비정질실리콘 태양전지에 대한 장시간 성능예측: 확장지수함수 모형 및 컴퓨터 모의실험 Long-Term Performance of Amorphous Silicon Solar Cells with Stretched Exponential Defect Kinetics and AMPS-1D Simulation원문보기
태양광에 노출되어있는 동안 비정질실리콘태양전지에서 일어나는 장시간 성능변화에 대해서 연구하였다. 그리고 결함밀도의 운동학 모형을 통해서 태양광으로 인한 태양전지 성능변화를 예측하였다. 특히, 전하운반자 수명이 결함밀도에 의해서 크게 영향을 받기 때문에 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소(light-induced degradation)가 확장지수함수 완화법칙(stretched-exponential relaxation)을 따르는 결함밀도에 의해서 물리적으로 설명된다. 그리고 확장지수함수 완화법칙과AMPS-1D 컴퓨터 프로그램의 모의실험에 의해서 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소를 계산했고, 모의실험의 결과를 옥외에 설치한 태양전지의 측정데이터에 비교하였다. 본 연구는 상온에서 다음과 같은 특성을 갖는 전형적인 비정질실리콘pin 태양전지에 대해서 모의실험을 진행했다: 두께${\approx}$300 nm, 내부전위${\approx}$1.05 V, 초기 결함밀도${\approx}5{\times}10^{15}cm^{-3}$, 초기 단락전류${\approx}15.8mA/cm^2$, 초기 채우기비율${\approx}0.691$, 초기 개방전압${\approx}0.865V$, 초기 변환효율${\approx}9.50%$.
태양광에 노출되어있는 동안 비정질실리콘 태양전지에서 일어나는 장시간 성능변화에 대해서 연구하였다. 그리고 결함밀도의 운동학 모형을 통해서 태양광으로 인한 태양전지 성능변화를 예측하였다. 특히, 전하운반자 수명이 결함밀도에 의해서 크게 영향을 받기 때문에 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소(light-induced degradation)가 확장지수함수 완화법칙(stretched-exponential relaxation)을 따르는 결함밀도에 의해서 물리적으로 설명된다. 그리고 확장지수함수 완화법칙과AMPS-1D 컴퓨터 프로그램의 모의실험에 의해서 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소를 계산했고, 모의실험의 결과를 옥외에 설치한 태양전지의 측정데이터에 비교하였다. 본 연구는 상온에서 다음과 같은 특성을 갖는 전형적인 비정질실리콘pin 태양전지에 대해서 모의실험을 진행했다: 두께${\approx}$300 nm, 내부전위${\approx}$1.05 V, 초기 결함밀도${\approx}5{\times}10^{15}cm^{-3}$, 초기 단락전류${\approx}15.8mA/cm^2$, 초기 채우기비율${\approx}0.691$, 초기 개방전압${\approx}0.865V$, 초기 변환효율${\approx}9.50%$.
We study for long-term performance of amorphous silicon solar cells under light exposure. The performance is predicted with a kinetic model in which the carrier lifetimes are determined by the defect density. In particular, the kinetic model is described by the stretched-exponential relaxation of de...
We study for long-term performance of amorphous silicon solar cells under light exposure. The performance is predicted with a kinetic model in which the carrier lifetimes are determined by the defect density. In particular, the kinetic model is described by the stretched-exponential relaxation of defects to reach equilibrium. In this report, we simulate the light-induced degradation of the amorphous silicon solar cells with the kinetic model and AMPS-1D computer program. And data measured for outdoor performances of various solar cells are compared with the simulated results. This study focuses on examining the light-induced degradation for the following amorphous silicon pin solar cells: thickness${\approx}$300 nm, built-in potential${\approx}$1.05 V, defect density (at t=0)${\approx}5{\times}10^{15}cm^{-3}$, short-circuit current density (at t=0)${\approx}15.8mA/cm^2$, fill factor (at t=0)${\approx}0.691$, open-circuit voltage (at t=0)${\approx}0.865V$, conversion efficiency (at t=0)${\approx}9.50%$.
We study for long-term performance of amorphous silicon solar cells under light exposure. The performance is predicted with a kinetic model in which the carrier lifetimes are determined by the defect density. In particular, the kinetic model is described by the stretched-exponential relaxation of defects to reach equilibrium. In this report, we simulate the light-induced degradation of the amorphous silicon solar cells with the kinetic model and AMPS-1D computer program. And data measured for outdoor performances of various solar cells are compared with the simulated results. This study focuses on examining the light-induced degradation for the following amorphous silicon pin solar cells: thickness${\approx}$300 nm, built-in potential${\approx}$1.05 V, defect density (at t=0)${\approx}5{\times}10^{15}cm^{-3}$, short-circuit current density (at t=0)${\approx}15.8mA/cm^2$, fill factor (at t=0)${\approx}0.691$, open-circuit voltage (at t=0)${\approx}0.865V$, conversion efficiency (at t=0)${\approx}9.50%$.
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문제 정의
본 논문은 비정질 실리콘 태양전지에서 일어나는 LID를 물리적으로 이해하고, 이를 통해서 비정질실리콘 pin 구조의 장시간 성능을 예측하는데 연구의 초점을 맞추었다. 특히, 비정질실리콘 pin 태양전지의 LID를 이해하는데 확장지수 결함밀도(KSJ), 포화결함밀도(SJT), 그리고 전하운반자 수집거리(SWF)의 물리적 계산을 응용하였다.
본 논문은 장시간 태양광에 노출된 비정질실리콘 태양전지 [1,2]의 성능예측에 관해서 연구하였다. 비정질실리콘의 광유도 성능감소 (light-induced degradation, LID) [3]는 이미 1977년 보고된 Staebler-Wronski 효과 [4]에 의해서 확인된 바 있다.
태양전지의 장시간 성능을 예측하기 위해서 본 논문은 비정질실리콘으로 구성된 pin 구조에서 일어나는 LID에 초점을 맞추었다. 본 논문에서 사용한 비정질실리콘 태양전지는 N0≈5×1015 cm-3, Nsat 2×1016 ∼5×1016 cm-3, G=1×1020∼1×1021cm-3s-1, E a≈0.
가설 설정
비정질실리콘에서 일어나는 LID 변화를 예측하기 위해서 KSJ 계산 및 AMPS-1D 모의실험을 pin 태양전지에 대해서 적용하였다. 특히 태양광 흡수가 대부분 고유층에서 일어나기 때문에 LID 변화에 대한 계산을 고유층에 한정하 였고, p- 및 n-층에서는 LID 변화가 일어나지 않는 것으로 가정하였다. 그리고 모의실험에 사용된 비정질실리콘 pin 태양전지는 Table 1의 특성 외에 상온 및 표준태양광 조건(AM 1.
제안 방법
KSJ 계산(Eq.(1))을 비정질실리콘 pin 구조에 적용하여 표준태양광 조건(AM 1.5, I=100 W/cm2)에서 LID로 인한 결함밀도의 변화를 계산하였다. Fig.
그러므로 본 논문에서는 비정질실리콘으로 구성된 태양 전지가 태양광에 노출될 때 태양전지에서 일어나는 성능변 화에 대한 물리적인 요인과 LID에 대해서 논의하고, 그리고 시간이 경과함에 따라서 변화하는 태양전지 성능을 예측하기 위해서 확장지수함수 모형과 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램을 사용한다.
한편 비정질실리콘 태양전지가 옥외에 설치되었고, 태양 전지의 LID 변화가 한국에너지연구원 옥외열화 모니터링 시스템에 의해서 측정되었다. 그리고 상온 및 표준태양광 조건(AM 1.5 및 I=100 mW/cm2)에서 다음과 같은 물리적 성질을 갖는 태양전지에 대해서 모의실험을 진행하였다.
특히, 비정질실리콘 pin 태양전지의 LID를 이해하는데 확장지수 결함밀도(KSJ), 포화결함밀도(SJT), 그리고 전하운반자 수집거리(SWF)의 물리적 계산을 응용하였다. 그리고 태양 전지에 대해서 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램에 의한 모의실험을 진행하여 그와 같은 물리적 계산의 유용성을 확인하였다.
모의실험에 사용한 물리적 요소들은 Table 1에서 보여진다. 모의실험을 위해서 비정질실리콘 pin 태양전지에 대한 물리적 요소뿐만 아니라 띠꼬리 상태및 중간-띠간격 상태의 요소가 사용되었다. Table 1에서 모의실험 기호는 AMPS-1D 프로그램에서 사용한 기호이 고, 표에서 주어진 수치에 의해서 태양전지 성능요소를 계산하였다.
비정질실리콘 태양전지의 LID 변화를 관측하기 위해서 펜실베니아 주립대학교에서 개발한 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램을 비정질실리콘 pin 태양전지에 적용해서 모의실험을 진행하였다 [9]. 모의실험에 사용한 물리적 요소들은 Table 1에서 보여진다.
비정질실리콘에서 일어나는 LID 변화를 예측하기 위해서 KSJ 계산 및 AMPS-1D 모의실험을 pin 태양전지에 대해서 적용하였다. 특히 태양광 흡수가 대부분 고유층에서 일어나기 때문에 LID 변화에 대한 계산을 고유층에 한정하 였고, p- 및 n-층에서는 LID 변화가 일어나지 않는 것으로 가정하였다.
본 논문은 비정질 실리콘 태양전지에서 일어나는 LID를 물리적으로 이해하고, 이를 통해서 비정질실리콘 pin 구조의 장시간 성능을 예측하는데 연구의 초점을 맞추었다. 특히, 비정질실리콘 pin 태양전지의 LID를 이해하는데 확장지수 결함밀도(KSJ), 포화결함밀도(SJT), 그리고 전하운반자 수집거리(SWF)의 물리적 계산을 응용하였다. 그리고 태양 전지에 대해서 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램에 의한 모의실험을 진행하여 그와 같은 물리적 계산의 유용성을 확인하였다.
대상 데이터
본 논문에서 사용한 비정질실리콘 태양전지는 N0≈5×1015 cm-3, Nsat 2×1016 ∼5×1016 cm-3, G=1×1020∼1×1021cm-3s-1, E a≈0.9 eV의 특성을 갖는다.
데이터처리
모의실험을 위해서 비정질실리콘 pin 태양전지에 대한 물리적 요소뿐만 아니라 띠꼬리 상태및 중간-띠간격 상태의 요소가 사용되었다. Table 1에서 모의실험 기호는 AMPS-1D 프로그램에서 사용한 기호이 고, 표에서 주어진 수치에 의해서 태양전지 성능요소를 계산하였다.
성능/효과
3에서 3개월 후 변환효율이 약 20∼25%씩 줄어들었음을 볼 수 있다. 그리고 모의실험 결과에 의하면 측정된 태양전지의 변환효율은 장시간 후약 35% 줄어드는 것으로 예측된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안정된 태양전지 개발에 대해서 장해 요인은 어떤 것이 있는가?
특히, 일상적인 태양광 노출 하에서 태양전지의 장시간 성능예측에 대한 물리적인 이해의 부족과 기술·환경적 요소의 어려움은 아직 안정된 태양전지 개발에 대해서 장해 요인으로 남아있다.
비정질실리콘의 광유도 성능감소가 일어나는 이유는 무엇인가?
비정질실리콘의 광유도 성능감소 (light-induced degradation, LID) [3]는 이미 1977년 보고된 Staebler-Wronski 효과 [4]에 의해서 확인된 바 있다. 이는 비정질실리콘이 빛에 노출될 때, 이미 포함되어 있는 수소원자가 빛 에너지에 의해서 이동하고, 이로 인해서 생성 또는 소멸된 댕글링 본드(dangling bonds) 때문에 일어난다.
전하운반자 수명은 무엇으로부터 크게 영향을 받는가?
그리고 결함밀도의 운동학 모형을 통해서 태양광으로 인한 태양전지 성능변화를 예측하였다. 특히, 전하운반자 수명이 결함밀도에 의해서 크게 영향을 받기 때문에 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소(light-induced degradation)가 확장지수함수 완화법칙(stretched-exponential relaxation)을 따르는 결함밀도에 의해서 물리적으로 설명된다. 그리고 확장지수함수 완화법칙과AMPS-1D 컴퓨터 프로그램의 모의실험에 의해서 비정질실리콘 태양전지의 광유도 성능감소를 계산했고, 모의실험의 결과를 옥외에 설치한 태양전지의 측정데이터에 비교하였다.
J. Arch, P. McElheny, M. Rogosky, S. Fonash, and W. Howland, A Manual for AMPS-1D a One-dimensional Device Simulation Program for the Analysis of Microelectronic and Photonic Structures (1994).
J. H. Lyou, E. A. Schiff, S. Guha, and J. Yang, Appl. Phys. Lett. 78, 1924 (2001).
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