• 한국광학회지
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• 제31권1호
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• pp.37-44
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• 2020

본 연구에서는 기본적인 평면 태양 전지 구조에 1차원 주기를 가지는 에미터 전극 배치를 통해 광학 및 전기적 효율을 최적화하는 설계방법을 제안한다. 에미터 전극의 주기가 줄어들면 애퍼처 비율이 감소해 빛 흡수율이 줄어들어 태양 전지 성능 저하에 영향을 끼친다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 가장 간단한 평판형 태양 전지 구조 내에서 에미터 전극 배열의 최적안을 제시하였다. 광학적 측면에서 에미터 전극이 없이 광흡수층 전면에서의 광흡수를 하는 레퍼런스 소자와 성능이 유사한 조건을 도출했다. 그리고 광흡수 및 전기적 효율 측면을 모두 고려하여 가장 효과적인 전극 구조를 제안하였다. 본 연구 결과는 광전 변환으로 생성된 전하를 전극으로 가장 효율적으로 전달할 수 있는 구조를 제안함으로써, 대체 에너지원에서 큰 비중을 차지하고 있는 태양 전지의 활용성을 높이는데 기여할 것이다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.363-363
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• 2013

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치 창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2 세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막 태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모 뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 이중에 소다라임유리를 기판으로 하는 하부전극은 Mo 재료를 스퍼터링 방법으로 증착하여 주로 사용한다. 하부전극은 우수한 전기적 특성이 요구되며, 주상조직으로 성장하여야 하며, 고온 안정성 확보를 위하여 기판과의 밀착성이 좋아야하고 또한 레이저 패턴시 기판에서 잘 떨어져야 하는 특성을 동시에 가져야 한다. 본 연구에서는 대면적 CIGSe2 박막태양전지에서 요구되는 하부전극 Mo 박막의 제작과 그 특성에 대해 평가하고, 최종적으로 대면적 CIGSe2 박막태양전지 공정에 적용 그 결과를 논하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.177-177
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• 2010

고효율 비정질 실리콘 박막 태양전지 제작을 위해서는 광파장대에서 optical confinement 능력을 최대화할 수 있는 기술이 필수적이다. 효율적인 photon trapping을 위해서는 back reflector를 사용하거나 전면전극인 투명전도성막의 표면에 요철을 형성하여 포획된 태양광의 내부 반사를 증가시키거나 전면 투명전극에서 반사를 감소시켜 태양광의 travel length를 증가시키는 방법이 일반적이며, 이를 통해 흡수층의 효율을 최대화할 수 있다. 이 중 전면전극으로 사용되는 투명전도성막은 불소가 도핑된 tin-oxide가 주로 사용되었으나, 최근 들어 Al이 도핑된 산화아연막을 이용한 비정질 실리콘 박막 태양전지 개발에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 투명전극 증착후 표면의 유효면적을 증가시키기 위해 염산 용액을 이용하여 표면 텍스쳐링을 수행한다. 그후 흡수층인 p-i-n 층을 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 형성하는 것이 일반적이다. 이때 표면처리 된 투명전극은 수소플라즈마에 대해 특성이 변하지 않아야 고효율 비정질 실리콘 박막 태양전지 제조에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 표면처리 된 AZO 투명전극의 수소플라즈마에 의한 특성 변화에 대해 고찰하였다. 먼저 AZO 투명전극은 스퍼터링 공정을 적용하여 $1\;{\mu}m$두께로 증착하였고, 0.5 wt%의 HCl 용액을 이용하여 습식 식각을 수행하였다. 수소플라즈마 처리 조건은 $H_2$ flow rate 30 sccm, working pressure 20 mtorr, RF power 300 W, Temp $60^{\circ}C$ 이며 3분간 진행하였다. 표면형상은 수소플라즈마 전 후에는 큰 차이를 보이지 않았으며 AZO의 grain size는 각각 220 nm, 210 nm로 관찰되었다. 투명전극의 가장 중요한 특성인 가시광선 영역에서의 투과도는 수소플라즈마 처리전에는 90 % 이상의 투과도를 보였으나, 수소플라즈마 처리 후에는 85 %로 약간 저하된 특성을 보였다. 그러나 이는 박막 태양전지용 전면전극으로 사용하기 위한 투과도인 80 % 이상을 만족하는 결과로, 비정질 박막 실리콘 태양전지 제작에 사용될 수 있다. 또 하나의 중요한 특성인 Haze factor 역시 수소플라즈마 처리 전 후 모두 10 이상의 값을 나타냈다. 하지만 고효율 실리콘 박막 태양전지에 적용하기 위해서는 Haze factor를 증가시키는 공정 개발에 대한 추가 연구가 필요하다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2004년도 추계학술대회 논문집 Vol.17
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• pp.691-694
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• 2004

염료감응형 태양전지는 다공질 $TiO_2$ 전극막, 광감응형 염료, 전해질, 상대전극으로 구성된, 전기화학적 원리를 응용한 신형태양전지이다. 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 주로 Pt가 사용되고 있는데 본 연구에서는 탄소나노튜브를 사용하여 상대전극으로서의 가능성을 조사하였다. 제조된 탄소나노튜브 상대전극은 cyclic voltammetry와 Impedance spectroscopy을 이용하여 전기화학적 특성을 측정하였다. 또한 탄소 나노튜브 상대 전극이 태양전지의 효율 및 그 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 단위 셀 태양전지를 제조하여 단파장 하에서의 광전특성을 측정하고, 이를 바탕으로 탄소나노튜브의 상대전극으로서의 가능성을 제시하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.486-486
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• 2014

CIGS 박막태양 전지는 I-III-VI2 Chalcopyrite 결정구조를 가진 화합물 반도체 태양전지로 인위적인 밴드갭 조작이 용이하여 효율 향상에 높은 가능성을 보이고 있다. 4원소 화합물인 CIGS 광흡수층의 대표적인 제조 방법으로는 co-evaporation 공정법이 있다. 동시 증발법은 CIGS 결정을 최적화하기 위하여 박막이 증착되는 동안 기판의 온도를 3단계로 변화시켜주는 3-stage 공정을 통하여 제작된다. 일반적으로 CIGS 박막태양전지는 전면전극으로 투명전도막이 사용되며 높은 광투과성과 전기전도성을 가져야 한다. 투명전도막의 광학적, 전기적 특성은 CIGS 박막태양전지의 효율에 영향을 미치기 때문에 최적화된 조건이 요구된다. 본 연구에서는 CIGS 광흡수층은 Ga/(In+Ga)=0.31, Cu/(In+Ga)=0.86으로 최적화 시켰으며, 투명전도막은 Al이 도핑된 ZnO 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 증착하였다. ZnO:Al 박막의 두께를 가변하여 증착하였으며 박막의 특성을 평가하고, CIGS 광흡수층에 이를 적용함으로써 태양전지 변환효율 특성을 연구하였다. CIGS 박막 태양전지의 투명전극인 ZnO:Al 박막의 두께가 500 nm 일 때, Jsc=29.521 mA/cm2, Voc=564 mV, FF factor=71.116%, Efficiency=12.375%의 광 변환효율을 얻을 수 있었으며, 이에 따른 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성을 통해 CIGS 박막태양전지에 미치는 영향에 대해 조사하였다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2007년도 제38회 하계학술대회
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• pp.1293-1294
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• 2007

태양전지는 대표적인 결정질 실리콘 태양전지를 비롯해 다양한 종류가 있지만 모두 입사광의 광량이나 광도에 출력이 의존한다는 점은 공통적이다. 이는 입사광의 에너지를 받아 염료 분자의 여기를 통해 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지의 매커니즘에도 적용되는 것이다. 즉, 입사광의 광도나 광량의 값이 클수록 염료감응형 태양전지는 더 높은 출력전력을 생산한다는 의미이다. 본 연구에서는 투명성 때문에 입사광의 투과도가 높은 염료감응형 태양전지의 특성에 착안해 상대전극에 금속박막을 sputtering함으로써 입사광의 반사율을 증가시켜 입사된 광의 에너지를 더 효과적으로 활용할 수 있는 방법을 시도했다. 금속박막의 재료로 니켈, 백금, 은을 대상으로 실험한 결과, 금속박막을 sputtering 하지 않은 경우에 비해 전체적으로 염료감응형 태양전지의 효율이나 전력면에서 개선된 결과를 얻었고 그 중 백금 반사막을 입힌 셀로부터 최대 24.4%의 투과도 감소를 비롯, 11.5%의 출력전력의 증가와 0.4%의 효율 상승을 이끌어냈다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제41회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.362-363
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• 2011

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막 태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 본 연구에서 광흡수층은 스퍼터링 방법으로 CIG precusor를 먼저 만들고, 그 위에 증발법으로 Se를 증착한 다음, 열처리 조건으로 CIGSe2 박막태양전지를 제작하였다. 제작된 CIGSe2 박막태양전지는 열처리 조건에 따라서 에너지 변환효율이 3.3에서 9.5%까지 다양하게 측정되었으며, 본 연구의 최고효율이 측정된 디바이스에서 개방전압은 0.48 V, 전류밀도는 33 mA/cm였으며, 그리드 전극을 제외한 디바이스의 면적은 0.57 cm2였다. 본 연구에서는 셀렌화 열처리 조건에 따른 CIGSe2 박막태양전지의 효율 측면을 고려하였지만, 더 높은 에너지 변환효율을 갖기 위해서 좀 더 높은 에너지 밴드갭과 개방전압, 낮은 직렬저항과 높은 shunt 저항 값 등의 상호 의존성에 대해서 연구결과들을 논하고자 한다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
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• 한국표면공학회 2014년도 추계학술대회 논문집
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• pp.57-57
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• 2014

유연 폴리머 기판 상에 광 투과 특성을 기존 전극 대비 혁신적으로 개선한 2차원, 3차원 산화물 나노 구조 전극을 개발하였다. 본 유연투명전극의 높은 광 투과 특성으로 인한 유연소자의 성능 향상을 유연 유기 태양전지 제조를 통해 입증하였다.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2018년도 전력전자학술대회
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• pp.366-367
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• 2018

본 논문은 태양광발전 시스템에서 태양광 모듈의 출력 저하 특성을 야기하는 PID (Potential Induced Degradation) 현상의 발생원인 및 출력회복을 위한 PID 저감 기법을 연구하였다. 태양광 모듈의 프레임과 셀 간에 발생하는 전위차로 인한 PID 현상의 직접적인 원인인 분극현상에 대해 분석하였으며, PID 현상이 태양광 모듈의 출력특성에 미치는 영향을 I-V 특성곡선 변화를 통해 해석하였다. PID 현상의 발생 원인을 기반으로 태양광 모듈의 전극 출력단인 양극과 음극을 단락시키고 접지된 프레임을 기준으로 양의 전압을 인가함으로써 태양광모듈의 출력특성을 회복하는 PID 저감 기법을 제안하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.201.1-201.1
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• 2014

본 연구에서는 Slot die coating 공법으로 코팅된 Poly (3-4 ethylenedioxythiophene): Poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) 박막과 비정질 ITO 박막의 전기적, 광학적, 기계적 특성을 비교 평가하여 Slot die coating 공법으로 코팅된 PEDOT:PSS 박막의 유기태양전지의 전극으로서의 적용가능성을 확인하였다. 상업용 PEDOT:PSS 박막은 보통 280 Ohm/sq.의 면저항과 가시광 영역에서 약 80%의 광투과도를 나타내며, 비정질 ITO 박막과 유사한 전기적, 광학적 특성을 나타내었다. Slot die coating 공법을 통해 제작된 PEDOT:PSS 투명 전극과 비정질 ITO 투명 전극의 기판 휘어짐에 따른 전기적 안정성을 비교 평가하기 위해 25 mm에서 1 mm까지 radius 변화에 따른 저항의 변화를 측정하였다. 그 결과, 비정질 ITO 투명 전극 대비 PEDOT:PSS 투명 전극이 더 우수한 전기적 안정성을 나타냄을 확인하였다. 또한, 다양한 Bending test (Inner/Outer bending, Rolling, Stretching, Twisting) 를 통해 비정질 ITO 투명 전극 보다 Slot die coating 공법으로 코팅된 PEDOT:PSS 투명 전극의 우수한 기계적 특성을 확인하였다. 이를 바탕으로 Flexible 유기태양전지에의 적용 가능성을 알아보기 위해 Slot die coating 공법으로 코팅된 PEDOT:PSS 투명 전극과 비정질 ITO 투명 전극을 유기태양전지의 anode 층에 적용하여 각각 제작하고 그 특성을 평가하였다. 비정질 ITO 투명 박막을 적용한 유기태양전지 대비 Slot die coating 공법으로 코팅된 PEDOT:PSS 투명 박막으로 제작한 유기태양전지에서 더 높은 효율이 나타났으며, 이로써 Slot die coating 공법으로 코팅된 PEDOT:PSS 투명 전극의 Flexible 유기태양전지로써의 적용 가능성을 확인하였다.