Recently, solar cell technology is highlighted due to its economical efficiency and cleanliness. As the oil shock struck the world economy, it became necessary to investigate a new type of energy source which was free from oil price fluctuations. Moreover, while carbon based fossil resources such as oil and coal are revealed as one of the main causes of the environmental pollution, many types of green energies rose with interest. One of the most promising green energy is solar energy. It is widespread and easy to convert into electricity by photovoltaic effect.
Many types of solar cells have been studied in terms of materials and structures. Also, lots of applications of solar cells are now in use such as power plants, BIPV, aerospace power generation and so on. However, most of those applications have limits to the light incidence angle and structural purpose. Therefore, new concept of solar cells, which can serve as structural material of construction and vehicles also are resistive to light incidence angle changes, are proposed. Honey comb is the most suitable structure since it is light but strong and has many sidewalls to be used as both light reflector and absorber. As the light absorbing material, amorphous silicon is selected because of its inherent advantages. Unlike other materials amorphous silicon solar cells need much less amount of materials and have comparable efficiency.
In the study, various materials were considered to be used as substrates. Silicon is the first candidate for this purpose since it is easy to analyse the deposition profile by observing the cross-section of the solar cells. Alumina is other option to fabricate 3D substrate. As it is already used as composing aerospace structures, photovoltaics on alumina can be directly applied to construct mobile vehicles. Lastly, polymer can be used as 3D structure substrate. Even polymer is far from constructing strong structures, is has other aspects to fabricate flexible see-through solar cells.
A substrate type n-i-p amorphous silicon thin-film solar cells on 3D structure substrate is suggested. I fabricated 3D structure solar cells possessing comparable characteristics with those planar type solar cells. Furthermore, 3D structure solar cells are much more resistive to the light incidence angle difference. Although 3D structure solar cells have relatively lower efficiency, they are more applicable in the actual situations. Moreover, solar cells on the alumina substrate are fabricated.
In conclusion, 3D structure solar cells are studied. The Voc of 0.875 V, Jsc of 7.698 mA/cm2, FF of 0.675 and final efficiency of 4.54 % are achieved. Observed angle response is very remarkable since it can collect more lights as the incident light angle decrease. Now, it is successfully accomplished to fabricate 3D structure solar cells and now we can apply this technology into the other applications.
최근들어 경제성과 환경 친화성을 모두 갖춘 태양 전지 기술이 각광받고 있다. 오일 쇼크가 전 세계를 강타함에 따라 국제 유가의 변동과는 상관 없는 새로운 형태의 에너지원이 필요해졌다. 또한 석유와 석탄같이 탄소를 함유하는 화석 연료의 경우 환경 오염의 주 원인이기까지 하기 때문에 다양한 친환경적 에너지가 대두되었다. 이들 중에 가장 유망한 것은 태양 에너지로 광전력 효과를 통하여 광 에너지를 전기 에너지로 쉽게 바꿀 수 있으며 이미 널리 사용되고 있다.
이미 많은 종류의 태양 전지가 개발되어 왔다. 또한 발전소, 건물 일체형 태양전지, 항공기 발전용 등 태양 전지의 응용 분야는 다양하다. 그러나 대부분의 태양 전지는 광 입사각에 대하여 제한적이며 그 자체가 기자재로 사용되지도 않는다. 따라서 차체를 구성하는 구조체로 사용 가능 하면서 광의 입사각에 큰 영향을 받지 않는 새로운 개념의 태양 전지를 제안하였다. 벌집 구조는 가장 적합한 형태로서 가벼운 무게에 비하여 큰 강성을 가지고 있고 세로로 세워진 격벽에 태양 전지를 형성할 경우에 다양한 각도록 흡수 및 반사가 가능하기 때문이다. 태양 전지의 흡수 층으로는 다른 태양 전지 구성 물질에 비하여 작은 양을 사용해도 충분한 양의 효율을 얻을 수 있는 비정질 실리콘을 사용하였다.
본 연구에서는 구조체 형성을 위해서 다양한 물질들을 고려하였다. 먼저 실리콘의 경우 증착 면에 대한 분석이 용이하다는 이점이 있다. 알루미나의 경우 이미 구조물의 재료로 쓰이기 때문에 타 분야로 응용이 쉽다. 마지막으로 폴리머 재질로 비슷한 구조체를 만든다면 구조체로서 뿐만 아니라 유연한 광 투과형 태양 전지를 형성할 수 있을 것이다.
태양 전지의 타입은 기판형 n-i-p 형태로 제작 되었다. 제작된 3차원 구조체 태양전지는 평면형 태양전지와 비등한 특성을 가지며, 오히려 입사되는 빛의 각도 변화에 둔감하다는 장점이 있다. 상대적으로 낮은 효율을 갖지만 실질적인 사용처에서는 더 실용적일 것이다. 또한 알루미나 기판에서도 태양 전지를 제작하였다.
결과적으로 3차원 구조체 태양전지의 경우 0.875 V의 개방 회로 전압, 7.698 mA/cm2의 단락 회로 전류, 0.675의 FF 그리고 4.54 %의 변환 효율을 갖는 태양 전지를 완성하였다. 각도에 따른 특성 변화에 주목할 만한 결과를 얻었으며 입사 각도가 변화하는 경우 상대적으로 더 많은 양의 광자를 흡수할 수 있다. 또한, 본 연구에서 얻은 3차원 구조체 태양 전지 제작 기술을 다른 분야에도 적용시킬 수 있을 것이다.
