[논문]측면입사광에 대한 SiOx 무반사 회절격자 결합 c-Si PV 서브-모듈의 광전변환효율 향상

심지현; 김제하

doi:10.4313/jkem.2017.30.5.325

측면입사광에 대한 SiOx 무반사 회절격자 결합 c-Si PV 서브-모듈의 광전변환효율 향상
Improvement of Solar Conversion Efficiency in a c-Si PV Sub-Module Integrated with SiOx Anti-Reflection Grating for Oblique Optical Irradiation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.5, 2017년, pp.325 - 330

심지현 (청주대학교 에너지융합학과) , 김제하 (청주대학교 에너지융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We fabricated 1-D and 2-D diffraction gratings of SiOx anti-reflection (AR) film grown on a quartz substrate and integrated them into a c-Si photovoltaic (PV) submodule. The light-trapping effect of the resulting submodules was studied in terms of the oblique optical incident angle, ${\theta}_i$. As the ${\theta}_i$ increased, solar conversion efficiency, ${\eta}$, was improved as expected by the increased optical transmission caused by the grating. For ${\theta}_i{\leq}30^{\circ}$, the relative solar conversion efficiency, ${\Delta}{\eta}$, of a 1-D SiOx (t=300 nm) grating, compared to that of a flat SiOx AR-coated integrated PV submodule, was improved very little, with a small variation of within 2%, but increased markedly for ${\theta}_i{\geq}40^{\circ}$. We observed a change of ${\Delta}{\eta}$ as large as 10.7% and 9.5% for the SiOx grating of period t=800 nm and 1200 nm, respectively. For a 2-D SiOx (t=300 nm) grating integrated PV submodule, however, the optical trapping behavior was similar in terms of ${\theta}_i$ but its variation was small, within ${\pm}1.0%$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 무반사 회절격자 집적 PV모듈을 사용하여 태양광 입사각도의 변화에 따른 광포획을 통한 태양광발전 효율의 향상 효과를 측정하였다. 1-D 및 2-D SiOx 회절격자의 주기와 태양광의 입사각에 따른 c-Si 태양전지의 전환효율 향상에 대한 결과를 보고하고자 한다.
본 연구에서 SiOx 박막 회절격자가 집적된 c-Si PV 서브-모듈의 경사 입사광의 세기변화에 따른 광포획 효과를 관찰하였다. 회절격자가 집적된 PV 모듈에서 광포획에 의한 광전환효율, η 은 입사각, θ_i가 증가할 때 같이 향상되었다.
가장 단순하며 수동적인 방법은 SiOx와 같은 반사방지(anti-reflection, AR)박막을 보호 유리 표면에 집적하는 것이다. 이로써 유리면으로부터 광반사를 최소화하고 태양전지 셀 내부로 최대한 많은 빛이 입사되도록 하는 것이다. SiOx 코팅 용액을 이용하여 형성한 AR 무반사막 사용 PV 모듈은 AR 무반사막 사용을 하지 않은 모듈에 비하여 약 2%의 상대효율이 향상이 되고 있다 [3].

제안 방법

태양전지 셀은 단결정 Si 셀(10×10 mm²)을 사용하였으며, 슬라이드글라스 전면유리판/EVA/단결정 c-Si 태양전지 셀/EVA/Polycarbonate (PC) 후면필름을 순차적으로 적층하고 측정용 리본케이블을 양극 및 음극 전극에 연결한 다음 라미네이션(150℃)을 거쳐 제작하였다. J-V 성능 평가를 위한 회절격자결합을 위하여 SiOx 회절격자(1-D, 2-D)/quartz (SiO₂)와 PV 서브모듈의 슬라이드글라스 전면유리판 사이에 굴절율 정합용액(index matching fluid)를 삽입하였다.
경사입사하는 태양광에 대한 회절격자 결합 c-Si 모듈의 J-V 특성 변화를 측정하기 위하여 태양전지(photovoltaic, PV) 서브-모듈을 제작하였다. 그림 2는 c-Si PV 서브-모듈 및 측정에 사용된 회절격자 결합된 태양전지 모듈구도를 보이고 있다.
본 연구에서는 SiOx 무반사 박막에 나노구조 1-D 및 2-D 회절격자를 형성하고 이를 집적한 PV 서브-모듈을 제작하였다. 이와 같은 무반사 회절격자 집적 PV모듈을 사용하여 태양광 입사각도의 변화에 따른 광포획을 통한 태양광발전 효율의 향상 효과를 측정하였다.
솔라시뮬레이터로부터 입사하는 태양광에 대하여 경사 입사각 0°≤θi≤80° 범위에서 변화하였다.
그림 4는 광전류가 cosθ_i 와 매우 잘 일치하는 것을 보이고 있으며, 이는 기울어진 태양전지 셀에 수직 입사하는 유효 태양광량의 세기는 S₀·cosθ_i 로 줄어드는 것을 의미한다. 이 연구에서는 경사각도의 변환을 통하여 태양 전지에 수직입사광의 세기를 제어하였다.
본 연구에서는 SiOx 무반사 박막에 나노구조 1-D 및 2-D 회절격자를 형성하고 이를 집적한 PV 서브-모듈을 제작하였다. 이와 같은 무반사 회절격자 집적 PV모듈을 사용하여 태양광 입사각도의 변화에 따른 광포획을 통한 태양광발전 효율의 향상 효과를 측정하였다. 1-D 및 2-D SiOx 회절격자의 주기와 태양광의 입사각에 따른 c-Si 태양전지의 전환효율 향상에 대한 결과를 보고하고자 한다.
7 mm)위에 PECVD를 이용하여 SiOx (t=100 nm, 150 nm, 300 nm) 박막을 증착하였다. 회절격자 주기는 SiOx의 문헌 조사를 통하여 1D 회절격자의 직달일사에 대한 투과율 향상의 최적 조건으로 중심 회절격자의 주기를 1,100 nm으로 설정하였다 [4]. 본 실험에서는 1-D 및 2-D 회절격자 주기 T=800 nm, 1,000 nm, 1,200 nm, 1,600 nm를 제작하였다.
그림 1은 제작된 1-D 및 2-D의 회절격자를 그림(왼쪽)과 제작된 구조체(오른쪽)이다. 회절격자/SiO₂를 태양전지 구조와 집적하는 위치가 중요한데 본 실험에서는 회절격자면이 전면(front surface), 즉 입사광쪽에 그리고 quartz 뒷면(flat surface)이 태양 전지 셀에 접촉하도록 설치하였다.
본 실험에서는 1-D 및 2-D 회절격자 주기 T=800 nm, 1,000 nm, 1,200 nm, 1,600 nm를 제작하였다. 회절격자는 전자선 스텝퍼(electron beam stepper)를 사용하여 제작하였다. 모든 회절격자 주기의 duty 는 50%였다.

대상 데이터

그림 9는 2-D SiOx 무반사 회절격자의 주기 T에 따른 광전변환효율, η 의 변화를 그린 그래프이다. 그림 6의 실험에서와 같이 SiOx 무반사막(t=300 nm)의3종류 회절격자를 사용하였다; 회절격자 없는 무반사막(■), 회절격자 주기 T=1,200 nm (○), T=1,600 nm (△). 그림 6과 달리 2-D 회절격자구조는 1-D 회절격자구조에 비하여 광전변화효율의 향상이 θ_i ≤ 50°에서 거의 나타나지 않았으며, 또한 회절격자 주기의 차이에 의한 효과도 관측되지 않았다.
회절격자 주기는 SiOx의 문헌 조사를 통하여 1D 회절격자의 직달일사에 대한 투과율 향상의 최적 조건으로 중심 회절격자의 주기를 1,100 nm으로 설정하였다 [4]. 본 실험에서는 1-D 및 2-D 회절격자 주기 T=800 nm, 1,000 nm, 1,200 nm, 1,600 nm를 제작하였다. 회절격자는 전자선 스텝퍼(electron beam stepper)를 사용하여 제작하였다.
본 연구에서는 회절격자를 제작하기 위하여 quartz(SiO₂) 기판 (두께; t=0.7 mm)위에 PECVD를 이용하여 SiOx (t=100 nm, 150 nm, 300 nm) 박막을 증착하였다. 회절격자 주기는 SiOx의 문헌 조사를 통하여 1D 회절격자의 직달일사에 대한 투과율 향상의 최적 조건으로 중심 회절격자의 주기를 1,100 nm으로 설정하였다 [4].
그림 6은 1-D SiOx 무반사 회절격자의 주기(T )에 따른 광전변환효율, η의 변화를 그린 그래프이다. 이 실험에 사용한 회절격자의 SiOx 무반사막은 3종류를 사용하였다; 회절격자 없는 무반사막(■), 회절격자 주기 T=1,200 nm (●), T=1,600 nm (▲). 입사각이 커짐에 따라 η은 SiOx 무반사막(t=300 nm)에 비하여 증가 하였으며, 그 증가폭은 입사각에 따라 커지는 것으로 측정되었다.
태양전지 셀은 단결정 Si 셀(10×10 mm2)을 사용하였으며, 슬라이드글라스 전면유리판/EVA/단결정 c-Si 태양전지 셀/EVA/Polycarbonate (PC) 후면필름을 순차적으로 적층하고 측정용 리본케이블을 양극 및 음극 전극에 연결한 다음 라미네이션(150℃)을 거쳐 제작하였다.

이론/모형

그림 2는 c-Si PV 서브-모듈 및 측정에 사용된 회절격자 결합된 태양전지 모듈구도를 보이고 있다. 이 서브-모듈 구성은 상용모듈의 봉지방법에 준하여 제작하였다. 태양전지 셀은 단결정 Si 셀(10×10 mm²)을 사용하였으며, 슬라이드글라스 전면유리판/EVA/단결정 c-Si 태양전지 셀/EVA/Polycarbonate (PC) 후면필름을 순차적으로 적층하고 측정용 리본케이블을 양극 및 음극 전극에 연결한 다음 라미네이션(150℃)을 거쳐 제작하였다.

성능/효과

광 입사각이 증가함에 따라 광전류 간격이 커지는 것은 태양전지 입사광의 크기가 cosθ_i 에 따라 변화하기 때문이다. 수직 입사광의 크기가 작아짐에 따라(큰 입사각) 생산되는 출력이 비례하여 감소하는 것을 보였다.
입사각이 커짐에 따라 η은 SiOx 무반사막(t=300 nm)에 비하여 증가 하였으며, 그 증가폭은 입사각에 따라 커지는 것으로 측정되었다.
즉, SiOx 회절격자와 결합한 태양전지 모듈은 수직방향으로 입사하는 태양광에는 광포획의 효과는 ≤2%로 크게 향상되지 않으나, 입사각이 커질 때(θi≥40o) 그 효과가 현저하게 증가하였다.
5%까지 증가하였다. 한편 입사각의 변화에 따른 2-D SiOx (t=300 nm) 회절격자의 광포획 효과는 1-D의 결과와 유사한 추세를 보였으나 상대 변화율이 ±1.0% 이하로 아주 작게 나타났다.
회절격자가 집적된 PV 모듈에서 광포획에 의한 광전환효율, η 은 입사각, θi가 증가할 때 같이 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PV 모듈은 어떻게 제작되는가?	무엇보다도 중요한 것은 주어진 일사, 기후 및 태양전지(photovoltaic, PV) 환경에서 최대한 전력을 생산하는 것이다. 일반적으로 PV 모듈은 셀을 보호하는 폴리머(EVA, POE) 봉지재와 함께 습기와 기계적 충격(mechanical impact)으로부터 보호하기 위한 저철분 강화유리로 마무리 되어 제작되고 있다. 결정형 실리콘 Si 태양전지는 직달 일사 입사에서 가장 높은 광전변환효율을 얻을 수 있지만 고정형 설치 PV 모듈의 경우 태양광은 일정한 각도를 태양전지에 입사하고 그 각도도 시시각각 변화하게 되어 전력생산에 영향을 주고 있다.
	모듈에 입사하는 태양광을 손실 없이 흡수하도록 하는 광포획 기술 중, 가장 단순하고 수동적인 방법은 무엇인가?	가장 단순하며 수동적인 방법은 SiOx와 같은 반사방지(anti-reflection, AR)박막을 보호 유리 표면에 집적하는 것이다. 이로써 유리면으로부터 광반사를 최소화하고 태양전지 셀 내부로 최대한 많은 빛이 입사되도록 하는 것이다.
	SiOx 코팅 용액을 이용하여 형성한 AR 무반사막 사용 PV 모듈은 다른 모듈에 비해 어느 정도 효율이 향상되는가?	이로써 유리면으로부터 광반사를 최소화하고 태양전지 셀 내부로 최대한 많은 빛이 입사되도록 하는 것이다. SiOx 코팅 용액을 이용하여 형성한 AR 무반사막 사용 PV 모듈은 AR 무반사막 사용을 하지 않은 모듈에 비하여 약 2%의 상대효율이 향상이 되고 있다 [3].

참고문헌 (8)

Report IEA PVPS T1-26:2015, A Snapshot of Global PV: 1992-2014, http://www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report (2015).
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K. H. Nielsen, D. K. Orzol, S. Koynov, S. Carney, E. Hultstein, L. Wondraczek, Sol. Energ. Mat. Sol. Cell., 128, 283 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2014. 05.034]

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R. Dewan and D. Knipp, J. Appl. Phys., 106, 074901 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.3232236]
T. K. Chong, J. Wilson, S. Mokkapati, and K. R Catchpole, J. Opt., 14, 024012 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1088/2040-8978/14/2/024012]

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J. Gjessing, E. S. Marstein, and A. Sudbo, Opt. Expr., 18, 5481 (2010). [DOI: https://doi.org/10.1364/OE.18.005481]

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J. Kim, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 847 (2016). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.12.847]
S. Saravanan, R. S. Dubey, S. Kalainathan, M. A. More, and D. K. Gautam, AIP Adv., 5, 057160 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.4921944]

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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