In this paper, present status of super high-efficiency tandem solar cells has been reviewed and key issues for realizing super high-efficiency have also been discussed. In addition, the terretrial R&D activities of tandem cells, in the New Sunshine Program of MITI(Ministry of International Trade and Industry) and NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) in Japan are reviewed briefly. The mechanical stacked 3-junction cells of monolithically grown InGaP/GaAs 2-junction cells and InGaAs cells have reached the highest efficiency achieved in Japan of 33.3% at 1-sun AM1.5. This paper also reports high-efficiency InGaP/GaAs 2-junction solar cells with a world-record efficiency of 26.9% at AM0, 28$^{\circ}C$ and radiation damage recovery phenomena of the tandem cell performance due to minority-carrier injection under light illumination or forward bias, which causes defect annealing in InGaP top cells. Future prospects for realizing super-high efficiency and low-cost tandem solar cells are also described.
Moon, Seungpil;Kim, Youngjo;Kim, Kangho;Kim, Chang Zoo;Jung, Sang Hyun;Shin, Hyun-Beom;Park, Kyung Ho;Park, Won-Kyu;Ahn, Yeon-Shik;Kang, Ho Kwan
Current Photovoltaic Research
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v.4
no.3
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pp.108-113
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2016
III-V compound semiconductor based thin film solar cells promise relatively higher power conversion efficiencies and better device reliability. In general, the thin film III-V solar cells are fabricated by an epitaxial lift-off process, which requires an $Al_xGa_{1-x}As$ ($x{\geq}0.8$) sacrificial layer and an inverted solar cell structure. However, the device performance of the inversely grown solar cell could be degraded due to the different internal diffusion conditions. In this study, InGaP/GaAs double-junction solar cells are inversely grown by MOCVD on GaAs (100) substrates. The thickness of the GaAs base layer is reduced to minimize the thermal budget during the growth. A wide band gap p-AlGaAs/n-InGaP tunnel junction structure is employed to connect the two subcells with minimal electrical loss. The solar cell structures are transferred on to thin metal films formed by Au electroplating. An AlAs layer with a thickness of 20 nm is used as a sacrificial layer, which is removed by a HF:Acetone (1:1) solution during the epitaxial lift-off process. As a result, the flexible InGaP/GaAs solar cell was fabricated successfully with an efficiency of 27.79% under AM1.5G illumination. The efficiency was kept at almost the same value after bending tests of 1,000 cycles with a radius of curvature of 10 mm.
The artificial increase in the solar intensity incident on solar cells using lenses or mirrors can allow solar cells to generate equivalent power with a lower cost. There are two types of concentration optics for solar energy conversion. One is to use mirrors, and the other is to use Fresnel lenses. The gains that can be achieved with a Fresnel lens or a parabolic mirror are compared. The result showed the gains are comparable and the two configurations were developed competitively. In application areas of Fresnel lenses as solar concentrators, several variations of design were devised and tested. Some PV systems still use commercially available flat Fresnel lenses as concentrators. A convex linear Fresnel lens to improve the concentration ratio and the efficiency is devised and flat linear Fresnel lens in thermal energy collection is utilized. In this study, we designed and optimized flat Fresnel lens and the 'light pipe' to develop 500X concentrated solar PV system. In the process, we compare the transmission efficiencies according to groove types. We performed rigorous ray tracing simulation of the flat Fresnel lenses. The computer aided simulation showed the 'grooves in case' has the better efficiency than that of 'grooves out case'. Based on the ray-trace results we designed and manufactured sample Fresnel lenses. The optical performance were measured and compared with ray-trace results. Finally, the optical efficiency was measured to be above 75%. All the design and manufacturing were performed based on that InGaP/InGaAs/Ge triple junction solar cell is used to convert the photon energy to electrical power. Field test will be made and analyzed in the near future.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.533-534
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2012
Colloidal III-V semiconductor nanocrystal quantum dots (NQDs) have attracted attention as they can be applied in various areas such as LED, solar cell, biological imaging, and so on because they have decreased ionic lattices, lager exciton diameter, and reduced toxicity compared with II-VI compounds. However, the study and application of III-V semiconductor nanocrystals is limited by difficulties in control nucleation because the molecular bonds in III-V semiconductors are highly covalent compared to II-VI compounds. There is a need for a method that provides rapid and scalable production of highly quality nanoparticles. We present a new synthetic scheme for the preparation of InP nanocrystal quantum dots using new phosphorus precursor, P(SiMe2tbu)3. InP nanocrystals from 530nm to 600nm have been synthesized via the reaction of In(Ac)3 and new phosphorus precursor in noncoordinating solvent, ODE. This opens the way for the large-scale production of high quality Cd-free nanocrystal quantum dots.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.22
no.4
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pp.629-634
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2013
This study aims to investigate a new structure for a concentrating photovoltaic (PV) module using a III-V compound semiconductor solar cellto solve the problems of existing concentrating PV modules and to explore a concentrating optical system with a flat structure, which shows remarkable advantages in terms of manufacturing cost, installation, and maintenance. This study should greatly contribute toward the development of concentrating PV modules. This study was performed to achieve an improvement in efficiency and economy and to implement an actual product. A new source of renewable energy is the only way in which countries that cannot produce oil can even emerge as an energy power. Therefore, this work can serve as a fundamental study that will help South Korea grow into a country that is a PV power generation force.
The feasibility of replacing the tope cell of pn GaInP homojunction with our GaInP/AlGaInP heterojunction structure in III-V semiconductor multijunction photovoltaic (MJPV) cells having the highest current conversion efficiency was investigated. The performance of photovoltaic (PV) cells grown on $2^{\circ}$ and $10^{\circ}$ off-oriented GaAs substrates were compared to each other. The PV cells on the $10^{\circ}$ off-cut substrate showed higher short-circuit current density ($J_{sc}$) and conversion efficiency values than that of using the $2^{\circ}$ one. For $2{\times}2mm^2$ area PV cell on $10^{\circ}$ off substrate, the $J_{sc}$ of $9.21mA/cm^2$ and the open-circuit voltage of 1.38 V were measured under 1 sun illumination. For $5{\times}5mm^2$ cell on $10^{\circ}$ off substrate, the conversion efficiency was decreased from 6.03% (1 sun) to 5.28% (20 sun) due to a decrease in fiill factor (FF).
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.305-305
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2013
태양전지는 무기태양전지와 유기태양전지 등이 연구 되고 있는데 [1] 그 중 유기물질의 장점(높은 수율, solution phase processing, 저비용으로 전력 생산)과 무기재료의 장점(높은 전자 이동도, 넓은 흡수 범위, 우수한 환경 및 열 안정성)을 융합함으로써 장기적 구조안정성의 확보와 광전변환의 고 효율화를 동시에 달성하기 위한 유기무기 하이브리드 태양전지가 최근 큰 관심을 끌고 있다[2]. 본 연구에서는 hybrid photovoltaics에 유기물 MDMO-PPV와 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 무기물 GaN 위에 spin coating 하여 두께에 다른 효율을 측정하였다. 유기물 MDMO-PPV는 p-형으로 클로로벤젠, 톨루엔과 같은 유기 용매에 잘 녹으며 HOMO 5.33eV, LUMO 2.97eV, energy band gap 2.4eV이며 99.5%의 순도 물질을 사용하였다. 또한 정공 수송층(hole transport layer, HTL)으로 PEDOT:PSS를 사용하였으며, HOMO 5.0eV, LUMO 3.6eV, energy band gap 1.4eV를 가지며 증류수나 에탄올과 같은 수용성 용매에 잘 녹는 특성을 가지고 있다. 무기물은 III-V 족 물질 n-GaN(002)을 사용하였고 valence band energy 1.9eV, conduction band energy 6.3eV, energy band gap 3.4eV, 높은 전자 이동도와 높은 포화 속도, 광전자 소자에 유리한 광 전기적 특성을 가지고 있다. 기판으로는 GaN와 격자 부정합도와 열팽창계수 부정합도가 큰 Sapphire (Al2O3) 이종 기판을 사용하였다. 전극으로 Au를 사용하였으며 E-beam증착하였다. Reflector로서 Al를 thermal evaporator로 증착하였다 [3]. 실험 과정은 두께에 따른 효율을 알아보기 위해 MDMO-PPV를 900~1,500 rpm으로 spin coating 하였고, 열처리에 따른 효율을 알아보기 위해 열처리 온도 조건을 $110{\sim}170^{\circ}C$의 변화를 주었다. FE-SEM으로 표면과 단면을 관찰하였으며 J-V 특성을 알아보기 위해 각 샘플마다 solar simulator를 사용하여 측정하였고 그 결과를 논의하였다.
Park, Jong-Pil;Kim, Sin-Kyu;Park, Jae-Young;Ok, Kang-Min;Shim, Il-Wun
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.30
no.4
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pp.853-856
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2009
Highly polycrystalline copper indium diselenide (CuInSe2, CIS) thin films were deposited on glass or ITO glass substrates by two-stage metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) at relatively mild conditions, using Cuand In/Se-containing precursors. First, pure Cu thin film was prepared on glass or ITO glass substrates by using a single-source precursor, bis(ethylbutyrylacetate)copper(II) or bis(ethylisobutyrylacetato)copper(II). Second, on the resulting Cu films, tris(N,N-ethylbutyldiselenocarbamato)indium(III) was treated to produce CuInSe2 films by MOCVD method at 400 ${^{\circ}C}$. These precursors are very stable in ambient conditions. In our process, it was quite easy to obtain high quality CIS thin films with less impurities and uniform thickness. Also, it was found that it is easy to control the stoichiometric ratio of relevant elements on demands, leading to Cu or In rich CIS thin films. These CIS films were analyzed by XRD, SEM, EDX, and Near-IR spectroscopy. The optical band gap of the stoichiometric CIS films was about 1.06 eV, which is within an optimal range for harvesting solar radiation energy.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2003.11a
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pp.231-231
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2003
I-III-Ⅵ족 CuInGaSe$_2$(CIGS)계 화합물 태양전지는 1 eV 이상의 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지며, 전기 광학적으로 매우 안정하여 태양전지의 광흡수층으로 매우 이상적이다. CIGS 광흡수층제조를 위하여 용매열법 (solvothermal method)으로 CIGS나노입자를 합성하였다. 용매열법은 진공장비를 사용하던 기존의 방법에 비해 저온, 저압에서 저가로 합성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. Copper, indium selenium 및 gallium 분말과 유기용매 ethylenediarnine을 autoclave안에서 반응시켜 CIGS 나노입자를 제조하였다. 280 에서 14시간동안 반응시켜 직경이 30-80 nm인 구형에 가까운 CIGS 나노입자를 얻었다. 이것은 용매열법에 의한 4성분계의 CIGS 나노입자의 최초 합성이다. diehyleneamine을 용매로 사용한 경우에 한하여 구형의 CIS 입자를 합성할 수 있다고 보고되었으나, Cu와 이중 N-chelation이 형성되는 ethylenediamine 용매임에도 불구하고 구형의 CIGS 나노분말이 형성된 것은 solution-liquid-solid (SLS) 기구로 설명할 수 있었다. HRSEM, TEM, XRD. EDS으로 나노분말의 형상 크기 및 조성을 조사하여 chalcopyrite 구조의 CuInGaSe$_2$ 임을 확인하였다.
Park, A-Reum;Park, Kyung-Hee;Gu, Hal-Bon;Park, Bok-Kee
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2010.06a
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pp.241-241
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2010
Recently high and persistent spontaneous buildup of a surface potential (SP) upon vacuum deposition of tris (8-hydroxyquinolinato) aluminum (III) ($Alq_3$), which is widely used for organic light emitting devices. The removal of the giant surface potential by visible light irradiation has also been reported. In this study, we coated $Alq_3$ on the FTO substrate and raise the capacity for absorbing sun light. The $Alq_3$ which is green light emitting diode emits light at wavelengths between 500 and 550nm. If we apply one's FTO/$Alq_3$ substrate in one's DSSC, we could get higher energy conversion efficiency because the N719 dye that we used for fabricating the DSSC emits light just at near 540nm. The energy conversion efficiency of approximately 4.8 % at the condition of irradiation of AM 1.5 (100 mW/$cm^2$) simulated sunlight, and the $J_{sc}$ is 12.0 mA/$cm^2$, $V_{oc}$ is 0.71 V, FF is 0.56, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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