[국내논문]굴절률 분포에 따른 박막 실리콘 태양전지 반사방지막 설계기술 연구 The Study on the Antireflection(AR) Coating Design Scheme According to the Index Profile in the Thin-Film Silicon Solar Cell원문보기
본 논문에서는 향후 태양전지반사방지막에 적용여부를 알기 위하여 굴절률 분포에 따른 반사방지막의 성능을 분석하였다. 기존논문에서 제시되었던 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포를 6층 구조의 두께 180 nm 반사방지막에 적용하고 각 굴절률 분포에 대한 반사율을 계산하고 비교하였다. 또한 새로운 구배형 굴절률(graded index) 구조를 제안하였고, 제안한 구조와 기존의 1차, 3차 및 5차 함수의 반사율과 비교하였다. 그 결과로써, 굴절률 분포가 고차 함수로 갈수록 반사율이 대체적으로 감소하였고, 구배형 굴절률 분포의 경우는 짧은 파장대(500 nm ~ 700 nm 이하)에서는 1차, 3차 및 5차 함수보다 더 높은 반사율을 보였고, 긴 파장대(700 nm 이상 ~ 800 nm)에서는 더 낮은 반사율을 보였다. 따라서 긴 파장대에서는 구배형 굴절률 분포가 기존의 1차, 3차, 5차 함수인 경우보다 더 좋은 반사방지막이 될 수 있다는 것을 발견했고, 이 결과는 긴 적색 가시광선에서 적외선 영역에 적용되는 광소자 및 광필터에 적용 가능하리라 판단된다.
본 논문에서는 향후 태양전지 반사방지막에 적용여부를 알기 위하여 굴절률 분포에 따른 반사방지막의 성능을 분석하였다. 기존논문에서 제시되었던 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포를 6층 구조의 두께 180 nm 반사방지막에 적용하고 각 굴절률 분포에 대한 반사율을 계산하고 비교하였다. 또한 새로운 구배형 굴절률(graded index) 구조를 제안하였고, 제안한 구조와 기존의 1차, 3차 및 5차 함수의 반사율과 비교하였다. 그 결과로써, 굴절률 분포가 고차 함수로 갈수록 반사율이 대체적으로 감소하였고, 구배형 굴절률 분포의 경우는 짧은 파장대(500 nm ~ 700 nm 이하)에서는 1차, 3차 및 5차 함수보다 더 높은 반사율을 보였고, 긴 파장대(700 nm 이상 ~ 800 nm)에서는 더 낮은 반사율을 보였다. 따라서 긴 파장대에서는 구배형 굴절률 분포가 기존의 1차, 3차, 5차 함수인 경우보다 더 좋은 반사방지막이 될 수 있다는 것을 발견했고, 이 결과는 긴 적색 가시광선에서 적외선 영역에 적용되는 광소자 및 광필터에 적용 가능하리라 판단된다.
This paper shows an antireflection coating design skill for utilization the thin-film silicon solar cell in the future. The reflectivity of each index profile previously suggested as linear, cubic and quintic function has been calculated and compared. Each index profile is applied to the antireflect...
This paper shows an antireflection coating design skill for utilization the thin-film silicon solar cell in the future. The reflectivity of each index profile previously suggested as linear, cubic and quintic function has been calculated and compared. Each index profile is applied to the antireflection coating consisting of 6 layers with 180nm thickness. Also we suggest the graded index profile and compare it's reflectivity to the linear, cubic and quintic's ones. As a results we find the reflectivity generally decreases as the order goes to higher. However the reflectivity in the graded index profile shows the higher(lower) value than ones in the linear, cubic and quintic especially in the shorter(longer) wavelength range from 500 nm to below 700 nm(above 700 nm to 800 nm). Therefore we find that the graded index profile structure could be applied for the better antireflection coating design scheme especially for optical device and optical filter in the range of from deep red to infrared.
This paper shows an antireflection coating design skill for utilization the thin-film silicon solar cell in the future. The reflectivity of each index profile previously suggested as linear, cubic and quintic function has been calculated and compared. Each index profile is applied to the antireflection coating consisting of 6 layers with 180nm thickness. Also we suggest the graded index profile and compare it's reflectivity to the linear, cubic and quintic's ones. As a results we find the reflectivity generally decreases as the order goes to higher. However the reflectivity in the graded index profile shows the higher(lower) value than ones in the linear, cubic and quintic especially in the shorter(longer) wavelength range from 500 nm to below 700 nm(above 700 nm to 800 nm). Therefore we find that the graded index profile structure could be applied for the better antireflection coating design scheme especially for optical device and optical filter in the range of from deep red to infrared.
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문제 정의
본 연구에서는 기존의 Southwell의 논문[4]에서 제안한 1차, 3차, 5차 굴절률 분포 및 새로 제안하는 구배형굴절률 분포를 영역 2의 반사방지막에 적용하여 반사율을 계산하고 비교하고자 한다. 먼저 계산을 단순화하기 위하여 다음을 가정한다.
가설 설정
일반적인 태양전지의 기판위의 코팅구조는 아래의 그림 1과 같이 3개의 영역으로 이루진다. 만약 빛이 수직으로 입사한다고 가정하면 영역 1은 공기(n0=1)이고, 반사방지막(영역 2)의 굴절률은 ni 이고 두께가 t 이며, 기판(영역 3)의 굴절률이 ns 이다.
본 연구에서는 기존의 Southwell의 논문[4]에서 제안한 1차, 3차, 5차 굴절률 분포 및 새로 제안하는 구배형굴절률 분포를 영역 2의 반사방지막에 적용하여 반사율을 계산하고 비교하고자 한다. 먼저 계산을 단순화하기 위하여 다음을 가정한다. 반사방지막의 두께 t = 1 ㎛가정하고, 기판의 굴절율 ns = 2.
먼저 계산을 단순화하기 위하여 다음을 가정한다. 반사방지막의 두께 t = 1 ㎛가정하고, 기판의 굴절율 ns = 2.4 이고 반사방지막 표면의 굴절률 ni = 1.6이라고 가정한다. 이때 굴절률은 기판 쪽으로 갈수록 1차, 3차, 5차 및 구배형 분포를 갖으며 증가한다고 가정한다.
6이라고 가정한다. 이때 굴절률은 기판 쪽으로 갈수록 1차, 3차, 5차 및 구배형 분포를 갖으며 증가한다고 가정한다. 이때 적용된 굴절률 분포 중 1차 분포는
2.1 절에서 제시된 1차, 3차, 5차 및 구배형 굴절률 분포를 두께 180 nm의 반사방지막에 적용하고 넓은 파장대에 걸쳐서 효율적인 반사방지막을 형성하기 위하여 6층의 다층구조를 가정한다. 각층의 두께는 30 nm로 동일하고 반사방지막 표면으로부터 기판으로 갈수록 굴절률이 주어진 분포 특성을 갖으며 증가한다.
제안 방법
또한, 제안하는 구배형 분포식은 구배형 광섬유(graded index optical fiber)의 코어와 클래딩의 굴절률 분포를 따른다. 일반적인 구배형 광섬유의 코어와 클래딩사이의 굴절률 분포의 식[5]은
구배형 함수의 굴절률 분포에서 구배형 분포의 기울기를 제어하는 K의 값을 3으로 증가시키면서 그때의 반사율의 변화를 조사하였다. 그림 11은 두께 180 nm의 6층으로 이루어진 구배형(K=3) 함수의 굴절률 분포를 갖는 반사방지막 구조를 나타낸다.
광 포획에서 중요한 기술 중 하나는 입사광의 반사율을 최대로 줄여 태양전지의 광 흡수율을 최대로 높일 수 있는 반사방지막 설계 기술이다. 본 논문에서는 기존의 논문에서 제안한 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포를 6층 구조의 두께 180 nm 반사방지막에 적용하고 각각의 경우에 대한 반사율을 계산하고 비교하였다. 또한 향후 태양전지에 적용여부를 알고자 새로운 구배형 굴절률 분포를 제안하고 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포인 경우와 반사율을 비교하였다.
본 논문에서는 기존의 논문에서 제안한 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포를 6층 구조의 두께 180 nm 반사방지막에 적용하고 각각의 경우에 대한 반사율을 계산하고 비교하였다. 또한 향후 태양전지에 적용여부를 알고자 새로운 구배형 굴절률 분포를 제안하고 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포인 경우와 반사율을 비교하였다. 그 결과로서 굴절률 분포가 고차함수(1차->3차->5차)로 갈수록 반사율이 전 파장대에 걸쳐서 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있었다.
성능/효과
5585(로그값) 보다 더 적은 반사율을 얻을 수 있다. 따라서 5차 함수 분포가 1차 및 3차 함수 분포보다 전반적으로 더 적은 반사율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
그림 10에서 최소 반사율은 -1.7400(로그값)으로서 앞 절의 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 더 낮은 반사율을 보이고 있다는 것을 알 수 있어서 기존의 Southwell의 논문에서 제시한 1차, 3차 및 5차 함수의 굴절률 분포보다 본 논문에서 제시한 구배형 굴절률 분포의 경우 더 좋은 반사방지막을 형성 할 수 있다는 것을 보여준다.
그 결과로서 굴절률 분포가 고차함수(1차->3차->5차)로 갈수록 반사율이 전 파장대에 걸쳐서 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있었다.
9801(로그값)으로서 K=2인 구배형 함수보다 더 낮은 최소값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서 구배형 함수는 K의 값이 클수록 더 낮은 반사율을 얻을 수 있어 더 좋은 반사방지막을 형성 한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 파장 영역이 짧은 500 nm 대에서는 K=2 인 구배형 함수 보다 K=3 인 경우가 더 높은 반사율을 보인다.
그러나, 파장 영역이 짧은 500 nm 대에서는 K=2 인 구배형 함수 보다 K=3 인 경우가 더 높은 반사율을 보인다. 따라서 구배형 굴절률 분포에서는 긴 파장대(약 670 nm 이상)에서는 K 값이 큰 구배형 함수가, 짧은 파장대(약 670 nm 이하)에서는 K 값이 적은 구배형 함수가 더 좋은 반사방지막이 된다는 것을 알 수 있다. 또한 구배형 굴절률 분포와 기존의 1차, 3차, 5차 함수의 반사율을 비교해보면 700 nm 이상 ~ 800 nm 인 긴 파장대에서는 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 더 낮은 반사율을 보여 더 좋은 반사방지막이 된다는 것을 알 수 있다.
따라서 구배형 굴절률 분포에서는 긴 파장대(약 670 nm 이상)에서는 K 값이 큰 구배형 함수가, 짧은 파장대(약 670 nm 이하)에서는 K 값이 적은 구배형 함수가 더 좋은 반사방지막이 된다는 것을 알 수 있다. 또한 구배형 굴절률 분포와 기존의 1차, 3차, 5차 함수의 반사율을 비교해보면 700 nm 이상 ~ 800 nm 인 긴 파장대에서는 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 더 낮은 반사율을 보여 더 좋은 반사방지막이 된다는 것을 알 수 있다. 아래의 그림 13은 굴절률 분포 함수에 따른 반사율을 요약하여 보여주고, 그림 14는 1차, 3차, 5차 및 구배형 굴절률 분포를 갖는 반사방지막 구조를 요약하여 보여준다.
그 결과로서 굴절률 분포가 고차함수(1차->3차->5차)로 갈수록 반사율이 전 파장대에 걸쳐서 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 본 논문에서 제안한 구배형 굴절률 분포의 경우는 긴 파장대(700 nm 이상 ~ 800 nm)에서는 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 더 낮은 반사율을 보여 성능이 우수한 반사방지막으로서의 가능성을 보여주었다. 그러나, 짧은 파장대(500 nm ~ 700 nm 이하)에서는 기존의 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 반사율이 높아서 반사방지막의 특성이 떨어진다는 것을 알 수 있었다.
또한 본 논문에서 제안한 구배형 굴절률 분포의 경우는 긴 파장대(700 nm 이상 ~ 800 nm)에서는 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 더 낮은 반사율을 보여 성능이 우수한 반사방지막으로서의 가능성을 보여주었다. 그러나, 짧은 파장대(500 nm ~ 700 nm 이하)에서는 기존의 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 반사율이 높아서 반사방지막의 특성이 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 따라서 구배형 굴절률 분포의 경우는 긴 적색 가시광선에서 적외선 영역에 적용되는 광소자 및 광필터에 적용 가능하리라 판단된다.
후속연구
그러나, 짧은 파장대(500 nm ~ 700 nm 이하)에서는 기존의 1차, 3차 및 5차 함수인 경우보다 반사율이 높아서 반사방지막의 특성이 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 따라서 구배형 굴절률 분포의 경우는 긴 적색 가시광선에서 적외선 영역에 적용되는 광소자 및 광필터에 적용 가능하리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
박막 실리콘 태양전지의 낮은 변환효율을 보안하기 위해 적용한 기술은 무엇인가?
결정질 실리콘 태양전지에 비해서 박막 실리콘 태양전지는 생산단가가 낮고 대량생산에 유리하다는 장점을 갖는 대신에 변환효율이 낮다는 단점이 있다. 따라서 낮은 변환효율의 단점을 보완하기 위하여 다양한 기술이 적용되고 있는데, 그중의 하나가 반사방지막(antireflection coating)기술이다. 반사방지막은 태양전지 증착 전에 유리 기판 위에 얇은 투과막을 코팅하여 빛의 간섭(interference) 현상을 이용하여 반사를 방지한다.
결정질 실리콘 태양전지에 비해 박막 실리콘 태양전지의 장단점은 무엇인가?
결정질 실리콘 태양전지에 비해서 박막 실리콘 태양전지는 생산단가가 낮고 대량생산에 유리하다는 장점을 갖는 대신에 변환효율이 낮다는 단점이 있다. 따라서 낮은 변환효율의 단점을 보완하기 위하여 다양한 기술이 적용되고 있는데, 그중의 하나가 반사방지막(antireflection coating)기술이다.
반사방지막은 어떻게 반사를 방지하는가?
따라서 낮은 변환효율의 단점을 보완하기 위하여 다양한 기술이 적용되고 있는데, 그중의 하나가 반사방지막(antireflection coating)기술이다. 반사방지막은 태양전지 증착 전에 유리 기판 위에 얇은 투과막을 코팅하여 빛의 간섭(interference) 현상을 이용하여 반사를 방지한다. 반사방지막은 빛의 간섭현상을 이용하여 반사율을 제어하므로 기판위에 증착되는 코팅물질의 굴절률 및 두께가 반사막의 반사방지(antireflection(AR))의 정도를 결정하는 가장 중요한 요소이다.
참고문헌 (6)
J. W. Lim, S. J. Yun, H. T. Kim, "Optical AlTiO Films Grown by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47, pp. 6934-6937, Aug., 2008.
M. Kuo, D. J. Poxson, et al., "Realization of a Near-perfect Antireflection Coating for Silicon Solar Energy Utilization", Optics Letters, vol. 33, no. 21, pp.2527-2529, Nov., 2008.
J. Q. Xi, Jong Kyu Kim, E. F. Schubert, Dexian Ye, T. M. Lu, and Sha주-Yu Lin, " Very Low-refractive-index Optical Thin Films Consisting of an Array of $SiO_{2}$ Nanorod", Optics Letters, vol. 31, no. 5, pp.601-603, March, 2006.
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