Efficient optical engineering should be studied to improve the low light absorption of thin-film photo-voltaics (PVs) and their power conversion efficiency (PCE). Here, we theoretically analyzed the general light trapping schemes and evaluated their performances by a proper optical simulation. PCE of the PVs can be simply increased by laminating the randomly textured film or V-groove film to suppress the internal rays es-caping the system. We found the optimal texturing schemes and increased PCE of the polymer solar cell (PSC) from 6.47% to 7.36%. The further effect can be achieved by the concentrator array such as micro lens array (MLA) and compound parabolic concentrator (CPC) array. While the scheme using MLA only works for a restricted acceptance angle, we propose compound parabolic trapper (CPT) using 1D CPC array, which can improve PCE a lot for the incident angle variation for a whole year. Moreover, both light trapping effect and angular performance can be increased by the non-planar devices such as V-shape and double parabolic trapper (DPT) which we propose. Finally, the nanostructured PVs using metal gratings are also taken into account. The front gratings show the possibility of replacing ITO and rear gratings show a light trapping effect using surface plasmon polariton.
박막형 태양전지는 에너지 생산 단가를 낮추고 결정질 실리콘 등 기존의 벌크 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 많은 각광을 받고 있다. 박막형 태양전지의 상용화 한계는 얇은 활성층 두께에 의한 낮은 광 흡수율에 기인하는데, 이를 극복하기 위해서는 한 번 들어온 입사광이 태양전지를 다시 빠져나가지 못하게 막아주는, 즉 내부 빛의 탈출 확률($P_{esc}$)을 낮춰주는 광공학적 제어가 필요하다. 본 연구는, 먼저 이론적 분석을 통해 기존의 빛가둠 기술들을 일반화하고, 박막형 태양전지를 나노미터 규모의 박막층과 마이크로미터 규모의 기판으로 나누어 각각에 파동광학과 기하광학적 분석을 적용하는 전산모사 기법을 제안한다. 이같은 전산모사는 기존의 박막형 태양전지 연구에서 제안되었거나 본 연구를 통해 새롭게 제안하는 다양한 형태의 빛가둠 기술들에 적용되어 성능을 평가하는데 이용되었다. 박막형 태양전지의 빛가둠 기술 중 첫 번째로, 텍스쳐링 구조가 포함된 플라스틱 필름을 박막형 태양전지의 기판 위에 올리는 방법이 있다. 본 연구는 랜덤 텍스쳐링과 V-groove 텍스쳐링 구조를 제안하고, 이론 및 시뮬레이션을 통한 특성 평가와 실제 소자 제작을 통해 성능을 확인했다. 특히 V-groove 텍스쳐링은 기하학적 구조 최적화를 통해 높은 효율 향상을 나타내었으며, 6.47%의 광 변환 효율을 나타내는 은전극 기반 고분자 태양전지 소자에 적용한 결과 효율이 7.36%로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 마이크로 렌즈 배열 (MLA) 또는 복합 포물형 집광기 (CPC) 배열 등 집광기 배열을 이용한 빛가둠 기술을 제안한다. 집광기 배열을 박막형 태양전지의 위에 두면 입사광이 입구를 지나 기판 내부로 들어오는 반면, 반사된 빛은 집광기 사이의 거울 때문에 외부로 빠져나가지 못해 그만큼 광 흡수율이 증가한다. MLA를 이용한 기술의 경우 효율 증가는 크지만 빛의 입사각 변화에 예민하여 실제 응용에 어려운 점이 많다. 반면 CPC 배열을 이용한 복합 포물형 빛가둠 장치(CPT)는 연중 태양의 위치 변화에 맞게 허용각을 디자인하면, 시기에 상관없이 항상 일정한 수준의 빛가둠 효과를 유지할 수 있다는 장점이 있다. 태양전지 구조 자체에 변형을 가하지 않는 텍스쳐링이나 집광기 배열의 경우 허용 입사각 범위와 빛가둠 효과 사이에 트레이드 오프 관계가 있어 적절한 최적화가 필요하다. 반면, 태양전지 소자를 서로 마주보게 만드는 V자형 빛가둠 구조를 이용하면, 빛의 입사 면적에 대비하여 실제로 빛을 흡수하는 활성층의 면적이 넓어지고 이 경우 트레이드 오프 관계를 넘어서 높은 빛가둠 효과와 넓은 허용각 범위를 동시에 얻을 수 있다. 비슷한 원리로, 본 연구는 태양전지를 포물형으로 제작하여 서로 초점을 공유하게 마주보게 만든 쌍 포물형 빛가둠 장치(DPT)를 이상적 구조의 하나로 제안하는데, 이를 이용하면 수직 입사광에 대해 이론적으로 최대의 광흡수율을 얻을 수 있으며 빛의 입사각 변화에 대해서도 비교적 높은 성능을 나타낸다. 끝으로, 기하광학 빛가둠 기술들에 덧붙여, 파동광학을 이용한 빛가둠 기술의 하나로 나노미터 규모의 금속 격자구조를 포함한 박막형 태양전지 소자를 제안한다. 금속 격자구조를 태양광이 입사하는 방향에 구현하면 ITO 등 기존의 투명전극을 대체하는 것 뿐 아니라 최적화된 구조에서 광 흡수율도 올릴 수 있다. 또한 격자구조를 후면 반사전극 쪽에 구현하면 표면 플라스몬 효과를 이용하여 박막형 태양전지의 광 흡수율을 더욱 증가할 수 있다.
