[논문]플렉서블 CIGS 태양전지의 굽힘 응력에 의한 셀 특성 변화 연구

김성준; 김제하

doi:10.4313/jkem.2020.33.3.163

플렉서블 CIGS 태양전지의 굽힘 응력에 의한 셀 특성 변화 연구
Changes of Photovoltaic Properties of Flexible CIGS Solar Cell Under Mechanical Bending Stress 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.3, 2020년, pp.163 - 168

김성준 (청주대학교 에너지융합학과) , 김제하 (청주대학교 에너지융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We studied the change of photovoltaic properties of a flexible CuInxGa(1-x)Se2 (CIGS) solar cell fabricated on polyimide by mechanical bending with curvature radii of 75 mm (75R) and 20 mm (20R). The flexible CIGS cells were flattened on a PET film, then placed and forced against the surface of a curved block fabricated with pre-designed curvatures. Both up (compressive) and down (tensile) bending were applied to a specimen of CIGS on PET with curvatures of 75R and 20R for 10,000 times and 2,000 times, respectively. From J-V measurements, we found that the conversion efficiency (Eff.) was reduced by 3% and 4% for up-and down-bending, respectively, at curvature 75R; it was greatly reduced by 15% for curvature 20R in the up-bending. However, the open circuit voltage (Voc) and short-circuit current density (Jsc) seemed to change little, within 3%, for the applied mechanical stresses. The degradation in Eff. resulted from the deterioration of the series (Rs) and shunt (Rsh) resistances of the solar cell.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 2. Up-bending results at 75R vs. N; (a) Voc, (b) Jsc, (c)FF, and (d) Eff.
표 Table 1. Experimental condition of bending test at R＝75 mm. (a)
표 Table 2. Experimental condition of bending test at R＝20 mm.
그림 Fig. 3. Results of Rs and Rsh for (a) up-bending test and (b) down-bending test.
그림 Fig. 4. Results of down-bending at 75R vs. N, (a) Voc, (b) Jsc, (c) FF, and (d) Eff.
그림 Fig. 5. Results of up-bending at 20R vs. N, (a) Voc, (b) Jsc,(c) FF, and (d) Eff.
그림 Fig. 6. Results of down-bending at 20R vs. N, (a) Voc, (b) Jsc,(c) FF, and (d) Eff.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 플렉시블 CIGS 태양전지 셀을 이용하여 75R과 20R 곡률반경의 굽힘 시험에서 태양전지 셀 특성변화 거동을 조사하였다. 75R, up-(압축응력) 및 downbending(인장응력) 시험 결과 충전율(FF)과 발전효율(Eff.
본 연구에서는 유연 CIGS 태양전지를 굽힌 상태에서 원래의 상태로 되돌리는 굽힘 시험을 통해 각 곡률반경(R)에 대한 굽힘에 의한 태양전지의 기계적 응력(stress)에 따른 특성곡선 변화를 조사하였다. 유연기판의 종류 중 하나인 polyimide (PI) 필름에 제작된CIGS 태양전지를 곡률반경(R)과 굽힘 횟수(N)을 변화시켜 굽힘 테스트를 진행하였다.

제안 방법

곡률반경 R＝75 mm (75R)에서 N＝10,000회 동안굽힘 시험에서 4%의 태양전지 특성의 감소를 보인 동일 시료를 곡률반경 R＝20 mm (20R)으로 기계적인 응력을 증가시켰을 때 특성 변화를 확인하기 위하여 N＝2,000회의 굽힘 시험을 추가로 진행하였다. 그림 5는 20R에서 측정한 up-bending 시험 결과이다.
이 곡률블록에 태양전지를 올리고, 평평한태양전지(solar cell on PET) 면이 곡률블록에 완전히접촉될 때까지 굽혔다 펴는 기계적인 변형을 반복하였다. 굽힘 시험은 마이크로프로세서를 이용하여 정해진 굽힘 횟수(N)가 될 때까지 반복 진행하였으며, 굽혀지는 속도는 표 1 및 표 2와 같이 0.311 cm/s의 속도로 진행하였다.
굽힘이 일정 횟수(N)으로 진행된 후 태양전지의 특성곡선 변화를 1 sun STC조건에서 solar simulator를 사용하여 측정하였다. 해당 태양전지 특성 측정은75R (R＝75 mm)의 곡률 조건 기준, bending test 전(N＝0회)에서 시작하여 (1) N＝500회까지는 매 100회굽힘 후에, (2) N＝5,000회까지는 매 500회 굽힘 후에그리고 (3) N＝10,000회까지는 매 1,000회 굽힘 후에측정하였다.
해당 태양전지 특성 측정은75R (R＝75 mm)의 곡률 조건 기준, bending test 전(N＝0회)에서 시작하여 (1) N＝500회까지는 매 100회굽힘 후에, (2) N＝5,000회까지는 매 500회 굽힘 후에그리고 (3) N＝10,000회까지는 매 1,000회 굽힘 후에측정하였다. 그리고 R＝20 mm (20R) 곡률반경 조건시험은 75R 곡률에서 N＝10,000회의 굽힘 시험이 끝난시료를 대상으로 N＝400회까지 매 100회의 단위로 그리고 매 200회의 단위로 N＝1,800회까지 측정하였다.
본 연구에서는 유연 CIGS 태양전지를 굽힌 상태에서 원래의 상태로 되돌리는 굽힘 시험을 통해 각 곡률반경(R)에 대한 굽힘에 의한 태양전지의 기계적 응력(stress)에 따른 특성곡선 변화를 조사하였다. 유연기판의 종류 중 하나인 polyimide (PI) 필름에 제작된CIGS 태양전지를 곡률반경(R)과 굽힘 횟수(N)을 변화시켜 굽힘 테스트를 진행하였다. 태양전지의 N-전극표면을 기준으로 위로 휘어지는 압축(compressive)응력이 가해지는 up-bending과 그 반대 방향으로 휘어지는 인장(tensile)응력이 가해지는 down-bending의굽힘 방향과 R＝75 mm 및 R＝20 mm의 곡률반경,N＝10,000회까지의 굽힘 횟수의 조건에서 변화되는태양전지의 특성 변화를 측정하고 분석하였다.
유연기판의 종류 중 하나인 polyimide (PI) 필름에 제작된CIGS 태양전지를 곡률반경(R)과 굽힘 횟수(N)을 변화시켜 굽힘 테스트를 진행하였다. 태양전지의 N-전극표면을 기준으로 위로 휘어지는 압축(compressive)응력이 가해지는 up-bending과 그 반대 방향으로 휘어지는 인장(tensile)응력이 가해지는 down-bending의굽힘 방향과 R＝75 mm 및 R＝20 mm의 곡률반경,N＝10,000회까지의 굽힘 횟수의 조건에서 변화되는태양전지의 특성 변화를 측정하고 분석하였다.
굽힘 시험은 두 방향으로 진행하였다. 태양전지의N-전극 표면을 기준으로 위로 굽혀지는 up-bending(compressive), 그 반대인 down-bending (tensile)으로 구분하였다. 그림 1(b)는 태양전지가 up-bending시 변형되는 형태를 보이고 있으며, down-bending은시료의 방향이 반대가 되도록 위치시킨 후 진행하였다.
그림 1(b)는 태양전지가 up-bending시 변형되는 형태를 보이고 있으며, down-bending은시료의 방향이 반대가 되도록 위치시킨 후 진행하였다.한편, down-bending 시 태양전지 전극을 보호하기위하여 캡톤 테이프를 사용하였다. 각 굽힘 시험의 방향 별로 태양전지에 가해지는 힘은 그림 1(c)와 같이up-bending에서는 압축응력(compressive stress)이,down-bending에서는 인장응력(tensile stress)이 가해진다.
굽힘이 일정 횟수(N)으로 진행된 후 태양전지의 특성곡선 변화를 1 sun STC조건에서 solar simulator를 사용하여 측정하였다. 해당 태양전지 특성 측정은75R (R＝75 mm)의 곡률 조건 기준, bending test 전(N＝0회)에서 시작하여 (1) N＝500회까지는 매 100회굽힘 후에, (2) N＝5,000회까지는 매 500회 굽힘 후에그리고 (3) N＝10,000회까지는 매 1,000회 굽힘 후에측정하였다. 그리고 R＝20 mm (20R) 곡률반경 조건시험은 75R 곡률에서 N＝10,000회의 굽힘 시험이 끝난시료를 대상으로 N＝400회까지 매 100회의 단위로 그리고 매 200회의 단위로 N＝1,800회까지 측정하였다.

대상 데이터

이 유연 CIGS/PI 태양전지는 소다라임글래스(SLG) 기판 위에 고정되어 제작되었으며 소자 layer들의 CTE (coefficient of thermal expansion)의 불일치로 인하여 제작 후 그림 1(a)와 같이 압축응력을 받는 것으로 나타났다. 굽힘 시험 시료는 그림1(a)의 셀을 편평한 PET 기판에 테이프를 사용하여 고정하여 제작하였다. 이 굽힘용 태양전지 시료는 그림1(b)와 같이 미리 설정한 곡률반경(R)에 맞추어 일정횟수(N)만큼 굽혀지도록 하였으며, 마이크로프로세서구동을 제어하였다.
PI/Mo (500 nm)/CIGS (2.5 μm)/CdS (40~60 nm)/i-ZnO (50 nm)/ITO (150 nm)/(Ni)Al/MgF2 (110 nm)의구조로 제작되었다 [3].
굽힘 시험(bending test)에 사용된 태양전지는 굽힘에 자유로운 폴리이미드(polyimide, PI) 기판 위에 플렉시블 CIGS 태양전지를 이용하였다. 이 태양전지의소자 구조 및 각 박막의 두께의 구성은 다음과 같았다.
본 실험에서는 미리 설정된 곡률반경으로 제작된 곡률블록(R＝75 mm, 20 mm, 폭 50 mm)을 제작하여사용하였다. 이 곡률블록에 태양전지를 올리고, 평평한태양전지(solar cell on PET) 면이 곡률블록에 완전히접촉될 때까지 굽혔다 펴는 기계적인 변형을 반복하였다.

성능/효과

본 연구는 플렉시블 CIGS 태양전지 셀을 이용하여 75R과 20R 곡률반경의 굽힘 시험에서 태양전지 셀 특성변화 거동을 조사하였다. 75R, up-(압축응력) 및 downbending(인장응력) 시험 결과 충전율(FF)과 발전효율(Eff.)은 각각 3%, 4%의 작은 변화폭을 보였다. 기계적응력이 증가된 20R up-bending 시험에서 병렬저항(R_sh)이 31%, 46%의 현저하게 감소하고 직렬저항(Rs) 역시 19%, 35%의 대폭 증가함으로써 충전율(FF)이 10%, 14% 감소하였고, 이로 인하여 발전효율(Eff.
그림 5는 20R에서 측정한 up-bending 시험 결과이다. 75R에서와 같이 개방전압(V_oc)과 단락전류밀도(J_sc)의 변화는1% 이내로 거의 변화하지 않았고, 충전율(FF)은 각각 10%, 14% 감소하였다. 이는 그림 3(a)에서 나타나듯,병렬저항이 각각 31%, 46%로 크게 감소함과 동시에직렬저항이 각각 19%, 35% 증가한 때문으로 분석되며, 발전효율은 각각 9%, 15%으로 크게 감소하였다.
하지만 up-bending test와는 달리 병렬저항은 2%, 12% 증가, 직렬저항의 경우에는 4%, 16%만큼 증가하였다. 결과적으로 충전률(FF)에는 변화가 없었으며, 발전효율(Eff.)은 각각 1%, 4% 감소하여 upbending에 비해 적게 변화를 보였다.
)은 각각 3%, 4%의 작은 변화폭을 보였다. 기계적응력이 증가된 20R up-bending 시험에서 병렬저항(R_sh)이 31%, 46%의 현저하게 감소하고 직렬저항(Rs) 역시 19%, 35%의 대폭 증가함으로써 충전율(FF)이 10%, 14% 감소하였고, 이로 인하여 발전효율(Eff.)이 9%, 15% 감소한 것으로 분석되었다. 굽힘 시험에 의하여가해진 기계적 응력은 태양전지의 병렬저항(R_sh)과 직렬저항(R_s)의 열화를 촉진하였으며, 이는 태양전지의 발전효율 감소에 대한 직접적인 원인으로 작용하였다.
이 플렉시블 태양전지는 그림 1(a)에 보인 바와 같이 압축응력(compressive stress)이 작용된 채로 제작되었다. 따라서 반대방향으로 응력이 가해지는 downbending 시험에서 비교적 큰 감소를 보일 것이라 예상했으나, up-bending 시험에서, 또한 본래 받았던 힘보다 큰 압축응력이 작용하는 20R의 곡률 반경 환경에서, 발전효율(Eff.)이 최대 15%까지 현저히 감소하는 경향으로 나타났다.
태양전지의 개방전압(Voc)은 굽힘 전⋅후로 변하지않는 경향을 나타냈고, 단락전류밀도(Jsc) 또한 초기의측정 오차를 제외하였을 때, 변화가 아주 적은 것으로나타났다.
개방전압(V_oc)과 단락전류밀도(J_sc)는 up- 및 down-bending에서 뚜렷한 변화는 보이지 않았다. 한편 up-bending(압축응력)에서 직렬저항(R_s)과 병렬저항(R_sh)의 변화가 커졌으며, 결과적으로 충전율(FF)과 발전효율(Eff.)가 급격히 감소한 것으로 분석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 태양전지는 어떤 문제점이 있었는가?	현재까지 주로 사용되는 실리콘 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 제작되어 왔기 때문에 힘이 가해졌을 경우 쉽사리 파손되는 문제점이 있었다.파손을 포함한 외부 요인으로 인한 손상을 방지하기 위해 실리콘 태양전지는 저철분 유리와 ethylene vinylacetate (EVA) 필름, 백시트 등의 필름으로 보호된 후알루미늄 프레임으로 다시 감싸진다 [1].
	박막형 태양전지의 장점은 무엇인가?	이에반해, CuInxGa(1-x)Se2 (CIGS) 혹은 Cu2ZnSnS4 (CZTS)의 박막 태양전지는 유연 기판에 제작이 가능하다 [2,3].두께가 200 μm인 결정 실리콘 태양전지에 비하여, 유연 기판 위에 총 두께가 약 5 μm인 박막형 태양전지는 굽힘에 의한 기계적 변형 에너지를 비교적 잘 흡수할 수 있어서 변형이 사라지면 원래대로 복원되는 특성이 있다 [4,5]. 하지만 휨의 정도 혹은 횟수에 따라 태양전지 내부 접합 간의 손상에 의해 태양전지의 성능이 나빠지고, 심하게는 전기적 단락이 될 수 있으므로 이에 대한 성능평가가 필요하다 [6,7].
	플렉시블 CIGS 태양전지 셀을 이용하여 75R과 20R 곡률반경의 굽힘 시험에서 태양전지 셀 특성변화 거동을 조사한 결과는 어떠한가?	본 연구는 플렉시블 CIGS 태양전지 셀을 이용하여 75R과 20R 곡률반경의 굽힘 시험에서 태양전지 셀 특성변화 거동을 조사하였다. 75R, up-(압축응력) 및 downbending(인장응력) 시험 결과 충전율(FF)과 발전효율(Eff.)은 각각 3%, 4%의 작은 변화폭을 보였다. 기계적응력이 증가된 20R up-bending 시험에서 병렬저항(Rsh)이 31%, 46%의 현저하게 감소하고 직렬저항(Rs) 역시 19%, 35%의 대폭 증가함으로써 충전율(FF)이 10%, 14% 감소하였고, 이로 인하여 발전효율(Eff.)이 9%, 15% 감소한 것으로 분석되었다. 굽힘 시험에 의하여가해진 기계적 응력은 태양전지의 병렬저항(Rsh)과 직렬저항(Rs)의 열화를 촉진하였으며, 이는 태양전지의 발전효율 감소에 대한 직접적인 원인으로 작용하였다.

참고문헌 (7)

C. H. Kim, H. T. Jang, J. S. Park, J. K. Yoon, E. S. Noh, J. S. Park, and K. W. Koo, Trans. Korean Inst. Elect. Eng., 67, 448 (2018). [DOI: https://10.5370/KIEE.2018.67.3.448]
K. Kim, J. Kim, M. G. Gang, S. H. Kim, S. Song, Y. Cho, D. Shin, Y. J. Eo, I. Jeong, S. K. Ahn, A. Cho, J. Kim, S. Yoon, P. P. Choi, W. Jo, J. H. Kim, J. Gwak, and J. H. Yun, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 195, 280 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.03.008]

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W. C. Tsai, S. R. Thomas, C. H. Hsu, Y. C. Huang, J. Y. Tseng, T. T. Wu, C. H. Chang, Z. M. Wang, J. M. Shieh, C. H. Shen, and Y. L. Chueh, J. Mater. Chem. A, 4, 6980 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1039/C5TA09000H]

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B. J. Kim, D. H. Kim, Y. Y. Lee, H. W. Shin, G. S. Han, J. S. Hong, K. Mahmood, T. K. Ahn, Y. C. Joo, K. S. Hong, N. G. Park, S. Lee, and H. S. Jung, Energy Environ. Sci., 8, 916 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1039/C4EE02441A]

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A. Gerthoffer, F. Roux, F. Emieux, P. Faucherand, H. Fournier, L. Grenet, and S. Perraud, Thin Solid Films, 592, 99 (2015). [DOI: https://10.1016/j.tsf.2016.09.006]

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C. K. Cho, W. J. Hwang, K. Eun, S. H. Choa, S. I. Na, and H. K. Kim, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 95, 3269 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.07.009]

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T. F. O'Connor, A. V. Zaretski, S. Savagatrup, A. D. Printz, C. D. Wilkes, M. I. Diaz, E. J. Sawyer, and D. J. Lipomi, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 144, 438 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.09.049]

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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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