태양전지 시스템의 광학설계를 위한 전산모사 알고리즘 및 기법에 관한 연구
A study on simulation algorithm and technique for optical design of solar cell system
- 주제(키워드) 태양전지 , 전산모사 , 알고리즘 , 광학설계
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000047112
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작원 보호를 받습니다.
초록/요약
태양광 발전 시스템내의 태양전지 모듈의 흡수 광량 계산을 위한 기존의 근사적인 시뮬레이션 기법의 한계를 극복하기 위한 새로운 전산모사 알고리즘 및 기법에 관한 연구를 수행하였다. 태양광 발전 시스템내의 태양전지 모듈의 흡수 광량 계산에 필요한 광학적 이론들과 수치 해석적인 접근 방법들을 기술하였다. 태양광 발전 시스템내의 태양전지 모듈의 흡수 광량 계산을 위한 기존의 근사적인 해석 방법들에 대해서 살펴보고, 정확성을 높이기 위한 새로운 전산모사 알고리즘과 기법에 대해서 기술하였다. 잘 알려진 박막형 태양전지 구조를 가지고 이론적인 계산 결과와 광선 추적 기법에 파동광학 이론을 적용한 새로운 전산모사 알고리즘을 적용하여 계산한 결과를 비교하여 새로운 전산모사 알고리즘의 정확성을 검증 하였다. 또한 박막형 태양전지 구조내의 산란 특성을 가지는 층에 대한 파동 광학적인 계산결과에 가중치를 적용하여 근사하는 기존의 기법에 대해서 설명하고 광선 추적 과정에 파동 광학적인 특성과 산란 표면특성을 동시에 고려할 수 있는 새로운 전산모사 기법에 대해서 기술하였다. c-Si 태양전지의 효율을 높이기 위한 텍스쳐링(texturing) 기법에 대하여 소개하고 이를 전산적으로 모델링하는 기존의 방법들을 살펴보고, 대면적에 대해서 정확한 전산모사가 가능한 새로운 3차원 슬랩(slab) 알고리즘에 대해서 기술하였다. 또한 여러 가지 조건의 에칭을 통해서 형성된 c-Si 샘플들을 가지고 3차원 슬랩(slab) 알고리즘을 이용한 전산모사 결과와 광학적인 측정 결과를 비교하는 방법으로 제안한 알고리즘의 정확성을 검증하였다. 화학적 식각(chemical etching)에 의해서 텍스쳐링(texturing)된 c-Si 의 표면 구조를 단위 형상의 크기와 밀도로 정량화 하고 흡수 광량에 기여하는 정도를 전산모사와 광학실험 방법을 이용하여 단위 형상의 크기와 밀도 사이의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 텍스처링(texturing)된 단위 형상의 크기 변수 보다 밀도 변수의 영향이 지배적이라는 사실을 밝혔다. 기하광학과 파동광학이론을 함께 적용 해야만 하는 몇 가지 태양전지 시스템을 가정하고 흡수 광량의 최대화를 위한 최적화 작업을 수행하여 새로운 방식의 태양전지 구조를 제안 하였다.
more초록/요약
Solar cells, especially thin film solar cells, utilize rough surfaces actively in order to improve light trapping efficiency. In this study, we propose a new optical simulation method, which is capable of taking into consideration the realistic surface and interface morphology. The proposed simulation algorithm is based upon a non-sequential ray tracing technique, and direct calculation of the optical absorption energy is performed by separating the light passing through medium into the coherent part and the incoherent part in the course of non-sequential ray tracing throughout the whole region of solar cell structure. It was shown that the new method can give more accurate estimation of the absolute absorption energy in the individual layer when applied for a thin film Si solar cell structure with rough surface of bidirectional scattering distribution function. Furthermore, the proposed algorithm was proved to be very effective in analyzing solar cells with complex geometry like concentrator photovoltaic system, which necessitates the combination of coherent and incoherent calculation. The effects of the size and density of a pyramidal texture, as formed on the surface of Si solar cells to increase the light trapping efficiency, on the optical reflectance and absorptance were examined by comparing simulation results and experimental observations. A ray tracing algorithm capable of the direct calculation of the absorbed energy in active Si was utilized for the simulation. The simulation results showed that the optical reflectance spectra, i.e., the absorptances, of the textured surface with a fixed density of pyramids were not affected by the pyramid pitch, whereas the spectra with varying density of pyramids decreased with an increase in the density of the pyramids. Observations similar to the simulation results were observed from the experimentally textured surfaces, indicating that the density of the pyramid area, i.e., the area of the flat region, is the most crucial factor affecting the optical behavior of a textured Si surface with three-dimensional pyramid patterns. We propose a new Si photovoltaic cell structure, in which Si grids are formed and reflectors are positioned in between. The optical absorption efficiency of the proposed cell structure was analyzed by making comparison with simple Si cells with flat and textured surfaces. It was shown that the proposed grid-type cell structure could yield improvement in absorption efficiency per unit Si volume as high as 91% when compared to the typical Si cells with pyramidal surface texturing.
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