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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 광학적인 시뮬레이션을 사용하여 기존의 HIT 태양전지의 구조보다 더 높은 효율을 가지는 구조를 예측함으로써 고효율 태양전지의 가능성을 확인하고, 동시에 EDISON 나노물리에서 지원하는 “태양전지 해석용 SW”를 사용하여 이를 확인 및 분석 하고자 한다.
제안 방법
- 5 조건과 Si의 밴드갭에 의한 제한을 고려하면 400nm ~ 1000nm파장 에서의 빛의 흡수에 의해 태양전지의 효율이 거의 결정된다. 그런데, 이러한 400nm ~ 1000nm 파장에서의 photon flux가 파장에 따라 거의 비슷한 값을 가지기 때문에(Fig. 2.), photon flux에 따른 weighting factor를 고려하지 않고, 400nm ~ 1000nm 파장에서의 흡수를 평균낸 값을 태양전지에 의한 흡수율로 보고 분석하였다.
- 중요한 점은, “태양전지 해석용 SW”의 경우 다층 박막 구조를 가정하고 있기 때문에 이러한 반사율을 기존에 광학에서 매우 잘 알려진 Transfer-matrix formalism을 통해 계산함으로써 광학적으로 예측이 가능하다는 점이다. 따라서 본 연구에서는 기존에 잘 알려진 방법[4],[5]을 통하여 Transfer-matrix formalism 시뮬레이션을 구현한 후에 흡수율을 광학적으로 예측하였다. 여기서 [5]에서는 빛이 lossless medium으로 투과되지만 “태양전지 해석용 SW”에서는 빛이 반사판에서 완전 반사됨을 가정하고 있기 때문에, 이에 맞게 기존의 수식을 조금 수정하여 시뮬레이션을 구현하였다.
- 또한, 시뮬레이션 결과 상으로 c-Si층을 기준으로 위쪽에 있는 a-Si층의 두께만 증가할 때와, 아래쪽에 있는 a-Si층의 두께만 증가할 때 둘 다 a-Si층의 두께가 두꺼워 질수록 태양전지에 의한 흡수가 증가함을 알 수 있었다. 따라서 시뮬레이션 결과를 시각적으로 좀더 이해하기 용이하도록 하기 위하여 c-Si층을 기준으로 위아래에 있는 a-Si층들의 두께를 동일하게 변화시켰다.
- 아래와 같은 구조에서 광학적으로 다른 층(굴절률 값이 서로 다른 층)들인 a-Si, c-Si의 두께를 변화시켜가면서 빛의 파장에 따른 흡수를 계산하였다. 여기서 n-type a-Si와 i-type a-Si는 같은 굴절률을 가지기 때문에 광학적으로 같은 층이라고 생각할 수 있고 있고 따라서 i-type a-Si층의 두께만을 고려하였다.
- 여기서 [5]에서는 빛이 lossless medium으로 투과되지만 “태양전지 해석용 SW”에서는 빛이 반사판에서 완전 반사됨을 가정하고 있기 때문에, 이에 맞게 기존의 수식을 조금 수정하여 시뮬레이션을 구현하였다.
- 이러한 결과를 “태양전지 해석용 SW”에서의 결과와 비교 분석하기 위하여 Figure 3에 나타낸 9개의 data point들에 대해서 “태양전지 해석용 SW”를 통한 시뮬레이션을 수행하였다(Fig. 3.).
대상 데이터
- 시뮬레이션에 사용된 구조로는 경진대회 문제에도 제시되어 있으며, 높은 효율을 가지는 동시에 이미 상용화 되어있는 Sanyo사의 HIT solar cell과 유사한 구조를 사용하였다(Fig. 1.). 그 이유는 이미 상용화된 높은 효율을 가지는 태양전지와 같은 유사한 구조를 가지면서 효율이 더 높은 태양전지를 얻을 수 있다면, 기존의 기반시설들과 공정을 그대로 가져갈 수 있고, 따라서 투자 비용 없이 바로 더 높은 효율의 태양전지를 얻을 수 있다는 점에서 매우 큰 의미가 있기 때문이다.
성능/효과
- 따라서 흡수율의 증가를 통해 Jsc는 계속 증가할 수 있지만 maxmium power는 거의 포화 되었다는 점을 생각하면, 효율면에서 현재 구조와 현재 방법으로 구할 수 있는 거의 최대 효율을 구했다고 판단된다. 9개의 data point에서 가장 좋은 maximum power는 data 7 에서 J=179.55 A/m2, V=-0.589 V으로 105.8 W/m2 으로, 이는 초기의 HIT solar cell 구조(data 1)의 효율인 J=96.13 A/m2, V=-0.589 V으로 56.62 W/m2 보다 약 1.868배 향상된 효율을 나타낸다.
- 각 data point들에 대해 “태양전지 해석용 SW” 시뮬레이션을 수행한 결과들의 J-V 그래프로부터 흡수가 Jsc의 값에 크게 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.
- 광학적인 시뮬레이션 결과, c-Si층의 두께와 a-Si층의 두께 각각이 두꺼워 질수록 태양전지에 의한 흡수가 증가한다. 하지만 c-Si층의 두께가 증가함에 따라서는 흡수율이 크게 증가하지 않았으나, a-Si층의 두께가 증가함에 따라서는 흡수율이 크게 증가하였다.
- 광학적인 시뮬레이션에서 나타난 경향성을 바탕으로 몇몇 data point들에 대해 EDISON 나노물리에서 지원하는 “태양전지 해석용 SW”시뮬레이션을 수행한 결과, 초기의 예측대로 전류밀도의 값은 흡수에 의해 지배적으로 영향을 받음을 확인 할 수있었다.
- ). 다시 말해, 광학적 시뮬레이션으로 얻어지는 흡수가 높을수록 전류밀도 값이 증가 하고 있으며, 이는 흡수가 높아짐에 따라 전류밀도 값이 증가할 것이라는 예상과 정확히 일치한다. 전류밀도 값이 흡수에 절대적으로 영향을 받는다는 것은 각 data point에서의 흡수율의 상대적인 비율과 Jsc의 상대적인 비율들이 매우 유사한 값들을 가진 다는 점에서 매우 명확하다(Table 2.
- 하지만, Figure 4에서 볼 수 있듯이 일정 흡수율 이상에서는 Jsc가 증가하더라도 Fill Factor가 감소하게 되어, maximum Power는 수렴하고 있음을 알 수 있다. 따라서 흡수율의 증가를 통해 Jsc는 계속 증가할 수 있지만 maxmium power는 거의 포화 되었다는 점을 생각하면, 효율면에서 현재 구조와 현재 방법으로 구할 수 있는 거의 최대 효율을 구했다고 판단된다. 9개의 data point에서 가장 좋은 maximum power는 data 7 에서 J=179.
- 여기서 n-type a-Si와 i-type a-Si는 같은 굴절률을 가지기 때문에 광학적으로 같은 층이라고 생각할 수 있고 있고 따라서 i-type a-Si층의 두께만을 고려하였다. 또한, 시뮬레이션 결과 상으로 c-Si층을 기준으로 위쪽에 있는 a-Si층의 두께만 증가할 때와, 아래쪽에 있는 a-Si층의 두께만 증가할 때 둘 다 a-Si층의 두께가 두꺼워 질수록 태양전지에 의한 흡수가 증가함을 알 수 있었다. 따라서 시뮬레이션 결과를 시각적으로 좀더 이해하기 용이하도록 하기 위하여 c-Si층을 기준으로 위아래에 있는 a-Si층들의 두께를 동일하게 변화시켰다.
- 광학적인 시뮬레이션에서 나타난 경향성을 바탕으로 몇몇 data point들에 대해 EDISON 나노물리에서 지원하는 “태양전지 해석용 SW”시뮬레이션을 수행한 결과, 초기의 예측대로 전류밀도의 값은 흡수에 의해 지배적으로 영향을 받음을 확인 할 수있었다. 이러한 사실을 바탕으로 광학적인 시뮬레이션을 사용하여 기존의 HIT solar cell 구조를 그대로 이용하면서 흡수율이 높은 구조를 설계함으로써 효율이 기존의 56.62 W/m2 에서 105.8 W/m2로 약 1.868배 향상된 태양전지를 구현할 수 있었다.
후속연구
- 더불어, HIT solar cell뿐만 아니라 Si 다층 박막 구조를 가지는 어떠한 유형의 태양전지에도 “태양전지 해석용 SW”와 광학적인 시뮬레이션을 수행할 수 있기 때문에, 둘을 잘 결합시킨다면 좋은 결과들을 낼 수 있을 것이라 사료된다.
- 5 photon flux를 고려한 흡수율이 고려되지 못하였고, (2) 흡수 가능한 모든 파장에서 시뮬레이션을 수행하지 못해서 생긴 오차일 수도 있을 것이라고 생각 된다. 따라서, 이는 차후에 AM1.5 photon flux를 고려하여 흡수율에 weighting factor를 주고 흡수 가능한 모든 파장에서 시뮬레이션 한다면 좀더 정확한 판단을 내릴 수 있을 것이다.
- 하지만 data 7, 8, 9에서 나타난 결과에서 볼 수 있듯이 흡수율의 경향성과 전류밀도의 경향성이 완벽히 일치하지는 않는데, 이는 현재로써는 (1) AM1.5 photon flux를 고려한 흡수율이 고려되지 못하였고, (2) 흡수 가능한 모든 파장에서 시뮬레이션을 수행하지 못해서 생긴 오차일 수도 있을 것이라고 생각 된다. 따라서, 이는 차후에 AM1.
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