박막 태양전지 구조, 성능 인자 및 스퍼터 증착 기술

본 내용은 " 신소재프로젝트3 광전자 A+ 예비레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.07

문서 내 토픽

• 1. 박막 태양전지의 구조 및 각 층의 역할

  박막 태양전지는 값싼 유리, 플라스틱, 금속 기판에 광전지 물질의 박막을 증착하여 만든 2세대 태양전지입니다. CZT(S,Se) 박막태양전지는 Mo기판(후면전극), 광흡수층(CZTSSe), 버퍼층(CdS), 투명전극(TCO), 전면전극(Al)으로 구성됩니다. Mo층은 0.5-1 μm, CZT(S,Se)층은 1-2 μm, CdS층은 50-100 nm, ZnO층은 약 50 nm, 투명전극층은 약 0.5 μm, Al 전극은 약 3 μm의 두께를 가집니다. 각 층은 광흡수, 전하 수송, 전극 역할 등 고유의 기능을 수행합니다.

• 2. 태양전지 성능 인자 및 I-V 특성

  태양전지의 성능은 단락전류(Isc), 개방전압(Voc), 충진율(FF), 변환효율(η)로 평가됩니다. I-V 곡선은 태양전지의 전기적 특성을 나타내며, 이상적인 다이오드 방정식 I=IL-I0[exp(qV/nkT)-1]로 표현됩니다. 단락전류는 태양전지 면적, 광자 개수, 입사광 스펙트럼에 의존하고, 개방전압은 Voc=(nkT/q)ln(IL/I0+1)로 계산됩니다. 충진율은 FF=(VMP×IMP)/(VOC×ISC)이며, 효율은 η=(Voc×Isc×FF)/Pin입니다.

• 3. 태양전지 성능 측정 방법 및 표준시험조건

  태양전지 성능평가는 표준시험조건(STC)에서 수행되며, AM 1.5 G 기준 스펙트럼, 100 mW/cm² 조사강도, 25℃ 온도 조건을 만족해야 합니다. 솔라시뮬레이터, 온도 유지 장치, 전류-전압 측정기, 기준 태양전지 등이 필요합니다. 분광응답도는 입사광의 파장별 조사강도에 대한 단락전류밀도의 비율(A/W)로 정의되며, 양자효율과 SR=qλ/hc×QE의 관계를 만족합니다.

• 4. 스퍼터링을 이용한 박막 증착 기술

  스퍼터링은 진공 속에서 이온화된 원자(Ar)를 전기장으로 가속시켜 박막재료에 충돌시켜 원자를 방출하고 기판에 부착시키는 방법입니다. DC 스퍼터링은 도체 증착에, RF 스퍼터링(13.56 MHz)은 부도체 증착에 사용됩니다. 마그네트론 스퍼터링은 영구자석의 자속으로 플라즈마를 집진하여 균일한 박막을 제조합니다. 스퍼터링의 장점은 모든 물질을 타겟으로 사용할 수 있고 물리적 운동량 교환 과정이므로 화학적 손상이 적습니다.

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• 1. 박막 태양전지의 구조 및 각 층의 역할

  박막 태양전지는 기판 위에 수 마이크로미터 두께의 반도체 층을 적층하는 구조로, 각 층이 명확한 기능을 수행합니다. 투명 전도성 산화물(TCO) 층은 광을 투과시키면서 전기를 수집하고, 흡수층은 태양광을 전기에너지로 변환하며, 백 컨택트는 전자를 수집합니다. 이러한 다층 구조는 재료 효율성을 극대화하면서도 제조 비용을 절감할 수 있어 실용적입니다. 특히 CdTe, CIGS, 페로브스카이트 등 다양한 재료 조합이 가능하여 성능과 안정성의 균형을 맞출 수 있다는 점이 매력적입니다. 각 층의 두께와 특성 최적화가 전체 성능을 결정하므로 정밀한 제어가 필수적입니다.

• 2. 태양전지 성능 인자 및 I-V 특성

  태양전지의 성능은 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충전인자(FF), 효율(η)의 네 가지 주요 인자로 평가됩니다. I-V 곡선은 이러한 인자들의 상호작용을 시각적으로 보여주며, 곡선의 형태는 태양전지의 품질을 직관적으로 나타냅니다. 직렬저항이 낮고 병렬저항이 높을수록 우수한 I-V 특성을 나타내며, 이는 효율 향상으로 직결됩니다. 최대전력점(MPP)에서의 동작이 실제 발전 성능을 결정하므로, I-V 특성 분석은 태양전지 개발과 품질관리에 필수적입니다. 온도와 조도 변화에 따른 I-V 특성 변화 추적도 중요합니다.

• 3. 태양전지 성능 측정 방법 및 표준시험조건

  표준시험조건(STC: 1000 W/m², AM1.5G, 25°C)은 태양전지 성능의 국제적 비교를 가능하게 하는 중요한 기준입니다. 이 조건에서의 측정은 재현성과 신뢰성을 보장하며, 다양한 제조사의 제품을 공정하게 평가할 수 있습니다. 그러나 실제 운영 환경은 STC와 다르므로, 다양한 조건에서의 성능 측정도 필요합니다. 온도계수, 저조도 성능, 스펙트럼 응답 등 추가 측정 항목들은 실제 발전량 예측에 도움이 됩니다. 표준화된 측정 방법은 기술 발전을 추적하고 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하는 데 매우 중요합니다.

• 4. 스퍼터링을 이용한 박막 증착 기술

  스퍼터링은 박막 태양전지 제조의 핵심 기술로, 높은 재현성과 대면적 균일성을 제공합니다. DC, RF, 마그네트론 스퍼터링 등 다양한 방식이 있으며, 각각 특정 재료와 조건에 최적화되어 있습니다. 이 기술은 정밀한 두께 제어, 낮은 결함 밀도, 우수한 결정성을 달성할 수 있어 고효율 박막 태양전지 개발에 필수적입니다. 스퍼터링 파라미터(전력, 압력, 온도, 가스 조성)의 최적화는 박막의 물리적, 전기적 특성을 크게 영향을 미칩니다. 다만 장비 비용이 높고 공정 시간이 길다는 단점이 있어, 지속적인 기술 개선이 필요합니다.