the number of charge carriers collected by the solar cell to the number of photons of a given energy shining on...
The conversion efficiency of solar cells depending on incident angle of light is important for building-integrated photovoltaics (BIPV) applications. The quantum efficiency is the ratio of the number of charge carriers collected by the solar cell to the number of photons of a given energy shining on the solar cell. The analysis of angle dependence of quantum efficiencies give more information upon the variation of power output of a solar cell by the incident angle of light. The variations in power output of solar cells with increasing angle of incidence is different for the type of cell structures. In this study we present the results of the quantum efficiency measurement of single-crystalline silicon solar cells and a-Si:H thin-film solar cells with the angle of incidence of light. As a result, as the angle of incidence increases in single-crystalline silicon solar cells, quantum efficiency at all wavelength (300~1,100 nm) of light were reduced. But in case of a-Si:H thin-film solar cells, quantum efficiency was increased or maintained at the angle of incidence from 0 degree to about 40 degrees and dramatically decrease at more than 40 degrees in the range of visible light. This results of quantum efficiency with increasing incident angle were caused by haze and interference effects in thin-film structure. Thus, the structural optimization considering incident angle dependence of solar cells is expected to benefit BIPV.
The conversion efficiency of solar cells depending on incident angle of light is important for building-integrated photovoltaics (BIPV) applications. The quantum efficiency is the ratio of the number of charge carriers collected by the solar cell to the number of photons of a given energy shining on the solar cell. The analysis of angle dependence of quantum efficiencies give more information upon the variation of power output of a solar cell by the incident angle of light. The variations in power output of solar cells with increasing angle of incidence is different for the type of cell structures. In this study we present the results of the quantum efficiency measurement of single-crystalline silicon solar cells and a-Si:H thin-film solar cells with the angle of incidence of light. As a result, as the angle of incidence increases in single-crystalline silicon solar cells, quantum efficiency at all wavelength (300~1,100 nm) of light were reduced. But in case of a-Si:H thin-film solar cells, quantum efficiency was increased or maintained at the angle of incidence from 0 degree to about 40 degrees and dramatically decrease at more than 40 degrees in the range of visible light. This results of quantum efficiency with increasing incident angle were caused by haze and interference effects in thin-film structure. Thus, the structural optimization considering incident angle dependence of solar cells is expected to benefit BIPV.
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문제 정의
본 연구에서는 광 입사각에 따른 단결정 실리콘, 비정질 박막 실리콘 태양전지의 양자효율을 측정하고, AM 1.5 G 대비 단락 전류 밀도의 영향을 살펴보았다. 단결정 태양전지의 경우, 전 파장 영역에서 입사각이 증가함에 따라 양자효율 감소 비율이 점점 커졌고, 비정질 박막 태양전지의 경우, 입사각이 약 40º까지는 거의 변화가 없다가 급격히 양자 효율 감소 비율이 커지는 현상을 보였다.
본 연구에서는, 일반적으로 사용되는 단결정 실리콘 태양전지와 비정질 실리콘 박막 태양전지에서 입사각별 양자 효율 변화를 분석하였다. 먼저, 각 태양전지 구조에서 광학적 손실에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 분석하고, 입사각에 따른 양자효율을 측정결과와 비교하였다.
가설 설정
이중 내부 흡수 특성은 주로 장파장 영역에서 영향을 주게 되는데 에미터의 자유전자 흡수 등이 있다. 하지만 웨이퍼 두께 대비 현저히 작은 두께이기 때문에 내부 흡수 특성은 거의 동일하다고 가정할 수 있다. 따라서 입사각에 따른 광특성 변화는 표면에 형성된 텍스쳐와 텍스쳐 표면에 형성된 반사방지막이 주도하게 된다.
제안 방법
이 양자효율 측정 장치에서 단파장 및 가시광대에서는 제논램프 광원을 사용하였고, 장파장 영역에서는 할로겐 램프 광원을 사용하였으며, 이 광원의 빛을 chopper로 잘라 만든 AC광원을 단색화 장치로 입사하였다. 그리고 단색화 장치를 통해 10 nm 이하의 파장간격으로 나눈 빔을 샘플에 조사하였다. 여기서 조사한 빔의 위치에 따라 Metal grid에 의한 반사와 shading loss로 인한 양자효율 손실이 발생할 수 있기 때문에, 회전축과 grid line이 수직인 방향으로 grid 사이에 빔을 위치하여 이에 대한 영향을 최소화하였다.
여기서 조사한 빔의 위치에 따라 Metal grid에 의한 반사와 shading loss로 인한 양자효율 손실이 발생할 수 있기 때문에, 회전축과 grid line이 수직인 방향으로 grid 사이에 빔을 위치하여 이에 대한 영향을 최소화하였다. 그리고 샘플에서의 신호를 Lock-in amplifier를 통해 chopping한 주파수의 신호만을 읽어서, 잡음(noise)을 제거한 SR (spectral response) 및 QE (quantum efficiency)를 기준셀(reference cell)을 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는, 일반적으로 사용되는 단결정 실리콘 태양전지와 비정질 실리콘 박막 태양전지에서 입사각별 양자 효율 변화를 분석하였다. 먼저, 각 태양전지 구조에서 광학적 손실에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 분석하고, 입사각에 따른 양자효율을 측정결과와 비교하였다.
실제 입사각에 따른 양자효율 감소로 기인되는 태양전지 변환효율에 대한 영향도를 확인하기 위하여 태양광의 표준 테스트 조건 STC (standard test conditions, AM 1.5 G)의 광원에 대한 단락 전류 밀도(Jsc)를 계산하였다. 식 (1)은 AM 1.
2의 구조를 가지는 광 입사각에 따른 양자효율 측정 장치를 사용하였다. 이 양자효율 측정 장치에서 단파장 및 가시광대에서는 제논램프 광원을 사용하였고, 장파장 영역에서는 할로겐 램프 광원을 사용하였으며, 이 광원의 빛을 chopper로 잘라 만든 AC광원을 단색화 장치로 입사하였다. 그리고 단색화 장치를 통해 10 nm 이하의 파장간격으로 나눈 빔을 샘플에 조사하였다.
측정은 온도 25℃에서 이루어졌으며, 입사각에 따른 양자효율을 측정하기 위해 125×125 mm 크기의 태양전지를 10º 간격으로 회전시킬 수 있는 스테이지를 제작하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 일반적인 구조의 p-type 웨이퍼를 기반으로 만든 단결정 실리콘 태양전지(c-Si)와 MOCVD와 PECVD로 유리위에 각각 전도성 투명 산화물(TCO)과 실리콘을 증착하여 만든 비정질 박막 실리콘 태양전지(a-Si:H)를 각 1장씩 제작하여 사용하였다. 그리고 Table 1은 실험에서 사용된 각 태양전지의 전기적 특성이다.
이론/모형
광 입사각에 따른 태양전지 특성은 영향을 미칠 수 있는 표면과 구조를 확인하기 위해서 SEM (scanning electron microscopy)을 사용하였다. 그리고 Fig.
성능/효과
Fig. 6(d)에선 자외선 영역은 입사각이 증가함에 따라 전류감소율은 점점 커졌고, 반면 근적외선 영역은 다소 증가하였다가 감소하였다. 그리고 가시광 영역은 30º까지 근소한 차이로 증가하다가 40º이후로 감소하였다.
단결정 실리콘 태양전지의 경우 어떠한 별다른 특징 없이 입사각이 최저인 0º에서 38.02 mA/cm2로 가장 높은 전류 밀도를 보여주었고, 차츰차츰 입사각이 높아짐에 따라 전류 감소 비율이 커지면서, 최대 70º에서 34.63 mA/cm2의가장 낮은 전류밀도를 보여주었다.
단결정 태양전지의 경우, 전 파장 영역에서 입사각이 증가함에 따라 양자효율 감소 비율이 점점 커졌고, 비정질 박막 태양전지의 경우, 입사각이 약 40º까지는 거의 변화가 없다가 급격히 양자 효율 감소 비율이 커지는 현상을 보였다.
앞선 결과대로, 단결정 실리콘 태양전지에서는 점차 감소비율이 커짐을 알 수 있고, 비정질 박막 실리콘 태양전지에서는 약 40º까지는 거의 변화가 없다가 그 이후에 급격히 감소함을 알 수 있었다.
이 두 샘플을 0º∼40º까지 전류밀도를 비교해 보면, 단결정 실리콘 태양전지에서는 40º까지 1.21 mA/cm2의 손실을, 비정질 박막 실리콘 태양전지에서는 0.03 mA/cm2의 전류손실을 보임으로써 비정질 실리콘 태양전지가 입사각에 따른 양자효율의 특성이 특정 각도까지는 좋음을 나타내었다.
이 양자효율을 가지고 AM 1.5 G 대비 단락 전류 밀도의 감소를 계산한 결과 약 62º이전에서 비정질 박막 실리콘 태양전지가 단결정 실리콘 태양전지보다 양자효율 감소 비율에서 유리함을 보였다.
5 G 대비 단락 전류 밀도의 감소를 계산한 결과 약 62º이전에서 비정질 박막 실리콘 태양전지가 단결정 실리콘 태양전지보다 양자효율 감소 비율에서 유리함을 보였다. 이것을 자외선, 가시광선, 근적외선 영역으로 나누어서 단락 전류 밀도의 영향도를 분석한 결과, 단결정 실리콘 태양전지에서는 가시광선, 근적외선 영역의 전류 밀도의 기여도가 컸으며, 입사각이 증가함에 따라 이 영역의 양자효율 감소 비율이 점차 커지면서 단락 전류 밀도도 떨어짐을 보였다. 반면 비정질 박막 실리콘 태양전지에서는 전류 밀도의 대부분을 차지하고 있는 가시광 영역에서 약 40º의 입사각까지 일정한 양자효율을 보였고, 기여하는 전류 밀도는 낮지만 장파장에서는 오히려 증가 하는 결과를 보이다가 이후에 급격히 감소였다.
후속연구
이것은 비정질 박막 실리콘 태양전지가 상대적으로 입사각에 따라 광특성 변화가 크게 나타나는 얇은 박막이 적층된 구조를 가지고 있고, 표면의 미세한 텍스쳐로 빛이 산란되었으며, 광 입사각이 커지면서 빛의 간섭 현상 등으로 특정 파장 길이 이상에서 흡수되는 광의 양이 늘어나기 때문인 것으로 보인다 [10]. 박막구조 설계 및 산란 특성 조절을 한다면 입사각에 영향을 적게 받는 태양전지 제작이 가능할 것으로 보인다.
향후, 태양전지 발전 시간별 광 입사각의 관계와 양자효율에 대해서 적용해 볼 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건재 일체형 태양광발전(BIPV) 응용을 위해 중요한 것은?
건재 일체형 태양광발전(BIPV) 응용을 위해 광 입사각에 따른 태양전지의 변환 효율은 중요하다. 양자효율은 태양전지의 파장별 전자 수집효율을 말하며, 입사각별 양자효율 측정으로 입사각에 따른 태양전지 출력 변화 요인을 분석할 수 있다.
박막형 태양전지의 재료에는 무엇이 있는가?
박막형 태양전지는 벌크형 태양전지의 원가에서 큰 비율을 차지하는 실리콘 웨이퍼의 비용을 줄이기 위한 방법으로 연구 개발되고 있다. 박막형 태양전지의 재료는 비정질 실리콘, CIGS, CdTe 등이 있으며 유리 기판이나 플라스틱 기판을 이용하여 제작된다. 박막형 비정질 실리콘 태양전지는 벌크형 실리콘 태양전지 대비 저가이나 다소 출력이 낮다 [5].
양자효율은 무엇을 유추할 수 있는가?
양자효율은 단파장 빛을 입사시켜 전류를 측정함으로써, 태양전지에 입사된 광자가 전자-정공 쌍으로 변환되는 비율을 알 수 있다. 파장에 따른 광자에너지별 전자 수집효율은 표면 반사율, 표면과 후면의 재결합 영향 등 태양전지의 종합적인 특성들을 유추할 수 있다. 또한, 입사각별 양자효율을 측정하여 파장별 전자수집특성 변화에 따라 태양전지 구조를 설계할 수 있다.
참고문헌 (10)
S. Kim, B. H. Kim, and S. H. Lee. EUPVSEC. 22, 1499 (2007).
D. S. Ruby, S. H. Zaihi, and S. Narayanan. PVSC. 28, 75 (2000).
Eli Yablonovitch. J. Opt. Soc. Am. 72, 899 (2004).
J. H. Soo, J. H. Kim, and P. S. Heo, Electronics and elecommunications Trends (ETRI, 2009), 136
H. Sai, Y. Kanamori, K. Arafune, Y. Ohshita, and M. Yamaguchi, Progress in photovoltaic: Research and applications. 15, 415 (2007).
J. Yoo, K. H. Kim, M. Thamilselvan, N. Lakshminarayn, Y. K. Kim, J. H. Lee, K. J. Yoo, and J. S. Yi. Journal of Physics D: Applied Physics. 41, 125205 (2008).
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