공공시설물 심미성 향상을 위한 CIGS 태양전지 적용 방안

이샘,서지영,박수지,남원석,장중식 한국융합학회 2021 한국융합학회논문지 Vol.12 No.12

As environmental problems accompanied by industrialization have emerged worldwide, solar and wind energy have entered the stage of commercialization, especially in Korea. In addition, research on improving aesthetics using solar cells is being actively conducted. Examples include developing a transmissive solar cell and developing a solar cell with flexibility and color. Therefore, in line with the upward trend of solar cell development and solar cell-based public facility installation, we will present guidelines for designing public facilities using solar cells to improve aesthetics. First of all, components were derived to increase the suitability of solar cell application through literature surveys on solar cells and case studies on public facilities using solar cells. Next, through prior research on public facility guidelines, we established evaluation principles and drafted design guidelines. Based on this, a Delphi survey was conducted on a group of experts to verify its validity. Design guidelines for solar cells application measures to improve the final public design aesthetics were derived. The goal is to improve the public facilities using solar cells, through Accessibility and cognition, Usability, Shape and aesthetics, Sustainability and energy efficiency, Continuity with the urban landscape. And it is expected that this data will be used to improve the aesthetics of public design using solar cells in the future. 산업화와 동반한 환경문제가 세계적으로 대두되면서 특히 우리나라에서는 태양에너지와 풍력에너지가 실용화 단계에 접어들었다. 또한 태양전지를 활용한 심미성 향상에 대한 연구가 활발히 이루어지는 가운데 BIPV, CIGS등 투과가 가능한 태양전지 개발, 유연성과 색감을 가지고 있는 태양전지 개발이 그 예시이다. 이에 본 논문에서는 태양전지 개발 및 태양전지 기반의 공공시설물 설치 상승세에 발맞춰 심미성 향상을 위한 CIGS 태양전지를 활용한 공공시설물 디자인 가이드라인을 제시하고자 한다. 우선 태양전지에 관한 문헌조사와 태양전지를 활용한 공공시설물 사례조사를 통해 태양전지 적용의 적합성을 높이기 위한 구성요소를 도출했다. 그 다음 공공시설물 가이드라인 선행연구를 통해 평가원칙 정립과 디자인 가이드라인 초안을 작성했다. 이를 전문가 집단을 대상으로 3차례의 델파이조사를 실시하여 타당성을 검증했으며 최종적으로 공공디자인 심미성 향상을 위한 태양전지 적용 방안 디자인 가이드라인을 도출하였다. 향후 태양전지를 활용한 공공시설물의 접근성 및 인지성, 사용성, 형태 및 심미성, 지속가능성 및 에너지효율성, 도시경관과의 연속성 개선을 통한 심미성 향상의 기초자료로 활용되길 기대한다.

태양전지의 양자효율 측정 및 분석

김영국 ( Youngkuk Kim ),오동현 ( Donghyun Oh ),박진주 ( Jinjoo Park ),이준신 ( Junsin Yi ) 한국전기전자재료학회 2023 전기전자재료학회논문지 Vol.36 No.4

본 논문은 대학연구실과 산업현장에서 태양전지를 연구 개발하는 초년생들이 태양전지 성능 분석하는 데 있어 가장 기본적이면서도 중요한 양자효율(quantum efficiency) 측정, 분석 방법에 이해를 돕는 것을 목적으로 한다. 양자효율의 정의를 시작으로, 측정 방법, 분석 방법에 대한 자세한 소개와 함께 태양광 스펙트럼으로부터 태양전지 소재의 밴드 갭에 따른 이론적인 전류밀도를 계산하고, 이론적인 전류밀도와 양자효율 측정, 분석을 통해 태양전지의 성능을 분석하는 방법에 대해 깊이 있게 논의한다. 태양전지의 양자효율 측정 분석은 태양전지를 깊이(전면, bulk, 후면)에 따라 분석할 수 있어 태양전지 성능 분석에 직관을 줄 수 있는 매우 유용한 방법이다. 이론적 전류밀도와 양자효율 측정 분석에 대한 깊은 이해로 태양전지를 연구하는 학생과 연구원들이 태양전지의 성능 분석을 하는 데 있어 기반으로 활용할 수 있기를 기대한다. The purpose of this paper is to help those who research and develop solar cells in university laboratories and industrial sites understand the most basic and important quantum efficiency measurement and analysis method in analyzing solar cell performance. Starting with the definition of quantum efficiency, we calculate the theoretical current density according to the band gap of the solar cell material from the solar spectrum, along with a detailed introduction to the measurement and analysis methods, and measure and analyze the theoretical current density and quantum efficiency. We discuss in depth how to analyze the performance of solar cells through Quantum efficiency measurement and analysis of solar cells is a very useful method that can give intuition to solar cell performance analysis as it can analyze solar cells according to depth (front emitter, bulk, rear surface). Students and researchers who study solar cells with a deep understanding of theoretical current density and quantum efficiency measurement analysis are expected to use it as a basis for analyzing solar cell performance.

Brief Review of Silicon Solar Cells

Junsin Yi(이준신) 한국진공학회(ASCT) 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.3

태양광발전이란 태양에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 지난 5년 동안 태양광발전은 세계적으로 높은 성장률을 보여 왔다. 특히 2006년에는 30%이상의 성장을 가져왔으며 앞으로 20년 동안 평균 생산 성장률은 매년 27% - 34%가 될 것으로 예상하고 있다. 현재까지는 태양광발전을 이용해 생산된 전력의 가격은 기존 전력발전의 가격보다 높지만 태양광 기술의 발전과 효율의 향상으로 점점 그 가격이 떨어지고 있다. 뿐만 아니라 태양전지용의 실리콘 기판의 대량생산은 점점 더 태양전지의 가격 저하를 가져오고 있다. 태양전지의 변화효율의 한계는 30%이다. 현재에는 결정질 실리콘 태양전지가 주를 이루고 있지만 미래에는 박막 실리콘 태양전지가 주도를 이룰 것이다. 2030년에는 박막 태양전지가 90% 이상을 이루고 결정질 태양전지는 10% 이하로 떨어질 것을 예상하고 있다. 성균관대학교에서는 결정질 실리콘 태양전지의 저가화와 고효율화를 주 연구로 수행하고 있다. 현재 성균관대학교에서는 스크린 프린트를 이용해서 16% 이상의 다결정 실리콘 태양전지와 17% 이상의 단결정 실리콘 태양전지를 성공적으로 제작하였다. 제 1세대에서 다음 세대의 태양전지 발전의 과정은 새로운 접근법으로 확대되지만 여전히 실리콘이 지금까지 주된 재료로 쓰이고 있다. 2010년까지 이러한 기술들에 대한 격차는 여전히 있지만 태양광발전을 통한 전력생산의 가격은 60 cent/watt 정도로 예상하고 있다. 태양광발전은 청정에너지로서 재생불가능 하고 고갈되어가고 환경오염을 일으키는 다른 에너지와 비교하여 점점 대체에너지로서의 자리를 확립해 가고 있다. Photovoltaic (PV) technology permits the transformation of solar light directly into electricity. For the last five years, the photovoltaic sector has experienced one of the highest growth rates worldwide (over 30% in 2006) and for the next 20 years, the average production growth rate is estimated to be between 27% and 34% annually. Currently the cost of electricity produced using photovoltaic technology is above that for traditional energy sources, but this is expected to fall with technological progress and more efficient production processes. A large scale production of solar grade silicon material of high purity could supply the world demand at a reasonably lower cost. A shift from crystalline silicon to thin film is expected in the future. The technical limit for the conversion efficiency is about 30%. It is assumed that in 2030 thin films will have a major market share (90%) and the share of crystalline cells will have decreased to 10%. Our research at Sungkyunkwan University of South Korea is confined to crystalline silicon solar cell technology. We aim to develop a technology for low cost production of high efficiency silicon solar cell. We have successfully fabricated silicon solar cells of efficiency more than 16% starting with multicrystalline wafers and that of efficiency more than 17% on single crystalline wafers with screen printing metallization. The process of transformation from the first generation to second generation solar cell should be geared up with the entry of new approaches but still silicon seems to remain as the major material for solar cells for many years to come. Local barriers to the implementation of this technology may also keep continuing up to year 2010 and by that time the cost of the solar cell generated power is expected to be 60 cent per watt. Photovoltaic source could establish itself as a clean and sustainable energy alternate to the ever depleting and polluting non-renewable energy resource.

기계적 하중 하에서 복합재료 시험편에 접착된 단결정 실리콘태양전지의 성능평가

김종천 ( Jong Cheon Kim ),최익현 ( Ik Heon Choi ),김대현 ( Dae Hyun ),정성균 ( Kim Seong Hyu Cheong ) 한국복합재료학회 2011 Composites research Vol.24 No.6

본 연구에서는 화석에너지 고갈과 환경문제로 인해 새로운 신재생에너지로 주목 받고 있는 태양전지를 대표적인 경량재료인 복합재료에 적용하기 위해 적절한 태양전지 접착 방법에 대한 연구를 진행하였다. 사용된 태양전지는 후면전극 태양전지로 에너지변환 실험실 효율이 약 24.2%인 태양전지를 사용하였다. 하지만, 실리콘계열 태양전지는 재료의 특성상 깨지기 쉽기 때문에 일반적으로 사용되고 있는 동시경화 접착법 대신 접착제를 이용한 이차 접착법을 사용하였다. 접착재료는 태양전지의 충진재 및 접착제로 사용되고 있는 EVA film 과 프리프레그의 수지인 Resin film, 그리고 탄성 접착제를 이용하여 실험을 진행 하였으며, 태양전지가 접착된 복합재료 시험편에 기계적 하중을 부가하여 접착제 종류별 태양전지의 성능변화를 측정하였다. 또한, 기계적 하중 하에서 실시간으로 태양전지의 성능을 평가할 수 있는 측정장치를 설계하여 접착재료별 파단 시점과 특성을 비교?평가 하였다. 파단면분석을 통해 태양전지 효율 감소원인을 분석하여 고찰하였다. 실험결과 태양전지의 접착방법에 따라서 태양전지의 효율이 크게 영향을 받는다는 것을 파악하였다. 또한, 탄성접착제를 사용한 접착 방법이 가장 높은 태양전지 효율 성능을 보여주고 있음을 확인하였다. The objective of this study is to investigate appropriate bonding methods of solar cells in order to apply solar cells, which have been receiving particular attention as a renewable energy due to fossil energy depletion and environment issues, to composite structures. Back-contact solar cells with approximately 24.2% energy conversion efficiency were used in this study. Since silicon-based solar cells are mechanically fragile, the secondary-bonding methods using adhesive were examined in this study. The experiment was conducted with three kinds of bonding materials such as EVA film, Resin film and elastic adhesive. The performance of solar cells for three types of adhesives under mechanical Loading on test specimens is conducted. In addition, the measuring equipment was designed to evaluate the performance of the solar cells under mechanical Loading in real time and the fracture characteristics depending on bonding materials were evaluated. The reason decreasing solar cells efficiency were analyzed and considered by Fractography. The results show that the solar cell performance is largely affected by bonding techniques. Moreover, the bonding method using elastic adhesive shows best solar cell efficiency.

도시 생활구조물 활용을 위한 CIGS 태양전지 심미성 향상 제품디자인 개발융합연구

조재윤,장희수,정제윤,남원석,장중식 한국융합학회 2020 한국융합학회논문지 Vol.11 No.4

본 논문은 도시 생활구조물 활용을 위한 CIGS 태양전지 심미성 향상 제품디자인 개발융합연구로써, 기존 태양 전지 패널의 문제점을 파악하고 제품디자인의 심미성 요소를 바탕으로 설문조사와 FGD [전문가 집단 토론]를 통해 CIGS 태양전지 심미성 향상을 위한 전문적인 심미성 요소를 도출하였다. 도출된 심미성 요소 중 ‘환경 조화성’, ‘패턴 균형성’, ‘시대 보편성’ 이렇게 상위 3종을 콘셉트로 제품 디자인 프로세스를 진행하여 심미성 향상을 위한 CIGS 태양전 지 모듈 디자인과 어셈블리 디자인을 도출하였으며, 제품 시뮬레이션을 통해 아파트, 베란다와 창호, 스트릿퍼니처에 적용했다. 본 연구는 추후 실제 도시 생활구조물에 활용해 심미성과 CIGS태양전지의 기능을 적용하기에 적합하며, 향 후 연구방향은 다양한 패턴과 구조적 디자인개발에 관한 연구가 필요하다. This paper is a product design convergence study to improve the aesthetic quality of CIGS solar cells for utilizing urban living structures, identifying problems of existing solar cell panels and drawing expert aesthetic elements for improving CIGS solar cells through survey and [Group discussion of experts] based on aesthetic elements of product design. Out of the aesthetic elements derived, the top three models of the product design process were 'environmental harmonization', 'pattern balance', and 'period universality' to derive the design and assembly design of the CIGS solar cell module for improving aesthetic quality, and applied to apartments, veranda, windows, and streetcar through product simulation. This study is suitable for applying aesthetic and CIGS solar cell function later to actual urban living structure, and future research direction needs to be studied on various patterns and structural design development of design.

태양광원에 대한 수평방향 추적식 항로표지용 태양전지 시스템의 도입 타당성에 관한 연구

전중성(JEON JOONG SUNG),김정훈(KIM JUNG HUN),이용한(LEE YONG HAN) 한국항해항만학회 2009 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.공동학술

In this paper, a solar power tracking method using the solar cells is proposed, which has 3 solar cell located at an interval of 60˚ in azimuth so that the sunlight may almost be perpendicular to the solar cells without excessive mechanical operation. Compared with the solar cell voltages in each azimuth, there is the highest voltage in time interval. As a results, this solar Cell system achieve higher relative efficiency of 1.6 ~ 11.5 % than fixed solar cell system. Therefore, it is verifying that this solar cell tracking system obtain more relative efficiency than fixed solar cell system for aid to navigation. 본 연구는 방위각에 따른 태양전지의 전압실험으로서 태양광원을 수평방향으로 추적하는 시스템의 도입 타당성에 대한 연구이다. 고도각을 30˚로 고정하여 방위각이 다른 3개의 태양전지를 설치하고, 일조시간 동안에 각 전압을 측정하여 방위각별 전압의 차이여부를 통계적으로 검정하였다. 실험결과, 어느 한 방위의 태양전지에서 발생한 전압이 다른 방위 태양전지의 전압에 비해 우세한 시간대에서 그 평균 전압은 높았다. 또한 이에 대한 상대효율을 비교하면 1.6~11.5%의 높은 효율을 보였다. 따라서 항로표지용 태양광 발전에서 고정식 태양전지 시스템보다 수평방향의 추적식 태양전지의 시스템을 도입하는 것이 효율적임을 확인하였다.

비정질/다결정규소 적층형 태양전지

김도영,김상수,박용관,이준신 成均館大學校 科學技術硏究所 1997 論文集 Vol.48 No.1

본 연구는 최근의 지상전력 응용을 위한 Metal/a-Si:H(n-i-p)/poly-Si(n-p)/Metal 구조를 가지는 적층형 태양전지를 연구하였다. 이 전지는 두 층의 동종접합이 적층된 전지구조로 구성되었다. 상부는 1.8eV의 큰 에너지 밴드갭을 가지는 n-i-p형 a-Si:H와 하부전지는 1.1eV의 작은 에너지 밴드갭의 다결정 규소 전지의 n-p형 접합이다. 태양전지의 효율 영향요소를 PC-1D 태양전지 모의실험을 통해 조사한후 실제 소자 제작에 적용하였다. 주요 연구 분야는 3가지로 구분되며 첫째는 p-n접합 다결정 규소의 하부 전지, 둘째는 p-i-n접합 수소화 비정질 상부규소, 세 번째로 적층형 전지의 계면층에 대한 영향이다. 하부전지의 효율은 900℃의 전열처리, 표면처리, 0.43㎛의 에미터 두께, 상부 Yb 금속, 7% 정도의 태양전지 그리드 면적으로 향상되었다. 최적화된 전지 공정으로부터 약 16%의 변환효율을 달성하였다. 상부전지는 이온에 의한 박막의 손상이 없고 우수한 p/i-a-Si:H 계면층을 가지는 광-CVD 시스템을 사용하여 성장하였다. 적층형 계면효과는 세가지의 화학적인 표면처리, 열산화에 의한 표면처리, 그리고 Yb 금속의 상태등의 경우를 연구하였다. 열산화막에 의해 표면처리된 전지는 높은 광전류의 생성과 향상된 분광반응도를 보이고 있다. We investigated multi-stacked solar cells with a structure of metal/a-Si:H(n-i-p)/ poly-Si(n-p)/metal for the terrestrial applications. This cell consists of two component cells: a top n-i-p junction a-Si:H cell with wide-bandgap 1.8eV and a bottom n-p junction poly-Si cell with narrow-bandgap 1.1eV. The efficiency influencing factors of the solar cell were investigated in terms of simulations and experiments. Three main topics of the investigated study were the bottom cell with n-p junction poly-Si, the top a-Si:H cell with n-i-p junction, and the interface layer effects of multi-stacked cell. The efficiency of bottom cell was improved with a pretreatment temperature of 900℃, surface polishing, emitter thickness of 0.43μm, top Yb metal, and grid finger shading of 7% coverage. The process optimized cell showed a conversion efficiency about 16%. Top cell was grown by using a photo-C JD system which gave an ion damage free and good p/i-a-Si:H layer interface. The multi-stacked interface effect was examined with three different surface states; a chemical passivation, thermal oxide passivation, and Yb metal. The oxide passivated cell exhibited the higher photocurrent generation and better spectral response.

전계발광현상을 이용한 우주용 다접합 태양전지의 건전성 평가기법

박제홍(Jehong Park),장영근(Young-Keun Chang) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.10

우주비행체의 주 전력원인 태양전지 시스템은 태양광을 직접 바라본 상태에서 운용되어, 우주의 가혹한 열적/기계적 환경에 직접 노출되므로, 제작/시험 중 발생될 수 있는 미세한 균열, 정전기 및 열 충격 등이 궤도 운용 중 태양전지 시스템의 기능상실로 이어질 가능성을 갖는다. 또한 태양전지 시스템의 전력생성 기본 유닛인 태양전지에 발생된 미세한 균열 또는 열 충격에 따른 태양전지의 내부 파손의 발견을 위해서는 고가의 장비와 복잡한 시험절차, 그리고 많은 시간을 필요로 하게 된다. 따라서 태양전지 시스템 기능의 건전성을 쉽고, 빠르게 확인하기 위해, 정성적인 태양전지 기능 건전성 평가 방법이 요구된다. 본 논문에서는 요즘 우주비행체에서 가장 많이 사용되는 갈륨-비소 계열의 다접합 태양전지가 갖는 전계발광현상을 이용해 복잡한 반도체 구조를 가지는 태양전지의 기능 건전성을 보다 간단하고 저비용으로 그리고 빠르게 평가하는 방법에 대한 이론적, 기술적 근거를 설명하였다. 또한 이를 실제의 우주용 태양전지 시스템에 적용하기 위한 기술적 사항들과 적용 제한 조건들에 대하여 기술하였다. The solar cell system operates by facing the sun-light. Minor cracks, static discharge, and thermal shock that can happen during production/testing phase can lead to degradation in performance during operation, since solar cells are exposed to extreme thermal/mechanical environment in space. In order to detect small cracks and internal damages in the solar cells due to thermal shocks, which are the core units of a solar cell system, expensive equipment, complicated test process, and much time are required. Therefore, a qualitative method for easily and quickly testing the ‘health’ of solar cell functionality is required. This dissertation describes a theoretical and technical grounds for quickly and easily evaluating the health of solar cells using electroluminescence effect of Gallium-Arsenide solar cells that are most widely used by spacecrafts in recent years. Also described in the dissertation is the technical issues and constraining factors for applying the proposed method to actual space-rated solar cell systems.

Triple Junction GAGET2-ID2 Solar Cell Degradation by Solar Proton Events

Ja-Chun Koo(구자춘),Jung-Eon Park(박정언),Gun-Woo Moon(문건우) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.12

거의 모든 우주 환경에서 태양전지 열화는 양성자에 의해 좌우된다. 정지궤도는 전자 방사선 벨트에 위치하지만 태양 이벤트에서 방출된 양성자는 여전히 태양전지 열화의 주된 요소이다. 2010년 6월 26일 천리안 1호가 발사된 이후로, 2012년 1월 23일에서 29일 그리고 2012년 3월 7일에서 14일에 다년 평균 관측 수준의 약 30배 이상의 플루언스를 갖는 양성자 이벤트가 관측되었다. 본 논문은 2012년 1월과 3월에 발생한 태양 양성자 이벤트에 의해 감시 셀의 개방회로 전압(Voc)과 션트 스위치에 연결된 한 섹션의 단락회로 전류(Isc)에 대한 태양전지 열화에 대해 연구한다. 태양전지의 성능을 평가하기 위해 전압과 전류의 비행 데이터는 온도, 지구-태양 거리, 태양 각도로 보정한 후 임무 초기 태양전지 특성과 비교한다. Voc 전압은 2012년 1월 양성자 이벤트 이전과 비교하여 2012년 3월 양성자 이벤트 이후에 약 23.6mV 감소되었다. 감소된 Voc 전압은 임무 초기값 2575mV에 대해 1% 미만이다. Isc 전류는 예상대로 2012년 3월 양성자 이벤트에서 무시할 정도로 감소되었다. In nearly all space environments, the solar cell degradation is dominated by protons[1]. Even through a GEO orbit lines in the electron radiation belts, the protons emitted from any solar event will still dominate the degradation[1]. Since COMS launch on June 26 2010, the proton events with the fluence of more than approximately 30 times the average level of perennial observations were observed between January 23 - 29 2012 and March 07 - 14 2012[16]. This paper studies the solar cell degradation by solar proton events in January and March 2012 for the open circuit voltage(Voc) of a witness cell and the short circuit current(Isc) of a section connected to a shunt switch. To evaluate the performance of solar cell, the flight data of voltage and current are corrected to the temperature, the Earth-Sun distance and the Sun angle and then compare with the solar cell characteristics at BOL. The Voc voltage dropped about 23.6mV compare after the March 2012 proton events to before the January 2012 proton events. The Voc voltage dropped less than 1% at BOL, which is 2575mV. The Isc current decreased negligible, as expected, in the March 2012 proton events.

GaInP/GaAs/Ge 3중 접합 태양전지 배열기의 정지궤도에서 전력 성능 평가

구자춘(Ja-Chun Koo),박희성(Hee-Sung Park),이나영(Na-Young Lee),천이진(Yee-Jin Cheon),차한주(Han-Ju Cha),문건우(Gun-Woo Moon),나성웅(Sung-Woong Ra) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.12

정지궤도위성은 다수의 탑재체를 하나의 위성체 플랫폼에 탑재하고 2010년 6월 26일에 발사되었다. 태양기간 동안 인공위성에서 요구되는 전력은 태양전지 배열기 윙에서 생성된다. 태양전지는 Spectrolab사의 적층법을 사용한 RWE Space사의 Gaget 2로 명명되는 GaInP/GaAs/Ge 3중 접합 셀이다. 본 논문은 정지궤도 비행 데이터에 대한 경향을 분석한 결과를 바탕으로 설계수명 말기에서 태양전지 배열기의 전력 성능을 평가하였다. 설계수명 말기에서 예측한 태양전지 배열기의 전력 성능은 태양전지 배열기 제작사가 제공한 전력 성능과 비교하였다. 경향분석 결과를 통해 태양전지 셀은 현저한 성능감소 없이 정상적으로 동작되고 있다. The satellite on geostationary orbit accommodates multiple payloads into a single spacecraft platform and launched in June 26, 2010. The electrical power required to the satellite during sunlight is generated by a solar array wing. The solar cells are the GaInP/GaAs/Ge Triple Junction cells named Gaget2 cells from RWE Space, which were based on a Spectrolab epitaxy. This paper evaluates solar array power performance at end of design life based on the trend analysis results for the flight data on geostationary orbit. The estimated solar array power performance at end of design life compares with the power performance provided by solar array manufacturer. The solar cells show nominal behavior without significant degradation through the trend analysis results.