Study on Highly Efficient Flexible Solar Cells based on Compound Semiconductor with Multi-Functional Optical Structures

Abstract

Recently, flexible, and light-weight thin film solar cells have been underactive investigation as demand for electrical vehicles, unmanned aerial vehicles, and portable electrical devices have extremely increased. However, flexible solar cells exhibit lower power conversion efficiency (PCE) that that of solar cell based on rigid substrate. Also, optical structure realized on rigid substrate for suppressing optical losses unusable on the flexible solar cells. To improve the PCE of the flexible solar cells, investigation for flexible optical structure, which is able to apply on the flexible solar cells, is essential. In this thesis, “interface engineering techniques” as a platform technology to improve the performance of the flexible solar cells were developed. Based on these techniques, “the organic/inorganic hybrid solar cell” and “micro/nano-structured polymer film” were developed to improve the light absorption of the flexible solar cell. Firstly, as a platform technology to improve the performance of the flexible solar cell, partial electrolyte (PE) treatment was designed. Using the PE treatment, we success in surface doping of the Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cell. The surface doping substantially improved the quality of the CdS/CIGS interface, which resulted in an order of magnitude lower dark current and the 3.0% enhanced PCE of the PE-treated CIGS thin film solar cells, as compared with those of a conventional solar cell fabricated without PE-treatment. To improve the junction quality of the Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) thin film solar cell, secondary phases formed at surface of CZTSSe were effectively suppressed by adjusting the ratio of S/(S+Se). As a result, the best PCE of 6.2%, Voc of 0.43 V, Jsc of 31.1 mA/cm2, and fill factor of 45.5% were achieved when the S/(S+Se) ratios at the surface and in bulk are 0.32 and 0.17, respectively. Secondly, to overcome the parasitic absorption of ultraviolet (UV) light in the transparent conductive oxide (TCO) layer of flexible CIGS thin film solar cells, a CsPbBr3 perovskite nanocrystal based luminescent down-shifting (LDS) layer was integrated on CIGS solar cells fabricated on a stainless steel foil. By minimizing the parasitic absorption in the TCO layer, the external quantum efficiency (EQE) of the CIGS solar cell with the LDS layer is highly improved in the UV wavelength range between 300 and 390 nm. Additionally, in the wavelength range between 500 and 1100 nm, the EQE is improved since the surface reflectance was reduced. The and PCE of the flexible CIGS solar cell integrated with the CsPbBr3 perovskite are improved by 4.5% compared with the conventional CIGS solar cell without the CsPbBr3 perovskite LDS layer. Lastly, a nanostructured micro-prism array (MPA) was integrated onto a flexible solar cell to minimize optical losses from surface reflection and the metal grid. The MPA structure redirects light that is incident on metal grid into neighboring areas to improve the light harvesting efficiency. The nanoscale sub-wavelength structures (SWSs) minimize the surface reflection at the surface of the devices. Combining the technical advantages of these two structures, the PCE of CIGS and GaAs based flexible solar cell were improved by 5.7% and 7.0%, respectively, compared to conventional solar cell without optical structures.|전기차, 무인 비행체, 휴대용 전자기기에 대한 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 유연하고 가벼운 태양전지의 연구개발이 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 하지만 유연 태양전지는 단단한 기판에 비해 태양전지보다 효율이 낮을 뿐만 아니라 기존에 사용됐던 단단한 기판의 광학 구조를 더 이상 사용할 수 없다. 따라서 유연 태양전지에 적용 가능하면서도 광 흡수를 개선할 수 있는 유연 광학 구조에 대한 연구는 필수적이다. 본 학위 논문에서는 인터페이스 엔지니어링 기술 기반의 “유연 태양전지 제작 플랫폼 기술”을 개발했으며, 이를 기반으로 유연 태양전지의 광 흡수를 향상시킬 수 있는 “유∙무기 하이브리드 태양전지” 및 “마이크로/나노 구조가 구현된 유연 광학 필름”를 개발했다. 첫 번째로, 유연 태양전지 제작 플랫폼 기술로는 Partial electrolyte treatment를 이용해 표면 도핑에 성공했으며, 이를 통해 CIGS 흡수층과 버퍼층의 밴드 얼라인을 최적화했다. 결과적으로 접합 특성이 개선되어 암 전류를 40배 감소시켰고 14.1%의 전력변환효율을 달성했다. 또한 CZTSSe 흡수층 표면의 조성비를 조절해 표면에서 발생하는 이차상의 형성을 효율적으로 억제시켰다. 결과적으로 벌크과 표면에서의 S/(S+Se) 비율을 각각 0.17과 0.32로 최적화 했으며, 개방전압은 0.38 V에서 0.43 V로, 전력변환 효율은 3.4%에서 6.2%로 향상시켰다. 두 번째로, CIGS 유연 태양전지의 경우 자외선을 흡수할 수 없는 치명적인 문제를 갖고있다. 이를 해결하기 위해 자외선을 가시광선으로 변환시키는 페로브스카이트 형광체를 유연 CIGS 태양전지 상부에 증착해 “페로브스카이트/CIGS 하이브리드 유연 태양전지”를 개발했다. 하이브리드 유연 태양전지는 자외선도 흡수 할 수 있을 뿐만 아니라, 무반사층의 역할도 동시에 수행할 수 있도록 설계해 유연 태양전지의 광 흡수를 증폭시켰다. 그 결과 기존CIGS 유연 태양전지 대비 5.8%의 단락전류 상승과 6.3%의 전력변환효율을 향상시켰다. 세 번째로, 유연 태양전지 모듈에서 발생하는 주요 광 손실은 표면 반사 손실과 전면 전극에서의 반사 손실인데, 두 가지 광 손실을 동시에 해결할 수 있는 “마이크로/나노 구조가 구현된 유연 광학 필름”을 개발했다. 마이크로 구조는 전극으로 입사하는 빛을 옆의 활성영역으로 굴절시키는 역할이며 나노 구조는 표면 반사를 줄이기 위한 무반사 구조이다. H/S-PDMS 스탬핑 공정을 통해 마이크로 구조와 나노 구조를 동시에 전사하는데 성공했다. 구현된 마이크로/나노 구조를 CIGS 유연 박막 태양전지와GaAs 유연 태양전지에 집적해 표면 반사와 전면 전극의 반사로 인한 광 손실을 극복했으며, 결과적으로 CIGS 유연 박막 태양전지와GaAs 기반 유연 태양전지는 각각 기존 대비 5.7%, 6.9%의 효율이 향상되었다.