파장이하 주기를 갖는 V형태 플라즈모닉 태양전지의 광흡수 특성 해석을 위한 유효 매질 모델의 제안 및 응용

Abstract

태양전지의 효율을 얻기 위한 과정은 크게 두 가지 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째는 구조의 흡수 물질로의 광흡수, 두 번째는 흡수된 광을 이용한 광-전 변환 과정이다. 첫 번째 과정인 광흡수 효율 극대화를 위해서는 물질 표면으로 입사된 빛을 흡수 물질로 잘 전달할 수 있도록 재료의 광학적 성질을 이용하여 구조적 설계를 잘하는 것이 중요하다. 두 번째 과정인 광-전 변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수로 생성된 전자, 정공을 양극으로 잘 전달할 수 있도록 재료의 반도체적 성질을 이용하여 접합부의 에너지 레벨 설계를 잘 하는 것이 중요하다. 하지만 두 번째 과정에 대한 연구는 첫 번째 과정에 의한 결과 구조물에 의존하여 문제를 재설정해야 하므로, 높은 광흡수 효율을 얻을 수 있는 구조의 선행적 정의가 총체적인 태양전지 연구의 방향 설정에 있어서 중요하다. 실제로, 최근의 태양전지 연구 동향을 보면 광흡수 효율을 높일 수 있는 구조 설계에 관련된 연구가 큰 비중으로 진행되고 있는 것을 알 수 있다. 하지만 대부분 정량적인 방법의 나열식 연구가 많이 진행되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 광학적 관점에서 구조의 광흡수 문제에 초점을 맞추고, 정성적인 방법으로 흡수와 손실이라는 두 가지 메커니즘의 원인 분석 및 해결 방안에 대한 연구를 진행하였다. 흡수층에는 비결정질 실리콘을 사용하고 반사층에는 은을 사용하여, 반사 효과 및 표면 플라즈몬 효과로 광 경로를 증가시켜 높은 광흡수율을 얻을 수 있는 박막형 플라즈모닉스 태양전지를 기반으로 하였다. V형태 모양을 갖는 파장 한계 크기의 주기를 갖는 구조를 구현하여 특성 분석을 위해 유효매질 이론을 적용하였다. 정확한 분석을 위해 금속층의 투과 깊이를 고려하여 이론을 수정하고, 흡수, 반사, 금속 손실의 메커니즘을 해석하였다. 끝으로, 반사, 금속 손실을 줄여서 흡수 물질로의 광흡수를 증가시킬 수 있는 방안을 모색하였다.

A process of solar cells to get efficiency can be roughly divided into two steps. First step is light absorption by a structure, and second step is process to convert photons from absorbed light sources to electrons. For the first step to maximize light absorption efficiency, it is important to design a structure to make incident light sources propagating from surface to inside the structure by using optical properties of materials. For the second step to enhance photon to electron conversion efficiency, it is important to design energy level system of junctions which makes electron-hole pairs from photons propagate to electrodes by using semiconducting properties of materials. However, to do the second step research, since it depends on the results of the first step research, we have to redefine a research direction. Therefore it is important to pre-define a structure which can get high light absorption efficiency to set general research direction of solar cells. Recent trends show that researches to design a structure with enhanced light absorption efficiency are great importance of solar cells research topics. However, quantitative methods based research like list fragments have been mostly done. In this paper, we focus on a light absorption problem from an optical point of view, analyse and prove mechanism of absorption and loss based on qualitative methods. We use amorphous silicon in active layer, and silver in reflecting layer to enhance light propagation length in the suggested structure by the effects of reflection and surface plasmon polaritons. This type of solar cells is called thin film plasmonic solar cells, candidate of third generation solar cells. We design V shaped subwavelength periodic structure, and apply effective medium theory to analyse the structure. To analyse precisely, we correct that theory with considering penetration depth of metallic layer, and analyse mechanism of absorption, reflection, and metallic loss. At the end, we seek methods which can enhance light absorption to the active layer of solar cells by reducing reflection and metallic loss properties of the structure.