• Title, Summary, Keyword: 태양-수소 변환효율

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Rapid Thermal Firing for High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells (고 효율 다결정 실리콘 태양전지를 위한 고속 열처리 공정에 대한 연구)

  • Jeong Ji-Weon
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.98-101
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    • 2005
  • 변환 효율이 $16\%$에 근접하는 다결정 실리콘 태양전지를 위한 열처리 공정에 대한 연구를 수행하였다. 고속 열처리 공정이 가능한 RTP 를 사용하여 다결정 실리콘 태양전지의 효율 향상에 요구되는 PECVD $SiN_x$ 반사방지막을 이용한 결정 결함의 수소화 효과를 극대화하는 동시에 양산 가능한 screen-printed contacts 의 특성 (FF >0.76) 올 최적화함으로써 다결정 실리콘 태양전지의 변환 효율을 $15.9\%$까지 향상시킬 수 있었다.

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The effects of hydrogen treatment on the properties of Si-doped Ga0.45In0.55P/Ge structures for triple junction solar cells

  • Lee, Sang-Su;Yang, Chang-Jae;Ha, Seung-Gyu;Kim, Chang-Ju;Sin, Geon-Uk;O, Se-Ung;Park, Jin-Seop;Park, Won-Gyu;Choe, Won-Jun;Yun, Ui-Jun
    • Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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    • pp.143-144
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    • 2010
  • 3-5족 화합물 반도체를 이용한 집광형 삼중 접합 태양전지는 40% 이상의 광변환 효율로 많은 주목을 받고 있다[1]. 삼중 접합 태양전지의 하부 셀은 기계적 강도가 높고 장파장을 흡수할 수 있는 Ge이 사용된다. Ge위에 성장될 III-V족 단결정막으로서 Ge과 격자상수가 일치하는 GaInP나 GaAs가 적합하고, 성장 중 V족 원소의 열확산으로 인해 Ge과 pn접합을 형성하게 된다. 이때 GaInP의 P의 경우 GaAs의 As보다 확산계수가 낮아 태양전지 변환효율향상에 유리한 얇은 접합 형성이 가능하고, 표면 에칭효과가 적기 때문에 GaInP를 단결정막으로 선택하여 p-type Ge기판 위 성장으로 단일접합 Ge구조 제작이 가능하다. 하지만 이종접합 구조 성장으로 인해 발생한 계면사이의 전위나 미세결함들이 결정막내부에 존재하게 되며 이러한 결함들은 광학소자 응용 시 비발광 센터로 작용할 뿐 아니라 소자의 누설전류를 증가시키는 원인으로 작용하여 태양전지 변환효율을 감소시키게 된다. 이에 결함감소를 통해 소자의 전기적 특성을 향상시키고자 수소 열처리나 플라즈마 공정을 통해 수소 원자를 박막내부로 확산시키고, 계면이나 박막 내 결함들과 결합시킴으로서 결함들의 비활성화를 유도하는 연구가 많이 진행되어 왔다 [2][3]. 하지만, 격자불일치를 갖는 GaInP/Ge 구조에 대한 수소 열처리 및 불순물 준위의 거동에 대한 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 Ga0.45In0.55P/Ge구조에 수소 열처리 공정을 적용을 통하여 단결정막 내부 및 계면에서의 결함밀도를 제어하고 이를 통해 태양 전지의 변환효율을 향상시키고자 한다. <111> 방향으로 $6^{\circ}C$기울어진 p-type Ge(100) 기판 위에 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 통해 Si이 도핑된 200 nm의 n-type GaInP층을 성장하여 Ge과 단일접합 n-p 구조를 제작하였다. 제작된 GaInP/Ge구조를 furnace에서 250도에서 90~150분간 시간변화를 주어 수소열처리 공정을 진행하였다. 저온 photoluminescence를 통해 GaInP층의 광학적 특성 변화를 관찰한 결과, 1.872 eV에서 free-exciton peak과 1.761 eV에서 Si 도펀트 saturation에 의해 발생된 D-A (Donor to Acceptor)천이로 판단되는 peak을 검출할 수 있었다. 수소 열처리 시간이 증가함에 따라 free-exciton peak 세기 증가와 반가폭 감소를 확인하였고, D-A peak이 사라지는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 수소 열처리에 따른 단결정막 내부의 수소원자들이 얕은 불순물(shallow impurity) 들로 작용하는 도펀트들이나, 깊은 준위결함(deep level defect)으로 작용하는 계면근처의 전위, 미세결함들과의 결합으로 결함 비활성화를 야기해 발광세기와 결정질 향상효과를 보인 것으로 판단된다. 본 발표에서는 상술한 결과를 바탕으로 한 수소 열처리를 통한 박막 및 계면에서의 결함준위의 거동에 대한 광분석 결과가 논의될 것이다.

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PECVD를 이용한 결정질 태양전지 표면 반사방지막의 최적화

  • Lee, Gyeong-Dong;Kim, Yeong-Do;Park, Seong-Eun;Tak, Seong-Ju;Kim, Dong-Hwan
    • Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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    • pp.212-212
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    • 2012
  • 수소화된 실리콘 질화막은 결정질 태양전지 산업에서 반사방지막 과 패시베이션 층으로 널리 사용되고 있다. 또한, 수소화된 질화막은 금속 소성공정과 같은 높은 공정온도를 거친 후에도 결정질 실리콘 태양전지의 표면층으로서 충족되는 특성들이 변하지 않고 유지되어야 한다. 본 연구에서는 PECVD 장치를 이용한 수소화된 실리콘 질화막의 특성 변화에 대한 경향성을 알아보기 위하여 증착조건의 변수(온도, 증착거리, 무선주파수 전력, 가스비율 등.)들을 다양하게 가변하여 증착조건의 최적화를 찾았다. 이후 수소화된 실리콘 질화막의 전구체가 되는 사일렌(SiH4)과 암모니아(NH3) 가스비를 변화시켜가며 결정질 실리콘 태양전지에 사용되기 위한 박막의 광학 전기 화학적 그리고 표면 패시베이션 특성들을 분석하였다. 가스 비율에 따른 수소화된 실리콘 질화막의 굴절률 범위는 1.90-2.20까지 나타내었다. 결정질 실리콘 태양전지에 사용하기 위한 가장 적합한 특성은 3.6(NH3/SiH4)의 가스비율을 나타내었다. 이를 통하여 PECVD 내에서 구현 할 수 있는 가스의 혼합(SiH4+NH3+N2, SiH4+NH3, SiH4+N2)을 달리하여 박막의 광학적 및 패시베이션 특성을 분석하였다. 이후 $156{\times}156mm$ 대면적 결정질 실리콘 태양전지를 제작하여 SiH4+NH3+N2 의 가스 혼합에서 17.2%의 변환 효율을 나타내었다.

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Study on chemical mechanical polishing characteristics of CdTe thin film absorption-layer for heterojunction thin film solar cell (이종접합 박막태양전지 흡광층 CdTe 박막의 화학적기계적연마 특성 연구)

  • Park, Ju-Sun;Lim, Chae-Hyun;Ryu, Seung-Han;Kim, Nam-Hoon;Lee, Woo-Sun
    • Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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    • pp.49-49
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    • 2009
  • 최근 범세계적인 그린에너지 정책에 관련해 화석연료를 대체할 수 있는 수소, 풍력, 태양광 등의 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 여러 대체에너지 중에서도 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지에 관한 연구가 집중되고 있다. 태양전지는 구조적으로 단순하고 제조 공정도 비교적 간단하지만, 보다 널리 보급되기 위해서는 경제성 향상이라는 문제점을 해결해야 한다. 이를 위해서는 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 신물질에 대한 연구가 필요하며, 그 중에서도 반도체 기술을 이용한 박막형 태양전지는 기존의 실리콘 태양 전지가 가지고 있는 고비용이라는 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 박막형 태양전지의 박막 재료로는 CIGS, CdTe 등이 연구되어지고 있지만, 아직까지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 에너지변환효율이 낮은 이유로 인해 실용화가 많이 이루어지지 못하고 있는 것이 사실이다. 이러한 박막형 태양전지의 재료들 중에서도 CdTe는 이종접합 박막형 태양전지에 흡광층으로 사용되는 것으로 상온에서 1.45eV 정도의 밴드갭(band gap) 에너지를 갖는 II-VI족 화합물반도체로써 태양광 스펙트럼과 잘 맞는 이상적인 밴드랩 에너지와 높은 광흡수도 때문에 박막형 태양전지로 가장 주목을 받고 있다. CdTe 박막의 제조 방법으로는 진공증착법(vacuum evaporation), 전착법(electrodeposition), 스퍼터링법(sputtering) 등이 있지만 본 연구에서는 스퍼터링법을 이용하여 박막을 증착하였다. 이상과 같이 증착된 CdTe 박막을 화학적기계적연마(CMP, chemical mechanical polishing) 공정을 적용시킴으로써, 태양전지의 에너지변환효율에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 CdTe 박막의 물리적, 전기적 특성들의 변화를 연구하기 위한 선행 연구를 진행하였다. 특히 본 연구에서는 CdTe 박막의 화학적 기계적 연마 특성을 분석하여 정규화를 통한 모델링을 수행하였다. 또한 화학적기계적연마 공정 전과 후의 표면 특성을 관찰하기 위해 SEM(scanning electron microscopy)과 AFM(atomic forced microscope)를 이용하였으며, 구조적 특성 관찰을 XRD(X-ray diffraction)를 사용하여 실험을 수행하였다.

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Economic Evaluation of Domestic Window Type Photoelectrochemical Hydrogen Production Utilizing Solar Cells (태양전지를 이용한 국내 Window Type 광전기화학 수소생산의 경제성 평가)

  • Gim, Bong-Jin;Kim, Jong-Wook
    • Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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    • v.21 no.6
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    • pp.595-603
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    • 2010
  • This paper deals with an economic evaluation of domestic window type photoelectrochemical hydrogen production utilizing solar cells. We make some sensitivity analysis of hydrogen production prices by changing the values of input factors such as the initial capital cost, the solar to hydrogen conversion efficiency, and the system duration time. The hydrogen production price of the window type photoelectrochemical system was estimated as 1,168,972 won/$kgH_2$. It is expected that hydrogen production cost can be reduced to 47,601 won/$kgH_2$ if the solar to hydrogen conversion efficiency is increased to 14%, the system duration time is increased to 20,000 hours, and the initial capital cost is decreased to 25% of the current level. We also evaluate the hydrogen production cost of the water electrolysis using the electricity produced by solar cells. The corresponding hydrogen production cost was estimated as 37,838 won/$kgH_2$. The photoelectrochemical hydrogen production is evaluated as uneconomical at this time, and we need to enhance the solar to hydrogen conversion efficiency and the system duration time as well as to reduce prices of the system facilities.

RECENT PROGRESS IN LARGE AREA AMORPHOUS SILICON SOLAR CELL MEDULES (대면적 비정질 실리콘 태양전지 모듈 개발연구)

  • 정현종;윤경식;김대원;배상순
    • Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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    • pp.161-166
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    • 1996
  • 화학적 증착장치를 이용하여 크기 305mm$\times$915mm인 대면적 투명전도 유리기판 위에 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. p층 제조 후 SiH4 세척과 수소 플라즈마 처리를 하여 I층에 도핑가스가 침투하는 것을 억제했으며 p-i 계면에 buffer층을 적용함으로써 소면적 단접합 태양전지에서 개발전압 0.825V, 충실도 0.73, 변환효율 9.5%인 셀을 제작하였다. 또한 a-Si/a-Si 이중접합 태양전지에서는 개방전압 1.50V, 충실도 0.77인 셀을 제작하였다.

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Long-term performance of amorphous silicon solar cells by the stretched exponential defect kinetics (비정질 실리콘 태양전지에 대한 장시간 성능예측: 확장지수함수 모형 및 컴퓨터 모의실험)

  • Kim, J.H.;Park, S.H.;Lyou, Jong H.
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.105.2-105.2
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    • 2011
  • 화비정질 실리콘의 빛에 의한 노화현상 (light-induced degradation; LID)은 이미 1977년 보고된 Staebler-Wronski 효과에 의해서 확인된 바 있다. 이는 비정질 실리콘이 빛에 노출될 때, 이미 포함되어 있는 수소원자가 빛 에너지에 의해서 이동하게 되고, 이로 인해서 생성 또는 소멸되는 댕글링 본드 때문에 일어난다. 특히, 일상적인 태양광의 노출 하에서 태양전지의 장시간 성능을 예측하는데 물리적인 이해의 부족 및 기술 환경적인 어려움이 있고, 이러한 요인들은 안정된 태양전지를 개발하는데 장해요인으로 나타난다. 그러므로 비정질 실리콘 태양전지가 장시간 태양광에 노출되어 시간이 지남에 따라서 "성능이 어떻게 변하는지?" 그리고 "이에 대한 원인은 무엇인지?" 등은 여전히 과학적으로 풀어야할 숙제로 남아있다. 본 논문에서는 비정질 실리콘으로 구성된 태양전지가 태양광에 노출될 때 시간이 지남에 따라서 (1) 성능이 어떻게 변하는지, (2) LID의 변화는 언제 안정화되는지, 그리고 (3) 성능변화에 대한 원인은 무엇인지에 대해서 논의한다. 본 논문은 장시간 빛에 노출되는 비정질 실리콘 태양전지의 성능예측에 관해서 연구하였다. 결함밀도의 운동학적 모형을 통해서 태양광 노출에 대한 태양전지 성능변화를 예측하는데 초점을 맞추었고, 이를 위해서 태양전지에 조사되는 태양광 세기, 주변온도, 등이 고려되었다. 특히, 전하운반자의 수명이 결함밀도에 의해서 결정되기 때문에 비정질 실리콘 태양전지의 빛에 대한 노화현상 (LID)이 확장지수함수 (stretched-exponential) 완화법칙을 따르는 결함밀도에 의해서 물리적으로 설명된다. 한편 이와 같은 물리적 계산의 유용성을 확인하기 위해서 동일한 태양전지에 대해서 AMPS-1D 컴퓨터 프로그램을 사용하였고, 이를 통해서 비정질 실리콘 태양전지의 빛에 대한 노화현상을 물리적 및 정량적으로 이해하였다. 본 연구에 적용되는 태양전지는 비정질 실리콘으로 구성된 pin 구조 (glass/$SnO_2$/a-SiC:H:B/a-Si:H/a-Si:H:P/ITO)로서 다음과 같은 특성을 갖는다: 에너지 띠간격~1.72 eV, 두께~400 nm, 내부전위~1.05 V, 초기 fill factor~0.71, 초기 단락전류~16.4 mA/$cm^2$, 초기 개방전압 0.90 V, 초기 변환효율 10.6 %. 우리는 이와 같은 연구를 통해서 과학적으로 비정질 실리콘의 빛에 의한 노화현상을 이해하고, 기술적으로 효율 및 경제성이 높은 태양전지의 개발에 도전한다.

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Artificial Photosynthesis System Containing CO2 Conversion Process (이산화탄소 변환 과정이 포함된 인공 광합성 시스템)

  • Kim, Kibum
    • Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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    • v.19 no.1
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    • pp.63-68
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    • 2018
  • This paper presents an integrated photochemical reaction system (i.e., an artificial leaf) that uses earth-abundant catalysts for artificial photosynthesis with a carbon dioxide ($CO_2$) fixation process. The performance of the system was investigated in terms of the energy capture and conversion capabilities. A wireless configuration was achieved by directly doping cobalt oxide as an oxygen-evolving catalyst for water splitting reaction on the illuminated surface of photovoltaic (PV) cell, as well as molybdenum disulfide ($MoS_2$) as an efficient catalyst for $CO_2$ reduction on the back substrate surfaces of the PV cell. The system produces hydrogen and carbon monoxide (CO) as sustainable fuels (i.e., synthesis gas) at around 4.5% efficiency, which implies more than 75% catalytic efficiency at the cathode. The process of solar-driven $CO_2$ conversion and water-splitting reaction is contained in one system, which is one step closer to the successful realization of artificial photosynthesis.

적층형 박막 실리콘 태양전지 효율의 한계 및 돌파구

  • Myeong, Seung-Yeop
    • Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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    • pp.27-27
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    • 2010
  • 최근에 고유가와 지구온난화로 인하여 에너지가 향후 인류의 50년을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있어서 지구의 모든 에너지의 근원인 태양광을 이용하는 태양광 발전은 무한한 청정 에너지로 각광받고 있다. 빛을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지는 풍력, 수소연료전지, 조력, 바이오에탄올 등의 신재생에너지 기술 중에서 상품성은 가장 뛰어나지만 발전단가가 가장 높은 것이 단점이다. 태양광 발전단가를 줄여서 기존의 화석에너지를 이용한 발전단가와 견줄 수 있는 그리드 패러티(grid parity)를 달성하려면 태양전지 모듈의 고효율화와 동시에 저가화가 반드시 이루어져야 한다. 현재 태양광 모듈 시장의 90%는 효율이 12-16% 정도로 높은 단결정(single crystalline or monocrystalline) 실리콘이나 다결정(polycrystalline or multicrystalline) 실리콘 등의 벌크(bulk)형 결정질 실리콘 모듈이 차지하고 있으나 원재료인 실리콘 웨이퍼의 제조단가의 50%를 차지하고 있어서 저가화가 어렵다. 반면, 원료가스를 분해하여 대면적 기판에 증착하는 박막(thin-film) 실리콘 태양전지의 경우는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 박막 실리콘 모듈은 매우 적은 실리콘 원재료를 소비한다. 단결정이나 다결정 실리콘 웨이퍼의 두께가 $180-250\;{\mu}m$ 정도인 것에 비해서 박막 실리콘의 두께는 $0.3-3\;{\mu}m$ 수준이다. 더불어, 유리, 플라스틱 등의 저가 기판에 저온 대면적 증착이 가능하여 저가양산화에 유리하다. 박막 실리콘 모듈은 벌크형 실리콘 모듈(-0.5%/K) 대비 낮은 온도계수[비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si:H)의 경우 -0.2%/K]와 빛의 세기가 약한 산란광에서도 동작하여 평균발전시간이 증가하므로 외부환경에서 우수한 발전성능을 보이고 있다. 태양전지 모듈은 상온에서의 안정화 효율을 기준으로 가격이 책정되어($/$W_p$) 판매되기 때문에 벌크형 실리콘 모듈에 비해서 박막 실리콘 모듈은 가격대 성능비가 우수하다. 따라서 박막 실리콘 모듈은 벌크형 결정 실리콘 모듈의 대안으로 떠오르고 있으며, 레이저 기술을 이용하여 수려한 투광형 건물일체형(building integrated photovoltaic; BIPV) 모듈을 제작할 수 있는 장점도 있다. 이러한 장점에도 불구하고 기존의 양산화된 단일접합 비정질 실리콘 태양광 모듈은 효율이 6-7%로 낮아서 설치면적 및 설치 모듈의 증가가 성장의 걸림돌이 되고 있다. 박막 실리콘 태양전지의 고효율화를 도모하기 위해서 적층형 탄뎀셀로 양산 트렌드가 변화하고 있다. 이에 적층형 박막 실리콘 태양전지 효율의 한계 및 돌파구에 대해서 논의한다.

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Economic Evaluation of Domestic Photoelectrochemical Hydrogen Production (국내 광전기화학 수소생산의 경제성 평가)

  • Gim, Bong-Jin;Kim, Jong-Wook
    • Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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    • v.21 no.1
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    • pp.64-71
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    • 2010
  • This paper deals with an economic evaluation of domestic immersing type photoelectrochemical hydrogen production. We also make some sensitivity analysis of hydrogen production prices by changing the values of input factors such as the initial capital cost, the solar to hydrogen conversion efficiency, and the system duration time. The hydrogen production price of the immersing type photoelectrochemical system was estimated as 8,264,324 won/$kgH_2$. It is expected that the production cost by photoelectrochemical hydrogen production can be reduced to 26,961 won/$kgH_2$ if the solar to hydrogen conversion efficiency is increased to 14%, the system duration time is increased to 20,000 hours, and the initial capital cost is decreased to 10% of the current level. The photoelectrochemical hydrogen production is evaluated as uneconomical at this time, and we need to enhance the solar to hydrogen conversion efficiency and the system duration time as well as to reduce prices of the system facilities.