$Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 휨성 태양전지의 셀을 보호하기 위하여 스프레이 코팅방법에 의해 수분과 공기로부터의 보호막을 형성하고 그 전기적, 광학적 특성을 평가하였다. 일반적으로 CIGS 휨성 태양전지의 소자층을 보호하기 위해서 EVA(ethylene-vinyl acetate) 필름을 라미네이션 장비를 통하여 여러 겹 보호막을 형성함으로써 복잡한 공정으로 인해 원가상승의 요인으로서 작용한다. 본 연구는 휨성 CIGS 태양전지의 보호막을 라미네이션 박막공정 대신에 간단한 스프레이 코팅공정을 통한 패시베이션(passivation) 박막층을 형성함으로써 CIGS 태양전지 무게의 경량화와 공정시간 단축 연구를 진행하였다. 패시베이션 박막층으로는 PVA(polyvinyl alcohol), SA(sodium alginate) 물질에 $Al_2O_3$나노 입자를 첨가하여 유 무기 복합 용액을 사용하였다. 스프레이 코팅된 소자에 비해 에너지 변환 효율특성 62.891 gm/[$m^2-day$]의 비교적 양호한 습기 차단 특성을 나타내었다.
$Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 휨성 태양전지의 셀을 보호하기 위하여 스프레이 코팅방법에 의해 수분과 공기로부터의 보호막을 형성하고 그 전기적, 광학적 특성을 평가하였다. 일반적으로 CIGS 휨성 태양전지의 소자층을 보호하기 위해서 EVA(ethylene-vinyl acetate) 필름을 라미네이션 장비를 통하여 여러 겹 보호막을 형성함으로써 복잡한 공정으로 인해 원가상승의 요인으로서 작용한다. 본 연구는 휨성 CIGS 태양전지의 보호막을 라미네이션 박막공정 대신에 간단한 스프레이 코팅공정을 통한 패시베이션(passivation) 박막층을 형성함으로써 CIGS 태양전지 무게의 경량화와 공정시간 단축 연구를 진행하였다. 패시베이션 박막층으로는 PVA(polyvinyl alcohol), SA(sodium alginate) 물질에 $Al_2O_3$ 나노 입자를 첨가하여 유 무기 복합 용액을 사용하였다. 스프레이 코팅된 소자에 비해 에너지 변환 효율특성 62.891 gm/[$m^2-day$]의 비교적 양호한 습기 차단 특성을 나타내었다.
In order to protect the solar cells from the moisture and oxygen, we evaluated the electrical and optical properties for the $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) solar cells which were prepared by the spray coating method. Generally, the EVA (ethylene-vinyl acetate) films are laminated to protect the C...
In order to protect the solar cells from the moisture and oxygen, we evaluated the electrical and optical properties for the $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) solar cells which were prepared by the spray coating method. Generally, the EVA (ethylene-vinyl acetate) films are laminated to protect the CIGS flexible solar cells, which results in a high cost process due to complicated devices. In this study, we tried to prepare the protection layers of the flexible CIGS flexible solar cells by using spray coating method instead of conventional laminating films in order to reduce the device weight as well as the process time. The CIGS solar cells with spray coating method showed an enhanced efficiency than the before treated sample (2.77% to 2.93%) and relatively proper water vapor transmission rate of the solar cells about 62.891 gm/[$m^2-day$].
In order to protect the solar cells from the moisture and oxygen, we evaluated the electrical and optical properties for the $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) solar cells which were prepared by the spray coating method. Generally, the EVA (ethylene-vinyl acetate) films are laminated to protect the CIGS flexible solar cells, which results in a high cost process due to complicated devices. In this study, we tried to prepare the protection layers of the flexible CIGS flexible solar cells by using spray coating method instead of conventional laminating films in order to reduce the device weight as well as the process time. The CIGS solar cells with spray coating method showed an enhanced efficiency than the before treated sample (2.77% to 2.93%) and relatively proper water vapor transmission rate of the solar cells about 62.891 gm/[$m^2-day$].
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문제 정의
따라서 새로운 청정에너지원에 대한 근본적인 연구가 급증하고 있고 그 중에서도 재생 가능한 친환경적 에너지원인 태양광 발전에 대해 많은 연구가 진행 되고 있다.1-4) 본 연구에서는 태양의 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 상업화된 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 휨성 박막 태양전지의 보호막 형성과 소자의 특성 변화에 대하여 연구하였다. 태양전지의 가장 큰 문제점 중 하나는 수분과 산소 등 외부 환경에 매우 취약하다는 점이다.
이는 커다란 크기의 CIGS 휨성 소자에 대한 최적의 Solar Simulator 측정 조건을 확보하기가 어려웠으며 태양전지 소자 자체의 경시변화에 따른 복합적인 결과로 사료된다.10) 참고로 이와 같은 판단을 뒷받침하기 위해 간단한 실험을 통하여 CIGS 태양전지 성능을 확인하여 보았다. 즉, 구동전압에 적합한 작은 용량의 모터를 CIGS 태양전지에 연결하고 광을 조사한 결과 소형 모터가 동작하는 것을 확인하였다.
결국 EVA 필름을 태양전지 소자에 사용하는 경우 여러 문제점들이 제기될 수 있다.7) 본 연구에서는 휨성 CIGS 태양전지 보호막층에 대해 라미네이션 공정을 적용하지 않고 스프레이코팅을 통하여 패시베이션 박막을 형성함으로써 단순한 공정을 통하여 무게를 대폭 감소시키는 연구를 진행하였다. 패시베이션 용액은 PVA(polyvinyl alcohol) 유기물질을 기반으로 SA(sodium alginate)와 Al2O3 나노 입자를 첨가하여 유·무기 복합 보호막 용액을 형성하였다.
본 연구는 향후 동력운반체의 보조 동력원으로 CIGS 휨성 태양전지의 패시베이션 보호막을 용액공정으로 형성하고 특성을 평가하였다. 패시베이션 용액으로는 PVA와 SA 물질에 Al2O3 나노 입자를 첨가하여 유·무기 복합용액을 합성하여 스프레이 코팅법으로 보호막을 형성하였다.
제안 방법
또 다른 스프레이코팅 공정 변수로서 작용하는 것이 분사거리이다. CIGS 태양전지와 스프레이의 분사 거리를 5 cm에서 25 cm로 변화를 주고 스프레이 코팅하였을 때의 광 투과율을 확인하였다. 최종적으로 95°C에서 15분간 진공오븐에서 어넬링(annealing) 과정을 통하여 스프레이 코팅된 CIGS 태양전지를 얻을 수 있었으며 특성을 평가하였다.
이는 노즐거리에 따라 패시베이션 박막의 두께가 변화되어 나타난 결과로 판단된다. 다음으로 태양전지의 중요한 요소인 전기적인 특성을 알아보았다. 패시베이션보호막의 종류와 보호막 유, 무에 따른 전기적 특성을 조사하기 위해 스프레이코팅 코팅을 적용한 CIGS 태양전지 그리고 상부층에 보호막을 형성하지 않은 CIGS 태양전지의 CIGS 태양전지를 준비하였다.
그러나 4회 이상 용액 코팅을 한 경우는 광 투과율이 550 nm 파장 대 영역에서 광 투과율 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 코팅 횟수를 최대 3회로 한정하여 실험을 수행하였다.
먼저 보호막 재료로서 유·무기 복합 패시베이션 용액을 합성하였다.
스프레이코팅은 적은 재료를 소모하고 대면적 기판에 적용이 가능하다. 본 연구에서는 0.3mm의 노즐 사이즈로 0.2 MPa 압력으로 스프레이코팅을 진행 하였다. 또 다른 스프레이코팅 공정 변수로서 작용하는 것이 분사거리이다.
스프레이코팅을 적용한 CIGS 태양전지 소자의 패시베이션층의 보호막 역할을 알아보기 위해 습기 투과도(water vapor transmission rate, WVTR)를 측정하였다. Fig.
먼저 보호막 재료로서 유·무기 복합 패시베이션 용액을 합성하였다. 이를 위해 PVA와 DI water(deionized water)를 8 wt%의 비율로 혼합하였다. PVA 물질의 녹는점에 따라 magnetic stirrer를 사용하여 95°C 온도에서 250 rpm으로 24시간 교반 하였다.
패시베이션 용액은 PVA(polyvinyl alcohol) 유기물질을 기반으로 SA(sodium alginate)와 Al2O3 나노 입자를 첨가하여 유·무기 복합 보호막 용액을 형성하였다. 준비된 복합 보호막 용액을 사용하여 휨성 CIGS 박막 위에 스프레이 공정에 의해 보호막을 형성하였다. 형성된 보호막에 대해 공정 변수(노즐과 시편 거리)와 패시베이션박막 종류에 따른 박막의 형상학적, 광학적, 전기적 특성을 분석, 연구하였다.
패시베이션보호막의 종류와 보호막 유, 무에 따른 전기적 특성을 조사하기 위해 스프레이코팅 코팅을 적용한 CIGS 태양전지 그리고 상부층에 보호막을 형성하지 않은 CIGS 태양전지의 CIGS 태양전지를 준비하였다. 준비된 시편에 대해서 24시간 후 전류밀도-전압 특성 곡선을 조사하였다. Fig.
최종적으로 95°C에서 15분간 진공오븐에서 어넬링(annealing) 과정을 통하여 스프레이 코팅된 CIGS 태양전지를 얻을 수 있었으며 특성을 평가하였다.
다음으로 태양전지의 중요한 요소인 전기적인 특성을 알아보았다. 패시베이션보호막의 종류와 보호막 유, 무에 따른 전기적 특성을 조사하기 위해 스프레이코팅 코팅을 적용한 CIGS 태양전지 그리고 상부층에 보호막을 형성하지 않은 CIGS 태양전지의 CIGS 태양전지를 준비하였다. 준비된 시편에 대해서 24시간 후 전류밀도-전압 특성 곡선을 조사하였다.
준비된 복합 보호막 용액을 사용하여 휨성 CIGS 박막 위에 스프레이 공정에 의해 보호막을 형성하였다. 형성된 보호막에 대해 공정 변수(노즐과 시편 거리)와 패시베이션박막 종류에 따른 박막의 형상학적, 광학적, 전기적 특성을 분석, 연구하였다.
대상 데이터
이들 합성된 PVA와 SA는 UV (Ultraviolet)에 노출하면 열 경화를 통해 가교반응(cross-linking)을 일으키게 된다.8,9) 끝으로 패시베이션 용액의 기계적, 광학적 특성 향상을 위하여 약 30 nm 크기의 Al2O3 분산액을 사용하였다. 이때 Al2O3는 0.
태양전지 소자의 패시베이션 실험을 위하여 CIGS 태양전지를 가로 21 cm 세로 10 cm의 직사각형 모양의 상업용 대면적 휨성 CIGS 태양전지를 사용하였다. 직사각형인 형상의 CIGS 태양전지를 사용한 이유는 무인항공기의 날개 부분에 CIGS 태양전지를 부착하여 보조 동력원으로 사용하기 위함이다.
성능/효과
1회 스프레이 코팅한 박막과 3회 스프레이 코팅한 패시베이션 박막에 대해 표면 형상을 AFM으로 분석한 결과 Fig. 5에서와 같이 RMS (root mean square) 값이 158 nm과 125 nm로 각각 측정되어 3회 스프레이 코팅한 CIGS 휨성 태양전지 시료의 보호막 표면 거칠기가 감소한 것으로 확인되었다.
1회 스프레이코팅한 소자의 패시베이션 보호막의 두께는 평균 0.41 µm인 반면 3회 스프레이 코팅한 소자의 박막 평균 두께는 약 3.44 µm임을 확인하였다.
라미네이션 공정은 주로 pumping, slow press, standard press, past press, curing, cooling 등 6개의 공정으로 진행되며 공정의 온도, 압력 조건은 태양전지 모듈에 들어가는 각 재료에 따라 달라진다.6) 라미네이션 공정을 적용 시에는 필름의 개수에 따라서 CIGS 태양전지의 면적도 넓어지고 두꺼워지며 무게도 상당히 무거워 진다. 무게가 무거워지고 면적과 두께가 증가할 경우 CIGS 태양전지를 적용한 무인항공기 및 경량화를 해야 하는 제품의 경우에 크게 문제가 될 수 있다.
AFM 분석결과 3회 스프레이 코팅한 CIGS 휨성 태양전지 시료의 보호막의 표면 거칠기가 1회의 경우보다 개선되는 것을 확인하였다. 또한 스프레이코팅 후 CIGS 휨 성 소자의 무게는 7.
4에서 보여주고 있다. 결국, 3회 스프레이 코팅한 소자의 경우 WVTR 값이 62.891 gm/[m2-day]으로 소량 감소한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 4회 이상 용액 코팅을 한 경우는 광 투과율이 550 nm 파장 대 영역에서 광 투과율 크게 감소하는 결과를 나타내었다.
891 gm/[m2-day]으로 소량 감소한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 4회 이상 용액 코팅을 한 경우는 광 투과율이 550 nm 파장 대 영역에서 광 투과율 크게 감소하는 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 코팅 횟수를 최대 3회로 한정하여 실험을 수행하였다.
911 gm/[m2-day]으로 다소 열악한 수분 차단 효과를 확인하였다. 또한 3회 스프레이 코팅한 태양전지 소자의 경우가 1회 스프레이 코팅한 소자에 비해 다소 습기 차단 효과가 향상 되었음을 확인 하였다. 이러한 결과는 보호막이 1회 스프레이 코팅한 박막의 경우 보다 양호한 표면 조직으로 습기 차단 효과가 우수함을 의미한다.
또한 CIGS 태양전지 상부층에 스프레이코팅 후 CIGS 휨성 소자의 무게는 7.520 g으로 EVA 필름을 보호막으로 사용하는 일반적인 경우의 무게인 73 g에 비해 약 10배 이상 무게가 가벼움을 알 수 있다. 이러한 휨성 태양전지소자의 무게 감소는 앞으로 동력으로 이동하는 물체의 보조 동력원으로서 성능 개선에 크게 이바지 할 수 있다.
AFM 분석결과 3회 스프레이 코팅한 CIGS 휨성 태양전지 시료의 보호막의 표면 거칠기가 1회의 경우보다 개선되는 것을 확인하였다. 또한 스프레이코팅 후 CIGS 휨 성 소자의 무게는 7.52 g으로 EVA 보호막 필름의 경우보다 약 10배 이상 무게를 줄일 수 있음을 알 수 있었다. 스프레이 코팅된 CIGS 태양전지 시편이 코팅하지 않은 소자에 비해 미세하게 향상된 에너지 변환 효율특성(2.
2에는 소자의 인가전압에 따른 CIGS 태양전지 소자의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 보호막을 적용하지 않은 CIGS 태양전지는 0.578V, 3.35A, 30.06% 그리고 2.77%를 보여주고 있으며 스프레이 코팅을 적용한 CIGS 태양전지는 각각 0.572V, 3.60A, 29.82% 그리고 2.93%로 나타났다. 측정 결과 패시베이션 하지 않은 시료에서 낮은 전기적 특성을 보여주었다.
5에 보호막 시편에 대해서 AFM(atomic forced microscopy) 표면 영상 분석 결과를 제시하였다. 본 연구에서는 패시베이션 용액으로 코팅한 CIGS 박막소자의 습기 차단 효과를 개선하기 위해 코팅 횟수를 3회까지 증가하였다. 같은 조건에서 WVTR 측정 결과를 Fig.
52 g으로 EVA 보호막 필름의 경우보다 약 10배 이상 무게를 줄일 수 있음을 알 수 있었다. 스프레이 코팅된 CIGS 태양전지 시편이 코팅하지 않은 소자에 비해 미세하게 향상된 에너지 변환 효율특성(2.77%에서 2.93%)과 비교적 양호한 습기 차단 특성(약 62.891 gm/[m2-day]을 나타내었다.
10) 참고로 이와 같은 판단을 뒷받침하기 위해 간단한 실험을 통하여 CIGS 태양전지 성능을 확인하여 보았다. 즉, 구동전압에 적합한 작은 용량의 모터를 CIGS 태양전지에 연결하고 광을 조사한 결과 소형 모터가 동작하는 것을 확인하였다.
93%로 나타났다. 측정 결과 패시베이션 하지 않은 시료에서 낮은 전기적 특성을 보여주었다. 이러한 결과는 패시베이션 되지 않은 소자의 경우 보호막 없이 직접 공기와 노출되어 나타난 특성저하로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
라미네이션 공정의 특성은 무엇인가?
그러나 EVA 필름은 필름형태이기 때문에 라미네이션 (lamination) 공정을 통하여 형성하게 된다. 라미네이션 공정은 공정 시간이 비교적 길고 공정 시에 CIGS 태양전지와 EVA 필름이 기포 없이 접착이 잘 되어야 하며 복잡한 공정이 요구된다. 라미네이션 공정은 주로 pumping, slow press, standard press, past press, curing, cooling 등 6개의 공정으로 진행되며 공정의 온도, 압력 조건은 태양전지 모듈에 들어가는 각 재료에 따라 달라진다.
태양전지의 가장 큰 문제점은 무엇인가?
1-4) 본 연구에서는 태양의 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 상업화된 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 휨성 박막 태양전지의 보호막 형성과 소자의 특성 변화에 대하여 연구하였다. 태양전지의 가장 큰 문제점 중 하나는 수분과 산소 등 외부 환경에 매우 취약하다는 점이다. 기본적으로 실리콘태양전지, CIGS 태양전지등에주로 보호막층으로써 EVA (ethylenevinyl acetate) 필름을 사용하고 있다.
EVA 필름의 역할은 무엇인가?
기본적으로 실리콘태양전지, CIGS 태양전지등에주로 보호막층으로써 EVA (ethylenevinyl acetate) 필름을 사용하고 있다.5) 이 필름은 수분과 산소가 태양전지에 침투되는 것을 잘 방지하여 주고 있다. 그러나 EVA 필름은 필름형태이기 때문에 라미네이션 (lamination) 공정을 통하여 형성하게 된다.
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