표준 ( 연 ) 의차세대태양전지개발현황및표준화 2009. 11. 4.( 수 ) KRISS 나노소재측정센터이우 - 1 -
1 2 3 태양전지산업및표준연연구현황 태양전지공정분석표준화연구 태양전지효율측정표준화연구 4 고효율나노구조태양전지개발연구
1 태양전지산업및표준연연구현황 - 3 -
녹색산업으로서의태양전지 년 40 % 이상의 무한한에너지원 : Si 기반, 인체무해 청정에너지원 : CO 2 및유해가스발생거의없음 태양표면복사에너지 : 3.8 x 10 23 kw 지표면도달에너지 : 1.3 x 10 14 kw 연간전세계에너지소비의약 1 만배
태양전지시장동향 Global : 년 40 % 이상초고속성장 국내 : 시장규모에비해열악한보급량
태양전지의분류및발전경향 차세대태양전지 (3 rd Gen) : 저비용, 고효율, 신물질, 특수목적
태양전지 산업을 위한 주요 연구 분야 태양전지 소재 태양전지 모듈 태양전지 소자 태양전지 표준
표준연태양전지연구현황 세부주제 2009 1 단계 2 단계 3 단계 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 태양전지공정분석법표준화 태양전지효율평가법표준화 고효율나노구조태양전지원천기술개발 태양전지핵심측정분석법개발차세대태양전지를위한정밀측정법개발태양전지핵심측정분석소급체계확립및 ISO 국제표준확립태양전지용인증표준물질개발보급변환효율절대평가기술개발, 차세대태양전지평가방법표준화및기준태양전지개발 LED 기반효율측정장치개발차세대태양전지가속수명시험방법표준화태양전지공정용검사장치개발대면적태양전지공정용검사장치개발수직접합실리콘양자점태양전지개발 GaAs 양자점을이용한집광형태양전지개발나노선양자점결합및하이브리드양자점태양전지개발 Products 수직접합양자점태양전지 변환효율평가기술 GaAs 양자점태양전지 공인태양전지평가법 나노하이브리드태양전지 분광식변환효율장치 핵심측정 / 분석법 6 종소급체계및국제표준인증표준물질
2 태양전지공정분석법표준화연구 - 9 -
나노및표면분석법의종류
태양전지공정주요측정 / 분석기술 분석장비 SIMS/TOF-SIMS XPS/AES EPMA(LEXES) HR-RBS/MEIS AFM/SEM/TEM SCM/EFM/KPM SE/PL/EL/NSOM XRR/Nanoindentor 측정 / 분석기술 주성분정량분석미량성분정량분석화학상태분석깊이분포분석박막두께측정표면형상측정결정구조및결함전기적특성평가광학적특성평가물리역학특성평가 태양전지종류 Bulk Si ( 단결정 ) Bulk Si ( 다결정 ) Si 박막 ( 비정질 ) II-III-VI (CIGS) II-VI (CdTe, CdS) III-V (GaAs, InP) Dye-TiO 2 Organic
비정질실리콘박막태양전지용분석기술 - 미량성분정량분석및깊이분포도 : SIMS - 다층박막두께측정 : AES, SIMS
화합물박막태양전지용분석기술 - 주성분정량분석및깊이분포도 : XPS, AES, SIMS - 다층박막두께측정 : AES, SIMS
측정결과및불확도표현방법 측정값 ± 불확도측정단위 불확도 : 측정결과와관계되는요소로측정량 (measurand) 의분산정도를나타내는용어 정량방법장비업체가제공하는상대감도인자순수한금속으로부터구한상대감도인자합금박막 CRM으로부터구한상대감도인자동일조성 CRM으로부터구한상대감도인자 불확도의크기 ± 7 % ± 5 % ± 3 % ± 2 % 상대감도인자 : Relative Sensitivity Factor
표면분석표준확립의 3 요소 소급체계확립 ; - SI 단위소급성확보 : m, mol 등 - 국가표준기관간국제비교 : 측정능력동등성 국제표준제정 ; - 측정분석방법개발 - 최적의측정분석표준절차 (ISO, IEC) 인증표준물질보급 ; - 소급체계에근거인증된표준물질개발 - 분석현장소급체계확립
소급체계확립 표면분석소급체계 amount of substance (mol) length (m) Bulk Composition by ID-ICPMS, RBS Surface Composition : XPS, AES, SIMS, MEIS Si Lattice Constant by HR-TEM, XRR Film Thickness : TEM, SE, MEIS, XPS Reference Thin Film Growth : UHV-IBSD, UHV-CVD, ALD
국제표준제정 표면분석국제표준절차 (ISO/TC-201)
인증표준물질 태양전지분석용인증표준물질 태양전지종류 미량성분정량용도핑박막 주성분정량용합금박막 깊이분포도용다층박막 크기및형상측정용 실리콘원소재 단결정실리콘 다결정실리콘 비정질실리콘박막 CIGS 박막 CdTe 박막 GaAs 박막 염료감응형 양자점태양전지 : 매우중요 : 중요 : 보통 18
3 태양전지효율측정표준화연구 - 19 -
태양전지변환효율측정의국제소급성체계 Candela (cd) Spectral irradiance Spectral responsivity World PV Scale maintained by International Comparison Solar Simulator Reference Solar Cell Primary Reference Cell Absolute Calibration Uncertainty 2 % (PTB, NREL, AIST, etc) Role of KRISS for PV Industry: Establishment of the radiometric standards relevant to PV metrology Absolute calibration of primary reference solar cell Dissemination of reference solar cells Secondary Reference Cell Industry products Comparison Calibration Uncertainty 5 % (KIER, KTL, etc) Comparison Calibration (Industries)
분광복사조도측정표준확립 (2009 년 7 월완성 ) Primary Standards for Solar Simulator Test Ar mini-arc Lamp #3 High Temp. Blackbody Lamp #2 Lamp #1 Integrating Sphere Precision aperture (3 m stroke) PM tube InGaAs Detector Monochromator Si photodiode Std. Radiation Thermometer Spectral Irradiance (W/m2nm) FEL Lamp 와흑체의분광복사조도비교 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 FEL Lamp(8.100 A) BB (2996 K) 1.E-04 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Wavelength (nm) Difference (%) 러시아표준기관과의상호비교결과 4.0% 3.0% 2.0% 1.0% 0.0% -1.0% -2.0% -3.0% -4.0% VNIIOFI Difference Uncertainty (k=1) Uncertainty (k=2) 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Wavelength (nm)
기준태양전지교정장치구축 (2010 년완성예정 ) Differential Spectral Responsivity Comparator Spectroradiometer Translator (Temp. controlled) Control unit Solar Simulator (AM 1.5) DUT Meas. instruments Light Tunable Source Light Source Modulated monochromatic beam Reference Cell All in One Facility Primary calibration as well as comparison calibration Spectral property characterization under 1 solar const. Tunable Light Source: Combination of LEDs with different wavelengths Applicable to next generation solar cells with different spectral response from silicone- based cells Target Uncertainty 1 % for silicone-based cell 1.5 % for next generation cell Validation Plan CCPR comparison in preparation PTB piloting
4 고효율나노태양전지개발연구 - 23 -
실리콘태양전지의이론적최대효율 : 28% 실리콘태양전지의이론적최대효율 (28%)
물질의크기제어를통한밴드갭엔지니어링 나노구조체 a e, h (bulk) R e, h ( 나노구조 ) 양자구속효과 ; R( 물질의반경 ) a e,, h (Bohr 반경 ), h E(R) = E g h + 8R 2 2 µ 1.8e εr 2 nm 8 nm 2 벌크 CB 나노구조체 E g CdSe (Courtesy of F. Frankel) VB Doping level Deep level
밴드갭엔지니어링통한감도스펙트럼확장 bulk Si (3 차원 ) 나노구조 Si (1 차원또는 0 차원 ) Si 의크기감소
표준연의수직접합실리콘양자점태양전지개념 실리콘 양자점 수직접합 전극 p/n- 접합 TCO 전극 다결정 Si (47.8%) 단결정 Si (44.7%) n-type Si 비정질 Si (4.7%) 기타 (2.8%) p-type Si 전극 - 반도체공정및인프라활용 - 제작비용저가화가능 - 밴드갭제어 : 양자구속효과 - 가시광광전변환 (1.5~2.5 ev) - 접합면적확장 : 10~1,000 배 - 접합영역근접 : 1/10~1/100
표준연의 나노구조 태양전지 개발 연구 기반 실리콘 양자점 제어 기술 - K.J. Kim et al. Appl. Phys. Lett. 85, 3408 (2004) 2.6 2.4 1.06 1.76 1.52 1.02 1.14 1.44 1.84 1.27 1.22 0.98 500 600 700 800 Wavelength(nm) 1.16 900 1000 400 SiNx 1.10 500 600 700 800 Wavelength(nm) 900 x=1.16 1.14 1.1 2.2 1.06 1.02 18 2.0 (b ) x = 1.0 d = 3.2 ± 0.8 (n m ) 16 SiOx 1.8 1.6 14 Population (%) SiNx 1.64 PL peak energy (ev) PL Intensity (a.u.) SiOx 1.84 1.76 1.4 x=1.64 1.52 1.44 1.2 12 10 8 6 4 2 2 4 6 8 10 12 Excess Si (at. %) 나노제어기술 W. Lee et al. Nature Mater. 5, 741 (2006), Nature Nanotech. 3, 234 (2008) Nature Nanotech. 3, 402 (2008), Nano Lett. 8, 3046 (2008) 0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 D ia m e te r (n m )
표준연의나노구조태양전지개발연구기반 실리콘 Dopant 거동연구 - Y.S. Kim et al. Phys. Rev. Lett. 125503 (2003) 실리콘수소평판결함연구 매질내 Si 양자점거동연구
스퍼터증착에의한양자점층제작 Ion Beam Sputter Deposition nonstoiciometric SiO x film Step Motor SiO x (x<2) High T anneal SiO 2 Gate Valve Sample Transporter Substrate Si/SiO 2 or SiO x /SiO 2 superlattice DC Gun O 2 gas flow Target High T anneal
SiO x 및 SiN x 에의한양자점의밴드갭조절 SiO x SiN x PL Energy Variation Annealing : 1100 o C, 10min. Hydrogenation: 600 o C, 60 min. Annealing: 950 o C, 10min. Hydrogenation: 600 o C, 60 min. Size of nanocrystals matrix material PL Intensity (a.u.) 1.84 1.64 1.76 1.52 1.44 1.27 1.22 0.98 500 600 700 800 900 1000 Wavelength(nm) 1.16 1.10 1.06 1.14 1.02 400 500 600 700 800 900 Wavelength(nm) PL peak energy (ev) 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 SiN x x=1.16 SiO x 1.14 1.1 1.06 1.02 1.6 1.84 1.76 1.4 x=1.64 1.52 1.44 1.2 2 4 6 8 10 12 Excess Si (at. %) 0.4 ev 0.3 ev 0.7 ev PL at red light region 1.4-1.7 ev PL at blue-green region 2.0 2.4 ev 1. Small change (0.3, 0.4 ev) : size of ncs 2. Large change (0.7 ev) : matrix change
표준연 실리콘 양자점 태양전지 효율 수직접합구조 n- Si 30 p- Si 양자점 단일접합구조 상용화된 결정질 Si 20 p- Si 양자점 80 Current (ma) 태양전지 효율 (%) Max. Effi. in Lab. n-si 10 8.2% 60 40 20 (Si NC 3nm/SiO2 1nm) x 25p x = 1.2 VOC = 505mV 2 JSC = 28mA/cm 0 dark 1-sun illuminated -20-40 -1.0-0.5 0.0 0.5 Voltage (V) 4 8 12 16 20 24 28 32 36 개월
요약 한국표준과학연구원은태양전지개발에요구되는공정 분석및효율측정을위한표준기반을구축하고있다. 한국표준과학연구원은나노기술을기반으로하는차세대 태양전지원천기술을개발하고있다. 한국표준과학연구원은처음으로 p- 형실리콘양자점태 양전지구현에성공하여 8.2 % 의효율을달성하였다.
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