[논문]PERC 태양전지 모듈의 출력저하 방지를 위한 모스아이(Moth-eye) 광학필름 연구

오경석; 박지원; 최진영; 천성일

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.055

[국내논문] PERC 태양전지 모듈의 출력저하 방지를 위한 모스아이(Moth-eye) 광학필름 연구
A Study of Moth-eye Nano Structure Embedded Optical Film with Mitigated Output Power Loss in PERC Photovoltaic Modules 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.55 - 60

오경석 (한국전자기술연구원) , 박지원 (한국전자기술연구원) , 최진영 ((주)나노메카) , 천성일 (한국전자기술연구원)

초록
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태양광 발전소에 설치된PERC 태양광 모듈 스트링-어레이는 고전압의 전위차로 인해 여전히 potential-induced degradation(PID) 열화 현상이 여전히 보고되고 있다. 이는 태양전지 모듈 커버글라스의 Na+ 이온이 태양전지 봉지재(EVA)를 투과하여 셀 표면으로 전이되고 결함이 많이 분포되어 있는 ARC(SiOx/SiNx) 계면에 양전하가 축적됨으로써 shunt-Resistance(Rsh)가 감소되고 누설전류량이 증가되어 태양전지 출력이 저하되는 현상이다. 본 연구에서는 이를 방지하기 위해 나노임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography, NIL) 방식을 이용하여 모스아이(Moth-eye) 나노 구조를 광학 필름 후면에 증착 하였고, 이를 커버글라스와 EVA 사이에 삽입하여 태양광 미니 모듈을 구성하였다. PID 열화 현상을 확인하기 위해 IEC 62804-1 규격에 기반한 셀 단위 PID 열화가속시험을 진행하였고, Light I-V, Dark I-V 분석을 통해 출력(Pmax), 효율(Efficiency), 병렬 저항(shunt resistance)을 확인하였다. 그 결과 기존의 태양전지는 초기 효율 19.76%에서 6.3% 감소하였으나 모스아이 나노 구조 광학 필름(Moth-eye film)이 적용된 태양전지는 0.6% 만 감소하여 PID 열화 현상이 방지되는 것을 확인하였고, 모스아이 나노구조를 통해 투과도가 4% 향상되어 미니 모듈 출력이 2.5% 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The PERC photovoltaic (PV) modules installed in PV power plant are still reports potential-induced degradation (PID) degradation due to high voltage potential differences. This is because Na+ ions in the cover glass of PV modules go through the encapsulant (EVA) and transferred to the surface of solar cells. As positive charges are accumulated at the ARC (SiOx/SiNx) interface where many defects are distributed, shunt-resistance (Rsh) is reduced. As a result, the leakage current is increased, and decrease in solar cell's power output. In this study, to prevent of this phenomenon, a Moth-eye nanostructure was deposited on the rear surface of an optical film using Nano-Imprint Lithography method, and a solar mini-module was constructed by inserting it between the cover glass and the EVA. To analyze the PID phenomenon, a cell-level PID acceleration test based on IEC 62804-1 standard was conducted. Also analyzed power output (Pmax), efficiency, and shunt resistance through Light I-V and Dark I-V. As a result, conventional solar cells were decreased by 6.3% from the initial efficiency of 19.76%, but the improved solar cells with the Moth-eye nanostructured optical film only decreased 0.6%, thereby preventing the PID phenomenon. As of Moth-eye nanostructured optical film, the transmittance was improved by 4%, and the solar module output was improved by 2.5%.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Process of Moth-eye nano structure optical film fabrication using nano-imprint lithography.⁸⁾
그림 Fig. 2. Structure of PERC solar cells and modules (A) SiO2-Free ARC layer of PERC solar cells structure, (B) Initial optical film embeddded 1-cell photovoltaic mini-modules (C) Moth-eye nano structure film embedded 1-cell photovoltaic mini-modules.
그림 Fig. 3. Moth-eye nano structure film of optical characteristics and SEM image (A) Transmittance, (B) Reflectance, (C) Cross-section SEM image, (D) Top-view SEM image.
그림 Fig. 4. Light I-V analysis of Initial film and Moth-eye film embedded PV modules.
표 Table 1. Parameter value of Light I-V curve analysis (Film embedded PV modules)
그림 Fig. 5. Cell-level PID accelation test result based on IEC 62804-1 standard (A) Light I-V analysis (B) Dark I-V analysis
표 Table 2. Parameter value of Light I-V curve analysis (Cell-level PID tested)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PERC 태양전지 모듈의 출력저하 방지를 위해 모스아이 나노구조 광학필름(Moth-eye film)을 제작 하였다.^{4, -6)} Fig.
³⁾ 이 경우 또한 PET 필름의 두께 및 굴절율로 인해 입사광이 커버 글라스를 투과 하였을 때 PET 필름 표면에서의 반사와 투과도 (Transmittance) 하락에 의한 광학적인 손실이 발생되기 때문에 초기 출력이 떨어지는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 이러한 열화현상으로 인해 PERC 태양전지 모듈에서 발생하는 출력 저하를 해결하고자 나노임프린트리소그래피(nano-imprint lithography, NIL)를 이용하여 모스 아이(Moth-eye) 광학필름을 제작하고 태양전지 모듈에 적용하였다. 이를통해 Na⁺이온의 확산을 방지하여 PID 열화율을 저감하고, Moth-eye 나노구조를 통한 투과도를 개선하여 광학적 손실을 방지 하고자 하였으며, 이를 통해 PERC 태양전지 모듈의 초기 출력을 향상 시키고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 열화현상으로 인해 PERC 태양전지 모듈에서 발생하는 출력 저하를 해결하고자 나노임프린트리소그래피(nano-imprint lithography, NIL)를 이용하여 모스 아이(Moth-eye) 광학필름을 제작하고 태양전지 모듈에 적용하였다. 이를통해 Na⁺이온의 확산을 방지하여 PID 열화율을 저감하고, Moth-eye 나노구조를 통한 투과도를 개선하여 광학적 손실을 방지 하고자 하였으며, 이를 통해 PERC 태양전지 모듈의 초기 출력을 향상 시키고자 하였다.

제안 방법

특히 SiOx의 박막이 SiN_x박막과 N-type 에미터 사이에 위치할 경우 PID-s의 저항이 증가된다.¹⁹⁾ PID열화에 의한 효율 및 출력감소율을 확인하기 위하여 Fig. 2의 (A)와 같이 Ptype PERC 실리콘 태양전지 제조공정중에 Phosphorous Silicate Glass (PSG) 제거 공정 이후 PECVD방법으로 단일 SiN_x층만 구성하여 SiO_x박막이 인위적으로 제거된 ARC층을 형성 하였다.⁹⁾
⁷⁾ 그 후 PET 광학필름을 Ni 마스터 스탬프에서 박리하여 1차 복제 필름을 제작하였다. 1차 복제 필름은 최종 나노 구조 광학필름을 위한 마스터 필름으로 사용하기 위해 heptadecafluoro-1, 1, 1, 2, 2-tetra-hyrodecyl 물질을 이용하여 Self-assembled monolayer (SAM) 코팅하였고 표면 에너지를 낮추었다. 이후 DT-7000 UV레진(High tech Co.
1은 Moth-eye 나노 구조의 증착 방법을 나타내었다.⁴⁾ 30×30 cm 크기의 Moth-eye 패턴의 Ni 마스터 스탬프가 e-beam 리소그래피로 제작되었으며, Polyethylene terephthalate(PET) 재질의 광학필름을 Ni마스터 스탬프에 놓고 120^oC에서 20분동안 유지하였고, 이후 PET필름을 20 bar 압력에서 20분동안 압축하여 실온으로 냉각시켰다.⁷⁾ 그 후 PET 광학필름을 Ni 마스터 스탬프에서 박리하여 1차 복제 필름을 제작하였다.
⁴⁾ 30×30 cm 크기의 Moth-eye 패턴의 Ni 마스터 스탬프가 e-beam 리소그래피로 제작되었으며, Polyethylene terephthalate(PET) 재질의 광학필름을 Ni마스터 스탬프에 놓고 120^oC에서 20분동안 유지하였고, 이후 PET필름을 20 bar 압력에서 20분동안 압축하여 실온으로 냉각시켰다.⁷⁾ 그 후 PET 광학필름을 Ni 마스터 스탬프에서 박리하여 1차 복제 필름을 제작하였다. 1차 복제 필름은 최종 나노 구조 광학필름을 위한 마스터 필름으로 사용하기 위해 heptadecafluoro-1, 1, 1, 2, 2-tetra-hyrodecyl 물질을 이용하여 Self-assembled monolayer (SAM) 코팅하였고 표면 에너지를 낮추었다.
본 연구는 NIL을 이용하여 Moth-eye film을 제작하였으며 이를 PERC 태양전지 모듈에 적용하여 출력 및 효율을 향상하는 동시에 PID현상에 의한 열화를 방지하였다. Fig.
본 연구에서는 NIL 방식으로 증착된 Moth-eye film이 적용된 PERC 태양전지 모듈를 제작하였고, PID 열화현상을 방지함으로써 출력저하를 개선하였다. Moth-eye film 은 원뿔형 구조가 6각형 모양으로 광학 필름 표면에 일정하게 배치된 형태이다.
이러한 2종류의 광학필름을 이용하여 커버 글라스 후면 및 PERC 태양전지 전면에 위치한 봉지재 사이에 삽입된 형태의 동일 구조의 태양전지 모듈을 제작하였으며 광학적인 효과에 따른 효율 및 출력의 개선 정도를 확인하기 위하여 AM 1.5G의 1 Sun 환경의 Solar simulation 분석을 하였고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. initial film이 삽입된 PERC 태양전지 1-Cell 미니 모듈은 효율이 17.
이러한 SiO₂-free PERC 태양전지를 이용하여 최상단 에는 3.3T 두께의 특수 저철분 강화유리(커버 글라스)를 사용하였으며, 태양전지 전면 및 후면에 봉지재(Ethylene Vinyl Acetate, EVA))를 적층 하며, 최하단 에는 PE/PET/ W-PET 구조의 백시트를 사용하였으며, 커버 글래스 및 전면 봉지재 사이에 Fig. 2의 (B)와 (C)와 같이 일반적인 광학필름(initial film) 및 Moth-eye film을 삽입하여 2종의 모듈 구조를 구성하였고 라미네이터(Laminator)를 이용하여 160^oC 온도 및 0.4Mpa에서 30분동안 고온 압착하여 모듈을 제작하였다. 광학 필름의 투과도(Transmittance) 및 반사도(Reflectance)를 확인하기 위하여 UV-visible spectroscopy (Cary 5000)를 사용하였으며, Moth-eye 나노 패턴의 특성을 확인하기 위하여 Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, Hitachi, S-4300, Japan)을 사용하였다.
, South Korea)를 이용하여 UV NIL를 진행 하여 2차 복제 필름을 제작하였다. 이렇게 제작된 여러장의 2차 복제 필름을 롤 프린팅용 마스터 필름으로 사용하여 최종 Moth-eye film을 제작 하였다.⁸⁾ Fig.
1차 복제 필름은 최종 나노 구조 광학필름을 위한 마스터 필름으로 사용하기 위해 heptadecafluoro-1, 1, 1, 2, 2-tetra-hyrodecyl 물질을 이용하여 Self-assembled monolayer (SAM) 코팅하였고 표면 에너지를 낮추었다. 이후 DT-7000 UV레진(High tech Co., South Korea)를 이용하여 UV NIL를 진행 하여 2차 복제 필름을 제작하였다. 이렇게 제작된 여러장의 2차 복제 필름을 롤 프린팅용 마스터 필름으로 사용하여 최종 Moth-eye film을 제작 하였다.
5 kg의 구리 무게 추를 배치하였다. 하단의 플레이트는 60^oC의 온도로 유지되며 +1,000V가 인가되었고, 상단의 무게 추에는 -1,000V를 인가 하여 전위차를 발생시켰으며 96시간 동안 유지하여 PID 열화 가속 시험을 진행 하였다. Fig.

이론/모형

광학 필름의 투과도(Transmittance) 및 반사도(Reflectance)를 확인하기 위하여 UV-visible spectroscopy (Cary 5000)를 사용하였으며, Moth-eye 나노 패턴의 특성을 확인하기 위하여 Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, Hitachi, S-4300, Japan)을 사용하였다. PERC 태양전지 및 모듈의 효율(Eff), 출력 (Pmax), PID열화율 분석을 위해 1-Sun (AM 1.5G) 환경의 솔라 시뮬레이터(Wacom Electronic Co., Ltd)를 사용하였으며, Shunt-Resistance 비교분석을 위해 Dark I-V 분석 장치(Source measurement Unit 2401 series, Keithly Instruments)를 사용하였다.
4Mpa에서 30분동안 고온 압착하여 모듈을 제작하였다. 광학 필름의 투과도(Transmittance) 및 반사도(Reflectance)를 확인하기 위하여 UV-visible spectroscopy (Cary 5000)를 사용하였으며, Moth-eye 나노 패턴의 특성을 확인하기 위하여 Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, Hitachi, S-4300, Japan)을 사용하였다. PERC 태양전지 및 모듈의 효율(Eff), 출력 (Pmax), PID열화율 분석을 위해 1-Sun (AM 1.

성능/효과

1%의 변환효율을 가지고 있는 PERC 구조의 고효율 태양전지를 NREL Best Research-Cell Efficiency Chart에 등재 하였다.¹⁾ 하지만 이러한 PERC 태양광 모듈은 인버터의 용량에 따라 600~1000V 시스템을 구성하기 위해 스트링-어레이의 형태의 직렬 연결로 태양광 발전소에 구성되어 있으며 장시간 외부 환경에 노출되어 고장 및 열화 현상에 의한 출력 저하 현상이 발생된다. 특히 접지된 모듈의 태양전지와 프레임 사이에 고전압이 인가되어 전위차가 발생하게 된다.
3의 (C)와 (D)에서 볼 수 있듯이 6각 배치로 일정하게 형성된 Moth-eye 패턴의 구조적인 특징으로 인해 광학적 특성이 개선된다.¹⁰⁾ initial filme 평면의 형태이기 때문에 두께에 따른 일정한 굴절율을 나타내지만 광학필름 표면에 증착된 Moth-eye 구조의 원뿔 형태로 인해 입사광 투과에 따라 굴절율이 연속적으로 변화하며, 그 결과 반사율이 감소되어 투과율이 증가된다, 이는 기존에 보고된 Moth-eye 패턴 형성에 따른 투과도 향상 결과와 일치한다.^{5, 6)}
Moth-eye film 은 원뿔형 구조가 6각형 모양으로 광학 필름 표면에 일정하게 배치된 형태이다. 400~800nm의 범위에서의 투과율이 4% 향상되었으며 PERC 태양전지 모듈에 적용하였을 때 I_sc가 4.47A로 2.99% 향상되었고 출력이 4.45W로 2.52% 향상되었다. 또한 셀 단위 PID 가속열화시험을 진행하였을 때 Moth-eye film이 적용되지 않은 태양전지는 PID열화 현상으로 인해 초기 효율 19.
76%이다. Moth-eye film이 적층 되지 않은 태양전지는 PID 시험 후 효율이 초기 효율 대비 6.3% 감소한 13.44% 이나 Moth-eye film이 적층 된 태양전지는 초기 효율 대비 0.6% 만 감소된 19.16% 으로 PID 열화현상으로 인한 출력 저하 방지에 효과적임을 확인 하였다. 이는 Fig.
4에 나타내었다. initial film이 삽입된 PERC 태양전지 1-Cell 미니 모듈은 효율이 17.68% 이며 출력이 4.34W이고 Moth-eye film이 삽입된 미니 모듈은 효율이 18.12% 이며 출력이 4.45W로 initial film 기준으로 효율 및 출력이 2.5% 증가하였다. 이는 Table 1의 태양전지 효율 파라미터와 같이 initial film의 단락전류 (short-circuit current, I_sc)는 4.
이러한 결과는 태양전지용 커버글라스에 있는 Na+이온이 낮은 체적 저항을 가지는 EVA의 특성으로 인해 확산 및 투과되어 PERC 태양전지 표면의 ARC 레이어의 SiN_x에 축적된다. 그 결과 PERC 태양전지 표면 ARC 레이어 및 N-type 에미터 층에 Shunting path 가 발생되어 PID-s 메커니즘과 동일한 출력 저하 현상이 나타난다.18) 이상적인 태양전지는 등가회로 상 R_sh가 무한대이어야 내부 누설전류가 없으나, R_sh가 감소하였을 때 입사된 Photon들이 광 흡수층을 통해 electron으로 변환되지만 태양전지 내부의 누설 전류로 인해 전면 및 후면 전극을 통해 효과적으로 빠져나가지 못하기 때문이다.
52% 향상되었다. 또한 셀 단위 PID 가속열화시험을 진행하였을 때 Moth-eye film이 적용되지 않은 태양전지는 PID열화 현상으로 인해 초기 효율 19.76%에서 13.44%로 감소 하였으나 Moth-eye film이 적용된 태양전지는 19.16%로 PID열화율이42.5% 감소 되었다. 이러한 결과는 Moth-eye 나노패턴을 광학 필름에 적용하여 투과율이 개선됨을 알 수 있으며, PERC 태양전지 모듈 커버 글라스 후면 및 봉지재 사이에 적용함으로써 효과적으로 PERC셀의 흡수 효율을 증가시켜 출력이 개선됨을 알 수 있었다.
이러한 결과는 Moth-eye 나노패턴을 광학 필름에 적용하여 투과율이 개선됨을 알 수 있으며, PERC 태양전지 모듈 커버 글라스 후면 및 봉지재 사이에 적용함으로써 효과적으로 PERC셀의 흡수 효율을 증가시켜 출력이 개선됨을 알 수 있었다. 또한 커버글라스의 Na⁺이온을 효과적으로 차단함으로써 PID현상으로 인한 R_sh 감소하여 shunting path 가 발생되는 것을 방지하여 셀 내부의 누설 전류를 차단하고, 그 결과 효율 및 출력 저하 현상이 효과적으로 개선됨을 알 수 있었다.
또한, Moth-eye film이 삽입된 태양전지 모듈은 PID 열화에 따른 출력 저하 현상이 개선됨을 알 수 있다. Fig.
5의 (B)에서의 Dark I-V 분석 결과에서도 동일하게 확인 가능하였다. 암(Dark)상태에서 전압(Voltage)에 따른 전류(Current)를 측정하였고 이를 log(current)-voltage스케일로 변환하였을 때 낮은 전압 영역에서는 R_sh 의해서 전체 전류가 지배적으로 영향을 받기 때문에 누설 전류를 확인할 수 있다.^{13, 14)} 이러한 커브를 Shockley diode equation 및 Kirchhoff’s voltage rule을 통해 변환하여 R_sh의 값을 도출하였을 때^15-17) 19.
5% 감소 되었다. 이러한 결과는 Moth-eye 나노패턴을 광학 필름에 적용하여 투과율이 개선됨을 알 수 있으며, PERC 태양전지 모듈 커버 글라스 후면 및 봉지재 사이에 적용함으로써 효과적으로 PERC셀의 흡수 효율을 증가시켜 출력이 개선됨을 알 수 있었다. 또한 커버글라스의 Na⁺이온을 효과적으로 차단함으로써 PID현상으로 인한 R_sh 감소하여 shunting path 가 발생되는 것을 방지하여 셀 내부의 누설 전류를 차단하고, 그 결과 효율 및 출력 저하 현상이 효과적으로 개선됨을 알 수 있었다.

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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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