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문제 정의
- 본 연구에서 AgNW network를 전면전극으로 사용한 CIGS 박막태양전지에 ZnO 나노로드층을 증착하여 반사도를 감소시켜 흡수층에 전달되는 광량을 증가시켜 태양전지의 전력변환효율을 증가시키는 연구를 진행하였다. AgNW network의 장점인 용액공정을 유지하기위해 ZnO 나노로드를 같은 용액공정을 이용하여 제작하였다.
- 본 연구에서는 AgNW network를 전면전극으로 사용한 CIGS 박막태양전지에서 반사도를 낮추어 태양전지의 전력변환효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 이를 위해 AgNW network의 저가공정 장점을 유지하며 CdS 대비 굴절률이 작은 ZnO 나노로드 용액공정 증착을 이용하였다.
제안 방법
- CIGS 태양 전지의 성능은 CIGS/Mo 계면 및 CIGS 흡수층의 전기적 품질에 크게 영향을 받는다.17) 따라서 ZnO 나노로드 ARC 효과를 올바르게 평가하기 위해 CdS/AgNW/CdS/CIGS/Mo구조를 가지는 기판을 두 조각으로 자른 후 ZnO 나노로드 ARC 형성 전 후의 성능을 비교 분석하였다. Fig.
- AgNW 투명전극 및 ZnO 반사방지막의 광학 투과도 및 반사도는 UV-Vis spectrometer를 사용하여 유리기판을 기준으로 측정하였다. AgNW 투명전극의 면저항은 4-point probe 면저항 측정기를 이용하여 측정하였다.
- Anti-reflective coating(ARC) 제작을 위해 CdS/AgNW/CdS/CIGS 위에 ZnO 나노로드를 형성해준다. ZnO 나노로드 형성은 ZnO seed층 증착 및 증착된 seed층 위에 ZnO 나노로드 성장 두가지 단계로 나누어 진다.
- CIGS 박막태양전지에 사용되는 전면전극으로 적정한 전기광학적 특성을 갖는 투명전극을 제작하기 위해 AgNWs network의 제작 공정인 스핀 코팅의 횟수를 반복하면서 투과도와 면저항 값을 측정하였다. Fig.
- AgNW 투명전극의 면저항은 4-point probe 면저항 측정기를 이용하여 측정하였다. CIGS박막 태양전지의 전류밀도-전압 특성은 solar simulator를 이용한 white light 조사조건(100 mW/cm2, AM1.5G) 에서 Keithley 2401 source meter를 이용하여 측정하였다. 외부양자효율(EQE)은 광자-전류 변환효율 측정시스템(PEIPEC 100s, HS technologies, Korea)을 이용하여 측정하였다.
- AgNW network의 스핀코팅 횟수에 따른 전기 광학적특성 변화 실험과, 전구체의 농도에 따른 ZnO 나노로드 ARC의 광학특성 변화 실험을 통해 AgNW network와 ZnO ARC 복합체가 CIGS 박막태양전지의 투명전면전극으로 이용될 때 최적 성능 조건을 결정할 수 있다. CdS/CIGS/Mo/Glass 위에 95 % 이상의 투과도를 유지하며 면저항을 최소로 하기위에 AgNW의 스핀코팅 횟수를 3회로 AgNW network를 제작하고 반사도를 최소화하기위해 zinc nitrate 10 mM + HMT 10 mM의 전구체를 이용하여 ZnO 나노로드 ARC 형성하여 CIGS 박막태양전지를 제작하였다. 이때 ZnO 나노로드의 평균 길이가 145 nm가 되도록 증착하였다.
- Glass 기판위에 CdS/CIGS/Mo 구조를 갖는 박막 태양전지를 만든 후 이 위에 AgNW network 전면전극을 형성하고 반사도를 줄이기 위해 ZnO 반사방지막을 형성하는 과정으로 실험을 진행하였다. 실험은 다음과 같이 AgNW network 전면전극 제조와 ZnO 반사방지막 제조 두가지 단계로 구성된다.
- ZnO ARC의 광학적 특성을 최적화하기 위해 zinc nitrate, HMT의 농도를 조절하며 투과도와 반사도를 측정하였다. Fig.
- ZnO 나노로드 ARC가 CIGS 박막태양전지 성능에 미치는 효과를 검증하기 위해 ZnO ARC를 적용하지 않은 소자를 제작하여 두 소자의 성능을 비교하였다. CIGS 태양 전지의 성능은 CIGS/Mo 계면 및 CIGS 흡수층의 전기적 품질에 크게 영향을 받는다.
- 2(b)의 단면 SEM 이미지에서 평균길이는 약 145 nm로 측정되었다. 반사가 가장 적게 일어나는 조건을 찾기 위해 zinc nitrate와 HMT 각각의 농도를 10 mM에서 80 mM까지 증가시키며 ARC를 제작한 후 투과도와 반사도를 측정하였다. Fig.
- 외부양자효율(EQE)은 광자-전류 변환효율 측정시스템(PEIPEC 100s, HS technologies, Korea)을 이용하여 측정하였다. 이때 Si(FDS100, THORLABS), Ge(FDG03, THORLABS) 광다이오드를 이용하여 각각 파장 400 nm~ 1,000 nm와 1,000 nm ~ 1,100 nm 영역에서 calibration을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 AgNW network를 전면전극으로 사용한 CIGS 박막태양전지에 ZnO 나노로드층을 증착하여 반사도를 감소시켜 흡수층에 전달되는 광량을 증가시켜 태양전지의 전력변환효율을 증가시키는 연구를 진행하였다. AgNW network의 장점인 용액공정을 유지하기위해 ZnO 나노로드를 같은 용액공정을 이용하여 제작하였다. 이때 ZnO 나노로드 형성을 위한 전구체의 농도변화에 따른 광학적 특성을 관찰하여 최대의 투과도에서 반사도를 최소화할 수 있는 조건을 찾았다.
- ZnOseed층은 zinc oxide nanoparticle ink(Sigma Aldrich, 793361)와 isopropyl alcohol을 1:1 비율로 섞은 용액을 제조하여 이 용액을 CdS/AgNW/CdS/CIGS 기판에 5,000rpm 40 s로 3회 스핀코팅후, 5분간 120 ºC 열처리하여 제작한다. ZnO 나노로드 성장을 위한 전구체는 zincnitrate(Sigma Aldrich, 96482) 10 mM, hexamethylene tetramine(HMT: sigma Aldrich, 33233) 10 mM, DI water 150 ml를 혼합하여 형성한다. ZnO 전구체 용액에 seed가 형성된 CdS/AgNW/CdS/CIGS 기판을 넣어 ZnO 나노로드를 성장시킨다.
- Glass 기판위에 CdS/CIGS/Mo 구조를 갖는 박막 태양전지를 만든 후 이 위에 AgNW network 전면전극을 형성하고 반사도를 줄이기 위해 ZnO 반사방지막을 형성하는 과정으로 실험을 진행하였다. 실험은 다음과 같이 AgNW network 전면전극 제조와 ZnO 반사방지막 제조 두가지 단계로 구성된다.
- 본 연구에서는 AgNW network를 전면전극으로 사용한 CIGS 박막태양전지에서 반사도를 낮추어 태양전지의 전력변환효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 이를 위해 AgNW network의 저가공정 장점을 유지하며 CdS 대비 굴절률이 작은 ZnO 나노로드 용액공정 증착을 이용하였다.
이론/모형
- AgNW 투명전극 및 ZnO 반사방지막의 광학 투과도 및 반사도는 UV-Vis spectrometer를 사용하여 유리기판을 기준으로 측정하였다. AgNW 투명전극의 면저항은 4-point probe 면저항 측정기를 이용하여 측정하였다. CIGS박막 태양전지의 전류밀도-전압 특성은 solar simulator를 이용한 white light 조사조건(100 mW/cm2, AM1.
- 5G) 에서 Keithley 2401 source meter를 이용하여 측정하였다. 외부양자효율(EQE)은 광자-전류 변환효율 측정시스템(PEIPEC 100s, HS technologies, Korea)을 이용하여 측정하였다. 이때 Si(FDS100, THORLABS), Ge(FDG03, THORLABS) 광다이오드를 이용하여 각각 파장 400 nm~ 1,000 nm와 1,000 nm ~ 1,100 nm 영역에서 calibration을 실시하였다.
성능/효과
- AgNW network의 스핀코팅 횟수에 따른 전기 광학적특성 변화 실험과, 전구체의 농도에 따른 ZnO 나노로드 ARC의 광학특성 변화 실험을 통해 AgNW network와 ZnO ARC 복합체가 CIGS 박막태양전지의 투명전면전극으로 이용될 때 최적 성능 조건을 결정할 수 있다. CdS/CIGS/Mo/Glass 위에 95 % 이상의 투과도를 유지하며 면저항을 최소로 하기위에 AgNW의 스핀코팅 횟수를 3회로 AgNW network를 제작하고 반사도를 최소화하기위해 zinc nitrate 10 mM + HMT 10 mM의 전구체를 이용하여 ZnO 나노로드 ARC 형성하여 CIGS 박막태양전지를 제작하였다.
- 이때 ZnO 나노로드 형성을 위한 전구체의 농도변화에 따른 광학적 특성을 관찰하여 최대의 투과도에서 반사도를 최소화할 수 있는 조건을 찾았다. ZnO ARC/AgNW network 복합체를 CIGS 박막태양전지에 적용함에 따라 ZnO ARC가 적용되지 않은 소자 대비 측정된 전파장 영역에서 반사도가 감소함을 확인하였고, 이로 인해 전력변환효율이 9.6 %에서 10.44 %로 증가함을 확인하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 용액공정으로 제작된 ZnO 나노로드가 CIGS 박막태양전지의 효율을 증가시키는 중요 역할을 하리라 기대 된다.
- Network구조를 갖는 투명전극의 경우 투과도는 표면 덮힘 정도의 함수이다. 스핀 코팅 횟수가 증가할수록 증착 된 표면의 AgNWs의 수가 증가하고 이에따라 표면 덮힘 정도도 증가하며 결과적으로 AgNW network의 투과도는 감소한다. 파장 550 nm에서의 투과도는 스핀 코팅횟수가 1~3회로 증가함에 따라 98 %, 96 %, 95 %로 낮아졌다.
- 파장 550 nm에서의 투과도는 스핀 코팅횟수가 1~3회로 증가함에 따라 98 %, 96 %, 95 %로 낮아졌다. 스핀 코팅횟수 증가에 따라 투과도는 감소하였으나 전기적 특성은 향상되었다. Fig.
- AgNW network의 장점인 용액공정을 유지하기위해 ZnO 나노로드를 같은 용액공정을 이용하여 제작하였다. 이때 ZnO 나노로드 형성을 위한 전구체의 농도변화에 따른 광학적 특성을 관찰하여 최대의 투과도에서 반사도를 최소화할 수 있는 조건을 찾았다. ZnO ARC/AgNW network 복합체를 CIGS 박막태양전지에 적용함에 따라 ZnO ARC가 적용되지 않은 소자 대비 측정된 전파장 영역에서 반사도가 감소함을 확인하였고, 이로 인해 전력변환효율이 9.
- 농도가 증가함에 따라 반사도도 증가하는 경향을 보였다. 파장 550 nm에서 sinc nitrate와 HMT의 농도가 10 mM일 때 가장 높은 투과도와 가장 낮은 반사도가 측정되었다.
- 스핀 코팅 횟수가 증가할수록 증착 된 표면의 AgNWs의 수가 증가하고 이에따라 표면 덮힘 정도도 증가하며 결과적으로 AgNW network의 투과도는 감소한다. 파장 550 nm에서의 투과도는 스핀 코팅횟수가 1~3회로 증가함에 따라 98 %, 96 %, 95 %로 낮아졌다. 스핀 코팅횟수 증가에 따라 투과도는 감소하였으나 전기적 특성은 향상되었다.
후속연구
- 44 %로 증가함을 확인하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 용액공정으로 제작된 ZnO 나노로드가 CIGS 박막태양전지의 효율을 증가시키는 중요 역할을 하리라 기대 된다.
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