차명회
(Myung Hoi Cha)
1iD
이택기
(Taeck Kie Lee)
2iD
백승재
(Seung Jae Baik)
†iD
-
(S-FOOD Co., Ltd., Korea.)
-
(School of Electronic and Electrical Engineering, Hankyong National University, Korea.
)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Solar cells, Perovskite solar cell, Climate change, SCAPS Simulation, Interfacial defects
1. 서 론
전 세계는 탄소배출 중립 및 온실가스 감축을 위해 파리 기후 협정에서는 2050년 까지 탄소배출 중립을 실현하기로 의결하였다. (1) 이에 전력 생산의 60%를 화석에너지로 생산하고 있어 탄소배출 중립 및 온실가스 감축을 위해서는 신재생에너지의 확대가 매우 중요하게 되었다. (2) 태양전지 종류는 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지 그리고 탠덤 태양전지로 구분되고 있으나, 태양전지 시장의 약 95%의 점유하고 있는 결정질
실리콘 태양전지는 효율적 한계에 직면하고 있다. 이러한 효율적 한계 극복이 가능한 차세대 태양전지로 불리고 있는 페로브스카이트(Perovskite,
PVSK) 태양전지는 2009년 Tsutomn Miyasaks 연구팀에서 최초로 보고되어 3.8%의 효율로 시작하여 현재 25.5%의 효율을 기록하여
차세대 태양전지로 각광받고 있다. (3) 페로브스카이트라는 말은 1839년 러시아의 우랄 산맥에서 Calcium Titanium Oxide(CaTiO3)를 처음 발견한 광물학자인 L.A.
Perovskite 이름에서 유래되었다. 페로브스카이트의 일반적인 구조는 ABX3의 구조를 가지며, A와 B는 양이온, X는 이들과 결합하고 있는
음이온으로 구성되어 있다. A양이온은 AX12로 12개의 X음이온과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하고, B양이온은 BX6로 6개의 X음이온과 팔면체
구조로 결합하고 있다. 이러한 구조를 이용한 페로브스카이트 태양전지 물질은 A양이온 자리에 유기물 양이온인 (메틸암모니움, MA:CH3NH3) 또는 포름아미디니움(FA:HC(NH2)2)를, B 양이온 자리에는 금속 양이온 (Pb2+ 또는 Sn2+)을, X 음이온 자리에는 할로겐 음이온 (CI- 또는 Br- 또는 I-)를 포함한 3차원 구조의 유무기 복합 물질로 구성되어 있다. 이러한 ABX3 구조에서의 다양한 페로브스카이트 물질들(MAPbBr3, MAPbI3, FAPbI3)의 밴드갭 에너지가 1.17eV ~ 2.3eV 정도로 낮기 때문에 태양전지 흡광 물질로서의 기능을 지니고 있다. (4) 그림 1은 페로브스카이트 태양전지 장치의 기본구조와 동작원리에 대해 도시하였으며, 두 전극 사이에 광 활성층으로 구성되며 공정상 전면전극, 광 활성층, 그리고
후면 전극이 유기기판에 순차적으로 증착된다. 가장 일반적으로 사용되는 투명전극 소재로는 FTO로 보통 유리기판 위에 증착되어 빛을 투과시키는 전면
전극 역할을 수행한다. 광 흡수층으로는 광전 변환 효율이 가장 우수한 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)화합물로 보편적으로 400nm에서 800nm 사이의 빛을 흡수하는 것으로 알려져 있다. 캐리어의 전달 물질은 적정한 에너지 준위를 갖는 금속 산화물이나
유기물질이 사용되며, 전자와 정공의 전달 물질로 가장 많이 사용되는 것은 TiO2(Electron Transport Layer: ETL)와 Spiro-OMeTAD (Hole Transport Layer: HTL) 이다. 기본 동작원리는
전면 전극을 통해 과한 빛이 광 흡수층에 흡수되어 전자 전공 쌍을 생성시키며, 전도대의 전자는 TiO2를 거쳐 전면 전극 쪽으로 가전자대의 정공은 Spiro-OMeTAD를 거쳐 후면전극으로 이동하여 외부로 추출된다.
그림. 1. 페로브스카이트 태양전지 장치의 기본구조와 동작원리
Fig. 1. Basic structure and operation principle of perovskite solar cell device
본 연구에서는 차세대 태양전지로 각광 받고 있는 페로브스카이트 태양전지를 SCAPS
TM 시뮬레이션을 이용하여 MAPbI
3 (FTO/TiO
2/MAPbI
3/Spiro-OMeTAD)구조에 TiO
2/MAPbI
3층과 MAP bI
3/Sprio-OMeTAD층에 Interface Layer(IL)을 도입하여 IL 결함 밀도가 페로브스카이트 태양전지의 효율에 미치는 영향과 외기온도에
따른 효율 온도계수를 분석 하였다. 보고된 문헌의 실제 장치와 비교하여 장치 시뮬레이션의 유효성을 확인하였으며, 장치 특성에 대한 흡수체 두께의 영향이
논의 되었으며, 이는 최적의 두께 범위가 존재함을 확인하였다. ETL/페로브스카이트/HTL 층이라는 두 개의 가상 IL이 장치 성능에 대한 IL 결함
밀도의 영향을 고려하기 위해 구성 모델을 도입하여 시뮬레이션 하였으며, ETL/페로브스카이트가 페로브스카이트/HTL보다 더 강한 영향을 미치는 것으로
확인되었다.
표 1. 페로브스카이트 태양전지 물성변수 (5)
Table 1. Simulation parameters of perovskite solar cells
|
Parameters
|
FTO
|
TiO2
|
IL1
|
Perovskite
|
IL2
|
Spiro-OMeTAD
|
|
Thickness ($\mu m$)
|
0.500
|
0.050
|
0.010
|
0.350
|
0.010
|
0.400
|
|
Acceptor density NA (cm-3)
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
3.00E+18
|
|
Donor density ND (cm-3)
|
2.00E+19
|
1.00E+16
|
1.00E+13
|
1.00E+13
|
1.00E+13
|
0
|
|
Bandgap energy ($e V$)
|
3.5
|
3.2
|
1.55
|
1.55
|
1.55
|
2.91
|
|
Electron affinity ($e V$)
|
4.0
|
4.0
|
3.9
|
3.9
|
3.9
|
2.2
|
|
Relative dielectric permittivity
|
9.0
|
100
|
6.5
|
6.5
|
6.5
|
3.0
|
|
Electron mobility (cm2/Vs)
|
2.00E+1
|
6.00E-3
|
2.00E+0
|
2.00E+0
|
2.00E+0
|
1.00E+-4
|
|
Hole mobility ((cm2/Vs))
|
1.00E+7
|
6.00E-3
|
2.00E+0
|
2.00E+0
|
2.00E+0
|
1.00E+-4
|
|
CB effective density of states (cm-3)
|
2.20E+18
|
2.20E+18
|
2.20E+18
|
2.20E+18
|
2.20E+18
|
2.20E+18
|
|
VB effective density of states (cm-3)
|
1.80E+19
|
1.80E+19
|
1.80E+19
|
1.80E+19
|
1.80E+19
|
1.80E+19
|
|
Electron thermal velocity (cm/s)
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
|
Hole thermal Velocity (cm/s)
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
1.00E+7
|
|
Defect density Nt (cm-3)
|
1.00E+15
|
1.00E+15
|
1.00E+(13~21)
|
1.00E+13
|
1.00E+(13~21)
|
1.00E+15
|
페로브스카이트 태양전지의 IL 계면에서의 트랩 밀도는 낮은 결함 밀도보다 높은 결함 밀도에서 더 많은 트랩과 재결합을 가져오고 이는 태양전지 성능을
저하시킨다. 결함 밀도가 높아 전하 캐리어의 계면 재결합이 일어나는 IL의 계면 트랩은 1차 재결합을 일으키지만 에너지로 인한 계면에서의 전하 축적은
ETL 또는 HTL의 장벽도 불안전한 전하의 이동 능력이 2차 재결합을 일으킨다. 재결합 손실은 개방전압(Voc) 뿐 아니라 단락전류(Jsc)에도
둘 다 영향을 미치고, 낮은 결합 밀도는 전하의 생성과 이동을 결정할 뿐 아니라 빛 흡수 효과에 큰 영향을 미치며, Interface 재료는 이러한
높은 결합 밀도에서 발생되는 문제 측면을 피하기 위해 신중하게 설계하여야 한다.
(5) 태양전지는 특히 고온날씨에 외기온도와 태양전지 패널의 온도가 상승됨에 따라 감소되는 효율의 온도계수는 BIPV(Building- Integrated
Photovoltaic, 건물 일체형 태양광)분야에 특히 중요하다. 현재 신재생에너지의 80%이상은 나대지 태양광 발전으로 운영되고 있으나, 나대지
태양광 발전의 비중이 점차 늘어나면서 환경오염 및 무분별한 자연훼손이 문제점으로 나타난다.
(6) 또 다른 운영방안으로 건물에 사용하는 BIPV 시스템이 보급되어 운영되어 지고 있으나
(7), 건물에 일체형으로 설치되다 보니 입사각도 그리고 태양전지의 통풍장치 등에 문제점이 나타나게 되었다. 따라서 밴드갭이 큰 페로브스카이트 태양전지는
온도가 상승될 때 마다 감소되는 효율의 온도계수 특성이 가장 낮기 때문에 BIPV 시스템에 적용할 경우 온도상승에 따른 효율을 시뮬레이션을 통해 비교해
보고자 한다.
2. SCAPSTM 시뮬레이션 조건 및 방법
SCAPSTM에 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조는 그림 2에 도시 된 것과 같으며, 각 소재의 물성변수는 표 1에 정리하였다. 그림 2에 도시된 페로브스카이트 태양전지 구조와 표 1에 물성변수를 살펴보면 오른쪽부터 첫 번째 파란색 영역인 0.5um 두께의 FTO(투명전극), 두 번째 파란색 영역인 0.05um 두께의 n형 TiO2(ETL),
세 번째 파란색 영역인 0.35um 두께의 n형 페로브스카이트 광 흡수층, 붉은색 영역인 0.4um 두께의 p형 Spiro-OMeTAD(HTL),
오른쪽 노란색 영역인 ETL/페로브스카이트 사이에 0.01$\mu m$ 두께의 계면을 두었으며 이것을 IL1로 정의 하였고, 왼쪽 노란색 영역인 페로브스카이트/HTL
사이에 0.01$\mu m$ 두께의 계면을 IL2라고 정의 하였다. 이 때 각 층의 도핑 프로파일은 균일한 것으로 가정하였고, 각 층의 밴드갭은 FTO는
3.5eV로 TiO2는 3.2eV로 페로브스카이트는 1.55eV로 Spiro-OMeTAD은 2.91eV로 IL1과 IL2는 1.55eV로 공지된 페로브스카이트의
파장별 광 흡수계수를 적용하였으며, 광 흡수층의 결함 밀도는 1013 cm-3으로 가정하였다. 그리고 광 흡수층의 반사 손실은 없는 것으로 가정하고 전면전극 및 후면전극과 태양전지와의 접합은 이상적인 오믹컨택 (Ohmic contact)으로
가정하였다. (5) 태양광의 스펙트럼은 AM 1.5G를 적용하였으며, TiO2/MAPbI3의 계면인 IL1과 MAPbI3/Spiro-OMeTAD의 계면인 IL2의 트랩밀도를
1013cm-3 ~ 1021cm-3까지 변경하고, 온도는 300K~350K까지 10K씩 변화를 가정하고 시뮬레이션 하였다. 이때 운용환경에 따른 출력 변화를 조사하기 위해 Total
electron density와 Total hole density, Generation과 Recombination, Energy band diagram,
Trapped electrons과 Trapped holes 시뮬레이션 데이터를 이용하여 변화되는 효율과 온도계수에 대한 특성을 비교하였다.
그림. 2. SCAPSTM에 적용한 페로브스카이트 태양전지의 구조
Fig. 2. Structure of perovskite solar cell applied to SCAPSTM
3. 결 과
3.1 계면 트랩밀도의 변화에 따른 시뮬레이션 결과
앞에서 설명한 시뮬레이션 구조들에 대하여 외기온도와 HTL/ 페로브스카이트 계면인 IL1과 페로브스카이트/ETL 계면인 IL2에 트랩밀도를 1013cm-3 ~ 1021cm-3로 변경한 시뮬레이션 결과들의 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충실도(FF), 광전효율(Efficiency)을 그림 3에 도시하였다. 외기온도가 300K이고 IL1 계면의 트랩 밀도가 1013cm-3으로 낮을 때 광전효율은 21.36%로 나타났으며, 계면의 트랩밀도가 1021cm-3로 높아지면 광전효율은 9.3%로 감소하게 된다. 계면의 트랩 밀도가 낮을 때와 높을 때의 광전효율을 비교하면 12%의 차가 나타나며, 계면의 트랩
밀도가 1017cm-3이상으로 높아지면 효율은 급격히 감소하는 것으로 나타난다. IL2 계면의 트랩 밀도가 1013cm-3으로 낮을 때는 광전효율이 IL1과 같이 21.36%로 나타나며, 계면의 트랩 밀도가 1021cm-3로 높아지면 광전효율은 12.61%로 감소하게 된다. IL2 계면의 트랩밀도가 낮을 때와 높을 때의 광전효율을 비교하면 8.7%의 차가 나타난다.
외기온도가 350K이고 IL1 계면의 트랩밀도가 1013cm-3으로 낮을 때 광전효율은 19.85%로 나타났으며, 계면의 트랩밀도가 1021cm-3로 높아지면 광전효율은 8.6%로 감소하게 된다. 계면의 트랩 밀도가 낮을 때와 높을 때의 광전효율을 비교하면 11.2%의 차가 나타나며, 외기온도가
300K일 때와 동일하게 계면의 트랩 밀도가 1017cm-3이상으로 높아지면 광전효율은 급격히 감소하는 것으로 나타난다. IL2 계면의 트랩밀도가 1013cm-3으로 낮을 때는 광전효율이 IL1과 같이 19.85%로 나타나며, 계면의 트랩 밀도가 1021cm-3로 높아지면 광전효율은 10.08% 감소하게 된다. 계면의 트랩 밀도가 낮을 때와 높을 때의 광전효율을 비교하면 9.7%의 차가 나타난다. IL1
계면 트랩 밀도가 1017cm-3 이상이 되면 효율, 충실도, 단락전류가 급격히 감소하게 되는데 IL1 계면에서의 전자와 정공의 생성과 재결합 그리고 전체 밀도를 그림 4와 그림 5그리고 그림 6에 도시하였다. 계면에서의 재결합율은 트랩 밀도가 작을 때보다 트랩 밀도가 높아질수록 재결합율이 높아진다. 이는 페로브스카이트 광 흡수층에서 전자와
전공의 전체 밀도가 낮아지게 됨에 따라 효율이 감소하게 되는데 1017cm-3부터 재결합율이 증가하여 전자와 정공의 전체 밀도가 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그림 10에 IL1 계면 트렙 밀도에 따른 에너지 밴드를 도시한 것을 보면 계면에서의 트랩 밀도가 높아지면 에너지 장벽도 높아져 전자의 이동이 원활하지 못해
재결합이 증가하고 정공은 트랩 밀도가 낮을 때 밴드 평탄화 했던 것과는 다르게 트랩 밀도가 높아지면서 약간의 굴곡이 생겨 정공이 원활히 흐르지 못해
이러한 과정에서 정공이 굴곡진 곳에 머무르다 보니 계면에서의 재결합율이 증가되어 전체 전자와 정공의 밀도가 감소되는 것으로 나타난다.
그림. 3. IL 트랩 밀도와 온도(300K, 350K) 변화에 따른 태양전지 출력 파라미터. (a) IL1, (b) IL2, Voc(개방전압),
Jsc(단락전류), FF(충실도), Efficiency(효율)
Fig. 3. Solar cell output parameters according to IL trap density and temperature
(300K, 350K) change. (a) IL1, (b) IL2, Voc(Open Circuit Voltage), Jsc(Short Circuit
Current), FF(Fill Factor), Efficiency(Efficiency)
그림. 4. IL1 전자와 정공의 생성 및 재결합. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, R(생성), Nt(트랩밀도)
Fig. 4. IL1 Creation and recombination of electrons and holes. (a) 300K environment,
(b) 350K environment, R(Recombination), Nt(Trap density)
그림. 5. IL1 (a) 전체 전자의 밀도, (b) 전체 정공의 밀도 (300K 환경), Nt(트랩밀도)
Fig. 5. IL1 (a) total electron density, (b) total hole density (300K environment),
Nt(Trap density)
그림. 6. IL1 (a) 전체 전자의 밀도, (b) 전체 정공의 밀도 (350K 환경), Nt(트랩밀도)
Fig. 6. IL1 (a) total electron density, (b) total hole density (350K environment),
Nt(Trap density)
그림. 7. IL2 전자와 정공의 생성 및 재결합. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, R(생성), Nt(트랩밀도)
Fig. 7. IL1 Creation and recombination of electrons and holes. (a) 300K environment,
(b) 350K environment, R(Recombination), Nt(Trap density)
그림. 8. IL2 (a) 전체 전자의 밀도, (b) 전체 정공의 밀도 (300K 환경), Nt(트랩밀도)
Fig. 8. IL2 (a) total electron density, (b) total hole density (300K environment),
Nt(Trap density)
그림. 9. IL2 (a) 전체 전자의 밀도, (b) 전체 정공의 밀도 (350K 환경), Nt(트랩밀도)
Fig. 9. IL2 (a) total electron density, (b) total hole density (350K environment),
Nt(Trap density)
그림. 10. IL1 트랩 밀도 변화에 따른 에너지 밴드 다이어그램. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, Ec(전도대), Ev(가전자대),
Nt(트랩밀도)
Fig. 10. Energy band diagram as a function of IL1 trap density change. (a) 300K environment,
(b) 350K environment, Ec(Conduction band), Ev(Valence band), Nt(Trap density)
그림. 11. IL2 트랩 밀도 변화에 따른 에너지 밴드 다이어그램. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, Ec(전도대), Ev(가전자대),
Nt(트랩밀도)
Fig. 11. Energy band diagram as a function of IL2 trap density change. (a) 300K environment,
(b) 350K environment, Ec(Conduction band), Ev(Valence band), Nt(Trap density)
3.2 온도에 따른 시뮬레이션 결과
태양전지 효율에 영향을 미치는 기상요소에는 일사량, 일조시간, 운량, 외기온도, 풍속 등이 있으며, 다른 태양광 발전 장치와 마찬가지로 MAPbI3 기반 태양전지는 온도에 민감하며, 계면의 결함과 외기온도의 상승은 페로브스카이트 태양전지 효율 감소에 큰 영향을 미치는 요인 중에 하나이고, 장기적인
운영 방법에서는 발전량에도 영향을 미친다. (8)(9) 결정질 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 개방전압이 크고 단락전류가 작은 페로브스카이트 태양전지는 다른 태양전지에 비해 외기온도가 상승되면서 감소되는
태양전지의 효율이 적어 온도계수가 작게 나타난다. 개방전압의 감소는 태양전지 효율 감소로 나타나며, 외기 온도가 증가하면 밴드 갭이 줄어들고 역 포화전류에
반비례 관계에 있기 때문에 포화전류가 증가하여 개방전압이 감소한다. 또한 전류의 증가량을 미미한 수준으로 유지되며 개방전압의 감소량이 큰 폭으로 감소하기
때문에 태양전지 전체 효율은 현저히 감소하게 된다. (10) 외기온도와 계면 트랩 밀도에 따라 변화되는 광전 효율은 그림 12에 도시 하였고, 온도계수는 그림 13에 도시하였다. 외기온도가 300K이고 IL1 계면 트랩 밀도가 1013cm-3으로 낮을 때 광전효율은 21.36%로 나타나며, 온도가 10K씩 상승될 때마다 광전효율은 평균 0.30%씩 감소한다. 계면 트랩 밀도가 1017cm-3일 때 광전효율은 16.29%로 나타나며, 외기온도가 10K씩 상승될 때 마다 광전효율은 평균 0.17%씩 감소하며, 계면 트랩 밀도가 1021cm-3일 때는 광전효율이 9.34%로 나타나며, 외기온도가 10K씩 상승될 때 마다 광전효율은 평균 0.14%씩 감소한다. IL1 계면에서의 온도계수 특성은
계면 트랩 밀도가 낮을 때 보다 높을 때가 온도가 상승될수록 감소되는 온도계수가 적게 나타난다. IL2 계면 트랩 밀도가 1013cm-3으로 낮을 때 광전효율은 21.36%로 나타나며, 온도가 10K씩 상승될 때마다 광전효율은 평균 0.30%씩 감소하는데 이는 IL1과 동일한 결과가
나타났다. 계면 트랩 밀도가 1017cm-3일 때 광전효율은 18.35%로 나타나며, 외기온도가 10K씩 상승될 때 마다 광전효율은 평균 1.00%씩 감소하며, 계면 트랩 밀도가 1021cm-3일 때는 광전효율이 12.61%로 나타나며, 외기온도가 10K씩 상승될 때 마다 광전효율은 평균 0.36%씩 감소한다. IL2 계면에서의 온도계수
특성은 IL1과는 반대로 온도가 상승되고, 계면 트랩 밀도가 높아질수록 온도계수는 증가하는 것으로 나타났다. 외기온도와 계면 트랩 밀도가 태양전지
효율에는 IL2 계면에서는 트랩 밀도가 1017cm-3일 때 온도계수가 다른 트랩 밀도에 비해 상대적으로 높게 나타나는 것이 특징이다.
계면 트랩 밀도와 외기온도에 따른 암전류-전압 및 광전류-전압 특성 곡선을 그림 14와 그림 15에 도시 하였다. 첫 번째로 IL1에 대한 암전류-전압 및 광전류-전압 특성 곡선을 보면 계면에 트랩 밀도가 높아질수록 Voc는 감소하고, Jsc에
감소는 트랩 밀도가 1017cm-3이상이 되면 Jsc와 Voc가 같이 감소하게 된다. 이에 반해 IL2에 대한 암전류-전압 및 광전류-전압 특성 곡선을 보면 계면에 트랩 밀도가 높아질수록
Voc만 감소하게 되는 것으로 나타나며, IL1과는 다르게 Jsc의 감소폭은 거의 나타나질 않는다. 트랩 밀도가 높아질수록 Voc와 Jsc의 감소가
나타나는 IL1은 IL2에 비해 효율에 더 영향을 미치는 것으로 나타난다. IL2 계면의 트랩밀도가 1017cm-3일 때 다른 트랩 밀도에 비해 온도가 상승될수록 효율이 급격히 감소하는 것으로 나타난다. IL2의 트랩 밀도가 1017cm-3 일 때 다른 트랩 밀도와 비교해 보면 암전류-전압 및 광전류-전압 특성곡선이 다른 트랩 밀도에 비해 굴곡이 나타나게 되는 것을 볼 수 있다. IL2
트랩 밀도가 1017cm-3 일 때 암전류-전압 및 광전류-전압 특성곡선에 굴곡이 발생되는 것을 트랩 된 전자와 정공의 양 그리고 전제 전자와 정공의 양으로 비교하기 위해 그림 16과 그림 17에 IL1과 IL2 트랩 밀도에 따른 트랩 된 전자와 정공의 양 그리고 전체 전자와 정공의 양을 도시하였다. 300K에서 IL2 계면에 트랩 된 양을
트랩 밀도에 따라 비교해 보면, 트랩 밀도가 1013cm-3 으로 낮을 때는 트랩 된 전자의 양이 정공의 양보다는 높게 나타나며, 트랩밀도가 높아져 1021cm-3 이 되면 트랩 된 전자의 양보다 정공의 양이 높아지는 것으로 나타난다. 특히 1017cm-3 계면과 광 흡수층에 트랩 된 정공 공핍층 (Hole depletion layer) 이 다른 트랩 밀도의 정공 공핍층 보다 두껍게 나타나 광 흡수층에서
전체 정공의 양이 감소되어 나타나는 것으로 보인다. IL1과 IL2 계면에서의 트랩 밀도와 온도에 따른 광전 효율을 비교하면 IL1보다 IL2의 광전
효율이 온도가 상승되면 적게 감소하는 것으로 나타나며, IL1은 온도가 상승되면 Voc와 Jsc가 동시에 감소되어 광전 효율이 IL2 보다는 크게
감소한다. 온도계수는 IL1이 IL2보다는 온도계수 특성이 낮으며, 두 계면 모두 트랩 밀도가 낮을 때 보다는 높을 때가 온도계수가 낮게 나타나는
것이 특징이다.
그림. 12. 계면 트랩 밀도(Nt)와 외기온도에 따른 효율. (a) IL1 (b) IL2
Fig. 12. Efficiency according to interfacial trap density and ambient temperature.
(a) IL1 (b) IL2, Nt(Trap density)
그림. 13. 계면 트랩 밀도와 외기온도에 따른 온도계수.
Fig. 13. Temperature coefficient according to interfacial trap density and ambient
temperature.
그림. 14. IL1 계면 트랩 밀도에 따른 암전류-전압 및 광전류-전압 특성곡선. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, Nt(트랩밀도),
VMPP(최대출력전압)
Fig. 14. Dark current-voltage and photo current- voltage characteristic curves according
to IL1 interfacial trap density. (a) 300K environment, (b) 350K environment, Nt(Trap
density), VMPP(Maximum power voltage)
그림. 15. IL2 계면 트랩 밀도에 따른 암전류-전압 및 광전류-전압 특성곡선. (a) 300K 환경, (b) 350K 환경, Nt(트랩밀도),
VMPP(최대출력전압)
Fig. 15. Dark current-voltage and photo current- voltage characteristic curves according
to IL2 interfacial trap density. (a) 300K environment, (b) 350K environment, Nt(Trap
density), VMPP(Maximum power voltage)
그림. 16. 300K 환경에서 IL1, IL2 계면 트랩 밀도에 따른 트랩 된 전자와 정공. (a) IL1 트랩 된 전자 (b) IL1 트랩 된
정공 (c) IL2 트랩 된 전자 (d) IL2 트랩 된 정공, Nt(트랩밀도)
Fig. 16. Trapped electrons and holes according to IL1, IL2 interfacial trap density
in 300K environment. (a) IL1 Trapped electrons (b) IL1 Trapped holes (c) IL2 Trapped
electrons (d) IL2 Trapped holes, Nt(Trap density)
그림. 17. 350K 환경에서 IL1, IL2 계면 트랩 밀도에 따른 트랩 된 전자와 정공. (a) IL1 트랩 된 전자 (b) IL1 트랩 된
정공 (c) IL2 트랩 된 전자 (d) IL2 트랩 된 정공, Nt(트랩밀도)
Fig. 17. Trapped electrons and holes according to IL1, IL2 interfacial trap density
in 350K environment. (a) IL1 Trapped electrons (b) IL1 Trapped holes (c) IL2 Trapped
electrons (d) IL2 Trapped holes, Nt(Trap density)
4. 결 론
본 연구에서는 FTO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD 의 구조를 갖는 페로브스카이트 태양전지의 IL1과 IL2 계면에서의 트랩 밀도에 따른 광전 효율과 온도계수를 SCAPSTM 시뮬레이션을 이용하였다. MAPbI3 기반의 n-i-p 구조 페로브스카이트 태양전지를 모델링하여 계면의 트랩 밀도와 온도를 변화하여 페로브스카이트의 광 흡수층의 전자와 정공의 재결합율,
전체 전자와 정공의 밀도, 트랩 된 전자와 정공, 에너지 밴드를 이용하여 효율 변화와 온도계수를 확인 하였다. 시뮬레이션 결과 계면에서의 트랩 밀도에
따른 효율은 IL1 계면에서의 트랩밀도가 IL2 계면에서의 트랩 밀도보다 페로브스카이트 태양전지 효율 감소에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
특히, 계면 트랩 밀도가 높아질수록 계면에서의 에너지 장벽이 높게 발생하며 전자와 정공의 재결합율이 증가하고 계면에 트랩된 전자와 정공이 증가 하여
페로브스카이트 광 흡수층에 전체 전자와 정공의 밀도가 감소하여 페로브스카이트 태양전지 성능 저하에 영향을 미치게 된다. 계면에서의 트랩 밀도가 낮을
때 보다 높을 때가 고온 환경일수록 감소되는 효율의 온도계수가 적은 것으로 나타났으며, IL1보다는 IL2 계면에서의 온도계수가 더 큰 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 SCAPSTM를 이용한 페로브스카이트 계면인 ETL/페로브스카이트(IL1) 그리고 페로브스카이트/HTL (IL2)에서 발생할 수 있는 전자와 정공의 재결합율을
감소시켜는 연구에 활용할 것이며, 건축물과 BIPV 시스템에 적용할 수 있도록 태양전지 모듈 제작 시 외기온도에 따른 온도계수를 적용하여 분석에도
활용 가능할 것으로 기대된다.
References
Ick-June Yoon, May 2017, Issues and Prospects of the Paris Agreement, Han Yang Law
Association, Vol. 28, No. 2, pp. 122-123
F. N. Najm, Dec 1994, A Survey of Power Estimation Techniques in VLSI Circuits, IEEE
Trans. on VLSI Systems, pp. 446-455
Seongtak Kim, Soohyun Bae, Younghun Jeong, Dong-woon Han, Donghwan Kim, Chan Bin Mo,
Feb 2022, Numerical Analysis on Thermal-Induced Degradation of n-i-p Structure Perovskite
Solar Cells Using SCAPS-1D, pp. 16, KPVS
Hyungki Seo, 2017, A new paradigm solar cell using perovskite structure, NICE, Vol.
35, No. 2, pp. 203-204
Kai Tan, Peng Lin, Gang Wang, Yan Liu, Zongchang Xu, Yixin Lin, Sep 2016, Controllable
design of solid-state perovskite solar cells by SCAPS device simulation, SSE, pp.
75-80
S. E. Jung., J. W. Jung., H. S. Kim., Y. H. Bae., Mar 2019, Problems and Future Directions
of Domestic Floating Solar Power Generation Facilities, KWRA=Water for future, pp
17, Vol. 52, No. 3
Eung-Jik Lee, Feb 2021, A Review of the Current Status and Examples of Color Type
BIPV Design-Mainly in Switzerland, KSES, Vol. 41, No. 1, pp. 94-96
Zhang Hua, Qiao Xianfeng, Shen Yan, Wang Mingkui, Sep 2015, Effect of temperature
on the efficiency of organometallic perovskite solar cells, JEC, Vol. 24, pp. 729-735
Zhou Qian, Wang Boxing, Meng Rui, Zhou Jiyn, Xie Shenkun, Zhang Xuning, Wang Jianqiu,
Yue Shengli, Qin Bing, Zhou Huiqiong, Zhang Yuan, Apr 2020, Understanding Temperature-
Dependent Charge Extraction and Trapping in Perovskite Solar Cells, Wiley-VCH, Adv.
Funct. Mater. 2020, 30, 2000550
Da-Eun Yun, Hyeong-Dong Park, Sang-Nam Lee, Yong-Heack Kang, Apr 2017, Empirical Analysis
on the correlation Between Mono-crystalline Si Photovoltaic Module Temperature and
Irradiance and Ambient Temperature in Seoul Area, KSMER, Vol. 54, No. 2, pp. 139-148
저자소개
2020. 2. Bachelor of Engineering, Department of Mechatronics, Hankyong National University
2022. 2. Master of Engineering. School of Electrical and Electronic Engineering
2015. 8.~present, Manager in S-FOOD Co.
1987. Bachelor of Engineering
1989. Master of Engineering
1993. Doctor of Engineering, all from Department of Electrical Engineering, Hanyang
University
1994. 3.~1996. 8. Seonam University Department of Electrical Engineering Full-time
Instructor.
2010. 2.~2011. 1. Research professor in Sungkyunkwan University
2018. 2.~2019. 1. University of Colorado Denver Visiting Scholar.
2020. 1.~2022. 12. President of Korean Institute of Power Electronics
1996. 9.~present, Professor in Hankyong National University
1994. 2. Bachelor of Engineering
1996. 2. Master of Engineering
2001. 8. Doctor of Engineering, all from Department of Electrical Engineering, KAIST
2001. 9.~2009. 8. Principal engineer in Samsung Electronics Co.
2009. 9.~2012. 2. Research professor in KAIST
2012. 3.~present, Professor in Hankyong National University