KR100350861B1 - 태양전지의특성을측정하기위한측정방법및장치 - Google Patents
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Abstract
태양 전지의 수광면의 선정된 영역이 조사되어, 전압 대 전류 특성이 측정된다. 조사되지 않은 나머지 수광면은 암 영역이라 한다. 다음에, 수광면이 조사되지 않은 암 상태에서, 태양 전지의 암 특성이 측정된다. 이와 같이 얻어진 암 특성에 수광면의 면적에 대한 암 영역 면적의 비가 승산됨으로써, 암 영역의 암 특성이 계산된다. 다음에, 측정된 전압 대 전류 특성과 암 영역의 암 특성 간의 특성차가 계산된다. 이 특성차에 조사된 부분의 면적에 대한 수광면의 면적의 비가 승산됨으로써, 수광면의 전체 면적이 한 번에 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 태양 전지의 전압 대 전류 특성이 얻어진다.
Description
본 발명은 태양 전지의 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히 광원에 의해 조사되는 면적보다 넓은 감광 면적을 갖는 태양 전지의 광전 변환 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 방사성 오염과 지구 온난화 같은 환경적인 문제점을 발생시키기 않고, 또한 태양광은 지구상의 어느 영역에서나 일정한 지역적 편차를 가지며, 복잡하고 대형화된 설비없이 비교적 큰 발전 효율이 실현되기 때문에, 전력에 대한 수요 증가를 충족시키면서 환경을 오염시키지 않는 청정 발전 방법으로서 부각되고 있다. 따라서, 그 실용화를 위해 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있다.
태양 전지의 연구 및 개발 시에는, 태양 전지의 제조 기술뿐만 아니라 제조된 태양 전지의 출력 특성을 평가하기 위한 기술도 매우 중요한 항목이다. 태양 전지의 출력 특성을 평가하는 방법으로서, 태양 전지의 전압 대 전류 특성(전압/전류 특성)을 조사하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 도 2는 전압/전류 특성을 평가하기 위한 장치의 구성을 도시하고 있다. 도 2에서, 참조 번호(201)은 평가의 대상이 되는 태양 전지플 표시하고 있으며, (202)는 직류(DC) 전원, (203)은 배선, (204)는 전류계, (205)는 전압계, (206)은 전압 측정에 사용된 배선, (207)은 컴퓨터, (208)은 광원, (209)는 셔터를 표시하고 있다.
컴퓨터(207)에 의해 제어되는 DC 전원(202)은 배선(203)과 전류계(204)를 통해 태양 전지(201)에 연결된다. 일반적으로, 바이폴라 DC 전원이 DC 전원(202)으로서 사용된다. 그러나, 대신에 전자 부하가 사용될 수 있다. 또한, 전압계(205)가 태양 전지(201)에 접속된다. 전류계(204)와 전압계(205)에 의해 측정된 전류값과 전압값은 각각 컴퓨터(207)에 입력된다. 광원(208)은 일본 산업 표준(JIS)에 따른 1 sun(=1000 W/m2)의 광량과 AM1.5의 스펙트럼으로 설정된 특성 평가용 기준광을 방사한다. 태양 전지(201)상의/태양 전지(201)로부터의 광의 조사 및 차단은 컴퓨터(207)에 의해 셔터(209)의 개방/폐쇄를 제어함으로써 수행된다.
상기 장치를 사용하여 태양 전지(201)의 전압/전류 특성을 측정하는 방법이 다음에서 설명된다.
먼저, 광원(208)이 워밍업(warming up)되어 광의 기준량을 방사하기 위한 조정이 수행된다. 이러한 단계에서, 광원(208)이 온(on)되고 셔터(209)가 폐쇄된다. 다음에, 측정 대상인 태양 전지(201)가 배치된다. 다음에, 셔터(209)가 개방되어 태양 전지(201)의 전면이 기준광으로 조사된다. 이러한 조건 하에서, 컴퓨터(207)가 DC 전원(202)을 제어하여 전압을 출력한다. 태양 전지(201)에 인가되는 전압은 태양 전지(201)의 형태에 따르며, 태양 전지의 각각의 형태에 대한 최적 전압은 미리 결정되어 있다.
전압/전류 특성을 측정하기 위한 조작 시퀀스에서는, DC 전원(202)의 출력 전압을 점차 변화시키면서, 전압계(205)에 측정된 태양 전지에 걸린 전압값들과 전류계(204)에 의해 측정된 전류값들이 컴퓨터(207)의 메모리에 저장된다.
측정을 위해 필요한 전압 범위에 걸쳐 DC 전원(202)의 출력 전압을 변화시킨후, 셔터(209)가 폐쇄되고, 태양 전지(201)가 제거된다. 다음에, 컴퓨터(207)의 메모리에 저장된 전압값 데이타와 전류값 데이타가 적절한 소프트웨어를 사용하여 그래프로 표시되어, 도 3에 도시된 바와 같은 전압/전류 특성 곡선이 얻어진다.
도 3은 태양 전지(201)의 전압/전류 특성의 예를 도시한 그래프이다. 도 3에서, 횡 좌표의 V는 전압을 나타내고, 세로 좌표의 I는 전류를 나타낸다. 도 3의 곡선 C는 그래프 상에 플로팅된 측정 전압값들과 전류값들을 나타내는 지점들을 연결함으로써 얻어진다. 곡선 C 상의 지점 K는 전압과 전류의 적(product)이 최대가 되는 지점, 즉 최대 전력이 얻어지는 지점이며, 일반적으로 작업 지점(working point)으로 불린다. 최적의 작업 지점에서 취득된 전력이 정격 전력이다.
태양광 발전은 최근에 급속도로 확산되고 있다. 주택에서, 태양 전지 패널은 종종 지붕 상에, 예를 들어, 분리된 아일랜드(isolated island)에 설치된다. 태양 전지 패널은 종종 가대(rack) 상에 설치된다. 태양 전지 패널을 설치하기 위한 스텝수를 감소시키기 위해, 각각의 태양 전지 수광면(photo-sensing surface)이 확장되는 경향이 있다. 넓은 면을 갖는 태양 전지의 특성을 측정하기 위해, 태양 전지의 전체 표면에 대응하는 면적을 조사할 수 있는 광원이 필요하다. 그러나, 이러한 종류의 광원을 얻는 것은 매우 어렵다.
일반적으로, 크세논 램프(Xenon lamp)가 광원으로서 가장 폭넓게 사용되며, 크세논 램프를 사용한 태양 전지 시물레이터가 사용된다. 그러나, 태양 전지 시뮬레이터의 가격은 크세논 램프가 조사할 수 있는 면적이 증가함에 따라 급속히 상승된다. 이러한 가격의 상승은 태양 전지 시물레이터에 포함되는 에어 매스필터(air-mass filter)와 집광 렌즈들의 크기가 커지면 제조하기가 더 어려워지고, 램프를 위해 전원으로부터 요구되는 출력 전력이 극단적으로 커지게 되기 때문이다. 실용적인 고정광 형(fixed-light type) 태양 전지 시뮬레이터로서, 약 50 cm의 면적만큼씩 조사할 수 있는 광원을 구비하는 것이 현시장에서 가장 대규모이다. 램프를 위해 요구되는 전원의 출력 전력을 감소시키도록 광원인 램프가 펄싱(pulsing)되는 약 1 m의 면적만큼씩 조사할 수 있는 시뮬레이터가 존재한다. 그러나, 램프를 위한 전원이 아닌 다른 부분들의 크기는 고정광 형 태양 전지 시뮬레이터와 동일하기 때문에, 이러한 태양 전지 시뮬레이터 또한 매우 고가이다.
따라서, 상술한 바와 같이 광원을 구비한 특정 및 테스트를 위한 태양 전지 시뮬레이터는 고가이므로, 태양 전지의 제조 비용은 증가한다. 따라서, 넓은 면을 갖는 태양 전지의 특성을 저비용으로 측정할 수 있는 방법이 절실하게 요망된다. 또한, 1 m 만큼씩보다 더 큰 수광면을 구비한 태양 전지에 대해서는, 이러한 넓은 면적을 조사할 수 있는 광원이 입수될 수 없으므로, 태양 전지의 특성을 측정하는 것이 사실상 불가능하다.
본 발명은 상술한 상황을 고려하여, 보다 큰 수광면을 구비한 태양 전지의 특성을 저비용으로 측정하는 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양 전지의 수광면중 선정된 면적을 조사하면서 태양 전지의 제1 특성을 측정하는 단계 - 상기 수광면중 조사되지 않은 영역은 암 영역(dark area)이라 함 - ; 상기 수광면이 광으로부터 차단되는 암 상태(darkstate)에서의 상기 태양 전지의 제2 특성을 측정하는 단계; 제2 특성과 상기 수광면 면적에 대한 상기 암 영역 면적의 면적비를 승산함으로써 제3 특성을 계산하는 단계; 및 상기 제1 및 제3 특성을 기초로 하여 상기 선정된 조사 영역의 특성을 계산하는 단계를 포함하는 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법을 제공함으로써 전술한 목적이 달성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양 전지의 수광면을 각각 선정된 면적을 갖는 복수의 블럭으로 분할하는 단계; 상기 복수의 블럭 각각을 조사하면서 상기 태양 전지의 제1 특성을 측정하는 단계 - 상기 수광면중 조사되지 않은 영역은 암 영역이라 함 - ; 상기 수광면이 광으로부터 차단되는 암 상태에서의 상기 태양 전지의 제2 특성을 측정하는 단계; 제2 특성과 상기 수광면 면적에 대한 상기 암 영역 면적의 면적비를 승산함으로써 제3 특성을 계산하는 단계; 및 대응하는 상기 블럭의 제1 및 제3 특성을 기초로 하여 복수의 분할된 블럭들 각각의 특성을 계산하는 단계를 포함하는 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법을 제공함으로써 전술한 목적이 또한 달성된다.
더우기, 본 발명에 따르면, 상기 특정 방법들 중 하나에 따라 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 단계를 포함한 태양 전지를 제조하는 방법을 제공함으로써 전술한 목적이 또한 달성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양 전지의 수광면을 조사하기 위한 광원; 상기 수광면과 상기 광원 사이에 제공되어 있으며 수광면 상의 조사될 영역을 선정된 영역으로 제한하기 위한 마스크를 포함하는 태양 전지의 특성을 측정하기 위한 측정장치를 제공함으로써 전술한 목적이 또한 달성된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 도면 전반에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분은 동일한 참조 기호로 표시되어 있는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지의 특성을 측정하기 위한 측정 장치의 구성을 도시한 사시도.
도 2는 태양 전지의 특성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 태양 전지의 전압/전류 특성의 예를 도시한 그래프.
도 4는 암 상태의 태양 전지의 전압/전류 특성(암 특성)의 예를 도시한 그래프.
도 5는 태양 전지의 수광면을 4개의 블럭으로 분할함으로써 전압/전류 특성의 측정 방법의 예를 설명하기 위한 도면.
도 6은 태양 전지중 단지 하나의 분할된 블럭만이 조사되고 나머지 블럭들은 암 상태에 있을 때 전압/전류 특성의 예를 도시한 그래프.
도 7은 태양 전지중 한 부분이 조사되고 그 동안 태양 전지의 나머지 부분들이 광으로부터 차단될 때 태양 전지의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법에서의 계산 처리들을 도시한 그래프.
도 9는 태양 전지의 수광면을 6개의 블럭으로 분할함으로써 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법을 설명하기 위한 설명도.
도 10은 태양 전지의 등가 회로를 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 태양 전지의 직렬 저항 성분에 의해 발생된 전압 강하에 대한 보정과 함께 태양 전지의 특정을 측정하는 측정 방법에서의 계산 처리들을 도시한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 태양 전지 특성들을 특정하는 측정 방법의 처리 시퀀스(sequence)를 도시한 플로우 차트.
도 13은 제1 내지 제3 실혐과 비교 실험의 결과들을 도시한 도표.
도 14a 및 14b는 태양 전지의 특성을 취득하기 위한 계산 시퀀스를 도시한 플로우 차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 광원
102 : 마스크
103 : 수직 이동 유닛
104 : 태양 전지
105 : 시료대
106 : 배선
110, 111 : 구동 유닛
112 : 가대
본 명세서에 포함되어 있으며 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 있으며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하고 있다.
본 발명에 따른 태양 전지를 측정하는 측정 방법의 양호한 실시예가 첨부된 도면과 함께 상세히 설명될 것이다.
[태양 전지의 특성을 측정하기 위한 측정 장치]
도 1은 본 발명에 따른 측정 방법을 수행하는 장치의 구성을 도시한 사시도이다. 도 1에서, 참조 번호(101)는 광원을 표시하고 있으며, (102)는 마스크, (103)은 수직 이동 유닛, (104)는 태양 전지, (105)는 시료대(sample holding stage), (106)은 배선들, (110) 및 (111)은 구동 유닛, (112)는 가대를 표시하고 있다.
광원(101)은 측정을 위해 태양 전지(104)를 기준광으로 조사하기 위한 기능을 가지며, 내부에 셔터 유닛을 구비한다.
마스크(102)는 태양 전지(104) 상의 조사될 영역을 정확하게 결정하는데 사용된다. 마스크(102)의 태양 전지(104)와 접하는 측 상에 고무(rubber)를 설치하여 태양 전지(104)가 손상되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 광원(101)에 의해 조사되는 유효 면적은 마스크(102)의 외측 크기보다는 작지만 마스크(102)의 개구부보다는 약간 크게 조정된다.
수직 이동 유닛(103)은 마스크(102)가 태양 전지(104)와 접하도록 하기 위해 마스크(102)를 하방으로 이동시키고, 수평 방향에서 광원(101)과 마스크(102)를 이동시키기 전에 마스크(102)를 상방으로 이동시키는데 사용된다.
태양 전지(104)는 시료대(105) 상에 배치된다. 필요한 경우, 특성 측정 동안에 태양 전지(104)가 시료대(105) 상에서 움직이는 것을 방지하도록 태양 전지(104)는 클램프(도시 생략)에 의해 시료대(105) 상에 고정될 수 있다. 또한, 태양 전지(104)는 특성 측정을 위해 전원(도시 생략)에 예를 들어, 배선들(106)에 의해 접속된다. 특성을 측정하는데 사용되는 바이폴라 DC 전원, 전압계, 및 전류계와 그 배선은 도 2에 참조로 설명된 바와 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
구동 유닛(110)은 도 1에서 수평 방향(X 방향)으로 광원(101)과 마스크(102)를 이동시키는 데 사용되며, 구동 유닛(111)은 도 1에서 깊이 방향(Y 방향)으로 광원(101)과 마스크(102)를 이동시키는데 사용된다.
가대(112)는 광원(101), 마스크(102), 수직 이동 유닛(103), X 방향 구동 유닛(110), 및 Y 방향 구동 유닛을 포함하는 측정 장치를 세팅 플로어(setting floor)에 설치하는데 사용된다.
도 1에 도시된 측정 장치와 도 2에 도시된 측정 장치 간의 차이는 후자는 광원(208)에 의해 조사되는 영역이 태양 전지(201)의 전체 수광 영역에 대응하고, 전자는 광원(101)에 의해 조사되는 영역이 태양 전지(104)의 수광 영역의 한 부분에 대응한다는 것임에 유의한다.
[일부분이 조사되는 경우, 태양 전지의 암 특성, 및 태양 전지의 명 특성]
아래에서, 본 발명에 따른 도 1에 도시된 장치를 사용하여 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법을 수행하기 위한 처리 시퀀스가 설명된다. 도 12에 도시된 시퀀스는 도 2에 도시된 조작자 및/또는 컴퓨터(207)에 의해 실행된다.
(단계 S1)
장치는 광원(101)이 턴온(turn on)된 이후 필요한 워밍업 시간이 경과된 상태에 있고, 셔터(도시 생략)는 폐쇄되어 있다고 가정한다. 또한, 기온은 태양 전지의 특성을 측정하는데 적합한 온도로 설정된다. 상세하게, 상기 온도는 약 25℃로 유지된다. 이러한 조건들 하에서, 태양 전지(104)는 시료대(105) 상에 배치되며 필요한 경우 클램프에 의해 고정된다. 이후에, 배선들(106)이 태양 전지(104)에 접속된다.
(단계 S2) 태양 전지(104)를 지지하는 시료대(105)와 그 주변 영역은 태양 전지(104) 상으로 광이 입사하지 않도록 광으로부터 완전히 차단되거나 입사광의 양이 1 sun에 대해 실질적으로 무시될 수 있는 레벨로 차단된다. 이러한 상태는 암 상태로 불린다.
(단계 S3) 단계 S2의 암 상태 하에서, 도 2를 참조로 설명된 전압/전류 특성이 측정되어, 암 상태에서의 태양 전지(104)의 전압/전류 특성(이하, "암 특성"이라 칭함)을 얻는다. 도 4에 도시된 곡선 A는 암 특성의 일반적인 측정 결과를 도시하고 있다. 이러한 단계에서 측정된 암 특성은 태양 전지(104)의 전체 표면에 대한 것임에 유의한다.
(단계 S4) 다음에, 태양 전지의 전압/전류 특성이 태양 전지가 조사될 때 측정된다. 이러한 단계에서, 태양 전지(104)의 수광면은 4개의 블럭으로 분할되고, 측정은 각각의 4개의 블럭에 대해 개별적으로 수행된다. 블럭수는 태양 전지(104)의 수광면의 크기, 광원에 의해(101) 조사되는 면적, 및 마스크(102)의 개주의 크기에 따라 선택될 수 있음에 유의한다. 도 5는 태양 전지(104)의 수광면이 4개의 블럭으로 분할되거나 구획된 경우의 예를 도시하고 있다. 도 5에서, B1 내지 B4는 태양 전지(104)의 각각의 4개의 블럭을 표시하고 있다. 광원(101)은 도 5에 대하여 마스크(102)의 상부에 배치되고, 태양 전지(104)와 마스크(102)에 면한다.
(단계 S5) 수직 이동 장치(103)를 사용하여 마스크(102)가 태양 전지(104)와 접하지 않는 높이로 마스크(102)가 들어올려진 후, 마스크(102)와 광원(101)은 구동 유닛들(110 및 111)에 의해 블럭 B1이 조사되는 위치로 이동된다.
(단계 S6) 수직 이동 유닛(103)은 마스크(102)의 배면(backside)이 태양 전지(104)와 접하는 높이로 마스크(102)를 아래로 이동시킨다. 이 때에, 마스크(102)의 배면이 태양 전지(104)와 접하도록 하여 마스크(102)와 태양 전지(104) 간에 공간이 존재하지 않게 하는 것이 필요하다. 이러한 조건 하에서, 셔터가 개방되어, 태양 전지(104)의 블럭 B1은 조사되고 그 동안 다른 블럭들을 암 상태로 유지되며, 태양 전지(104)의 전압/전류 특성(이하, "B1-명, B2B3B4-암 특성"으로 칭함)이 측정된다. 도 6은 측정 결과를 도시하고 있다.
(단계 S7) B1-명, B2B3B4-암 특성을 측정한 후, 셔터는 폐쇄되어, 블럭 B1의 조사가 종료된다.
(단계 S8) 이후에, 수직 이동 유닛(103)과 구동 유닛들(110 및 111)은 광원(101)과 마스크(102)를 블럭 B2 상으로 이동시켜, 단계 S6에서 수행된 바와 같은 측정이 수행된다. 보다 상세하게, 태양 전지(104)의 블럭 B2가 조사되고 그 동안 나머지 블럭들은 암 상태로 유지되어, 태양 전지(104)의 전압/전류 특성(B2-명, B1B3B4-암 특성)이 측정된다.
(단계 S9) 또한, 단계 S7 및 S8에 대응하는 처리들을 반복함으로써, 태양 전지(104)의 B3-명, B1B2B4-암 특성과 B4-명, B1B2B3-암 특성이 측정된다.
(단계 S10) 모든 블럭들에 대한 전압/전류 특성을 측정한 후, 셔터가 폐쇄되고, 마스크(102)는 상승되고, 배선들(106)은 태양 전지(104)로부터 단절되며, 태양 전지(104)는 시료대(105)로부터 제거(unload)된다.
도 6은 4개의 블럭, 즉 B1-명, B2B3B4-암 특성, B2-명, B1B3B4-암 특성, B3-명, B1B2B4-암 특성, 및 B4-명, B1B2B3-암 특성의 측정된 전압/전류 특성을 도시한 그래프이다. 도 6에서 4개의 측정 결과들의 특성 곡선들은 서로 일치한다. 이는 태양 전지(104)의 특성이 수광면과 완전히 동일하다는 것을 나타내고 있다. 만일 태양 전지(104)의 특성이 수광면과 충분히 유사하지 않다면, 획득된 4개의 곡선은 완전히 일치하지 않는다.
전술한 조작의 일부에 의해 태양 전지(104)를 조사함으로써 얻어진 특성들은블럭들 B1 내지 B4가 서로 물리적으로 분리된 때 각각의 블럭에 의해 측정된 특성과 다르다. 그 이유는 B1-명, B2B3B4-암 특성은 예를 들어, B1 블럭이 나머지 블럭들로부터 물리적으로 분리된 때 블럭 B1의 특성과 다른 3개의 블럭, 즉 B2 내지 B4 블럭의 암 특성의 합계이기 때문이다. 다시 말해, B1 블럭은 도 7에 도시된 등가 회로도에 도시된 바와 같이 병렬로 다른 3개의 블럭 B2 내지 B4에 전기적으로 접속되어 있다. 도 7에서, 참조 번호 (701)은 광(710)에 의해 조사되는 블럭 B1을 표시하고 있고, 참조 번호 (702)는 암 상태의 다른 3개의 블럭 B2 내지 B4에 대응한다. 그러므로, 태양 전지(104)의 특성은 블럭 B1의 전류값과 다른 3개의 블럭 B2 내지 B4의 합계이다.
[블럭이 나머지로부터 물리적으로 분리되어 있을 때의 상태에 대응하는 상태의 블럭의 명 특성]
아래에서, 측정된 4개의 전압/전류 특성, 즉 B1-명, B2B3B4-암 특성, B2-명, B1B3B4-암 특성, B3-명, B1B2B4-암 특성, 및 B4-명, B1B2B3-암 특성과, 모든 블럭들이 암 상태에 있을 때 측정된 암 특성을 기초로 하여, 태양 전지(104)의 블럭들이 물리적으로 서로 분리되어 있는 것에 대응하는 상태에서의 전압/전류 특성을 계산하는 방법이 설명된다.
먼저, 도 4에 곡선 A로 도시된 암 특성은 4개의 블럭이 있으므로, 매 전압에 대한 곡선 A의 전류의 3/4을 나타내는 도 4에 도시된 곡선 B가 획득된다. 곡선 B는 3개의 블럭, 즉 조사되지 않은 암 영역의 암 특성을 나타낸다.
도 8의 곡선 D는 도 4의 곡선 B에 대응하고, 도 8의 곡선 P는 도 6의 B1-명,B2B3B4-암 특성의 곡선에 대응한다. 이미 설명한 바와 같이, B1-명, B2B3B4-암 특성(곡선 P)은 블럭 B1이 나머지 블럭들로부터 물리적으로 분리된 상태에서 측정된 특성과 다른 3개의 블럭들의 암 특성(곡선 D)의 합계이다. 그러므로, B1 명 특성은 B1-명, B2B3B4-암 특성으로부터 3개의 블럭의 암 특성을 감산함으로써 획득된다. 도 8의 곡선 L1은 전술한 조작을 수행함으로써 획득된 B1의 명 특성을 도시하고 있다.
[태양 전지의 전체 수광면이 조사될 때의 특성]
다음에, 전체 태양 전지(104)의 전압/전류 특성을 획득하는 방법이 설명된다.
B1 명 특성을 계산하는 방법은 B2 명 특성, B3 명 특성, B4 명 특성을 획득하도록 나머지 3개의 블럭들에 적용된다. 도 8의 곡선 L2 내지 L4는 이러한 3개의 명 특성들에 대응한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 특성이 태양 전지의 수광면에 전체에 걸쳐 완전히 동일할 때는 곡선 L1 내지 L4가 동일하여야 한다. 그러나, 만일 특성이 동일하지 않다면, 곡선들은 일치하지 않는다는 것에 유의한다. 태양 전지(104)의 전체 수광면이 조사될 때 4개의 명 특성들의 합계는 태양 전지(104)의 특성(도 8에서 곡선 L)과 동일하다.
상술한 바와 같이, 태양 전지의 수광면을 부분마다 조사함으로써 획득된 특성과 암 특성을 기초로 하여, 태양 전지의 전체 면이 조사될 때의 특성을 획득하는 것이 가능하다. 다음에, 도 8에 도시된 곡선 L 상에서 전압과 전류의 최대 적(product)을 계산함으로써, 전체 면이 조사될 때의 태양 전지의 출력이 획득된다. 특성들의 합성, 즉 동일한 전압에서 전류 값들을 가산하는 것은 컴퓨터에 의해 양호하게 수행된다는 것에 유의한다.
만일 특성이 태양 전지의 수광면 전체에 걸쳐 동일하지 않다면, 상술한 바와 같이 각각의 블럭들의 명 특성들을 획득하여 획득된 명 특성들을 가산하는 것이 필요하다. 그러나, 전면에 걸친 태양 전지 특성의 불규칙성이 무시할 만큼 충분히 작다면, 또는 요구되는 측정의 정확도가 매우 높지 않다면, 예를 들어, B1 명 특성의 전류값의 적(product)과, 블럭수는 태양 전지가 조사될 때 태양 전지의 특성으로서 고려될 수 있다. 이러한 경우에, 중심부에 배치된 블럭의 특성은, 예를 들어, B1 명 특성으로서 측정될 수 있다.
또한, 상기 조작의 확장된 방법으로서, 태양 전지의 수광면은 9개의 블럭으로 분할될 수 있으며, 예를 들어, 9개의 블럭으로부터 3개의 블럭의 특성들이 측정될 수 있다. 이후에, 3개의 블럭의 특성들을 기초로 하여, 전체 면이 조사될 때의 태양 전지의 특성이 계산된다. 동일한 방식으로, 측정의 간략화가 필요에 따라 다양한 방법으로 달성될 수 있다.
상기 계산 시퀀스에서, 먼저 각각의 블럭의 명 특성이 획득된 다음, 획득된 명 특성들은 가산된다. 그러나, 이 계산은 상이한 방식들로 수행된다. 예로서, 먼저 B1-명, B2B3B4-암 특성, B2-명, B1B3B4-암 특성, B3-명, B1B2B4-암 특성, 및 B4-명, B1B2B3-암 특성이 가산될 수 있으며, 다음에 3이 승산된 암 특성의 전류값들이 상기 합계로부터 감산될 수 있다. 이러한 방식으로, 계산 부하가 감소된다.
[태양 전지를 블럭으로 분할하는 방법]
상기 설명에서, 태양 전지(104)의 수광면의 면적은 조사된 영역(각각의 블럭의 영역)의 정수배에 대응하며, 상세하게, 정수는 4이다. 그러나, 분할수는 임의의 수일 수 있으며, 반드시 정수일 필요는 없다. 분할수가 정수가 아닌 경우가 도 9에 도시되어 있다.
도 9는 태양 전지(104)의 수광면이 6개의 블럭으로 분할된 경우의 예를 도시하고 있다. 도 9에서, 블럭들 B1, B2, B4, 및 B5는 마스크(102)의 개구와 동일한 면적, 즉 조사되는 면적을 갖는다. 그러나, 블럭들 B3 및 B6는 조사되는 면적보다 작은 면적을 갖는다. 이러한 경우에, 조사되는 영역에서, 수광면이 존재하는 면적이 조사되는 유효 면적으로서 계산되고, 다음에 상술한 바와 유사한 계산이 수행될 것이다.
[태양 전지의 직렬 저항 성분에 대한 보정]
태양 전지의 전체 면이 조사될 때의 태양 전지의 특성은 태양 전지의 수광면을 부분마다 조사하는 것에 의해 획득된 특성(예를 들어, B1-명, B2B3B4-암 특성에 대응하며, 이하, "부분 명 특성"으로 칭함)들을 기초로 하여 전술한 방법을 수행함으로써 획득된다. 보다 정확한 결과를 획득하기 위해서는, 다음의 보정을 수행하는 것이 바람직하다.
태양 전지 내에는, 도 10에 등가 회로로써 도시된 바와 같은 직렬 저항 성분이 존재한다. 도 10에서, 참조 번호(1001)는 직렬 저항 성분을 갖고 있지 않은 이상적인 태양 전지를 표시하고 있으며, 참조 번호(1002)는 직렬 저항 성분이다. 그러므로, 전압/전류 특성을 획득하기 위해 측정된 전압은 직렬 저항 성분(1002)으로 인한 전압 강하만큼 감산된 태양 전지(1001)의 이상적인 출력 전압에 대응한다. 또한, 태양 전지의 특성을 측정하는 상기 측정 방법에서, 계산의 근거인 전류값들은 암 특성과 부분 명 특성을 측정하는 중에 변화된다. 그러므로, 이들은 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 영향을 받는다. 그러나, 그 특성을 조사되는 상태에 따라 변화시키는 이상적인 태양 전지(1001)가 있으므로, 직렬 저항 성분(1002)으로 인한 전압 강하 성분의 측정된 특성을 보정하는 것이 필요하다.
보다 상세하게, 암 특성과 부분 명 특성으로부터 직렬 저항 성분(1002)으로 인한 전압 강하 성분을 제거함으로써 특성이 계산된다. 실용적인 계산으로서, 각각의 측정 지점에서의 전류값과 직렬 저항 성분(1002)의 적(product)인 전압 강하 성분은 대응 지점에서 측정된 전압값에 가산되고, 이 합계는 각각의 측정 지점에서의 실제 전압값으로 고려된다. 도 11은 직렬 저항 성분(1002)에 대한 보정 결과를 도시한 그래프이다. 도 11에서, 곡선 D는 측정된 암 특성을 나타내고 있으며, 곡선 D'는 직렬 저항 성분(1002)으로 인한 전압 강하에 대해 보정된 암 특성을 나타내고 있다. 또한, 곡선 P는 태양 전지의 수광면의 한 블럭이 조사될 때의 부분 명 특성을 나타내고 있다. 다음에 곡선 L'는 전체 면이 조사될 때 곡선 D'로 표현된 보정된 암 특성과 곡선 P'로 표현된 보정된 부분 명 특성을 기초로 하여 취득된 태양 전지의 특성을 나타내고 있다. 또한, 곡선 L은 전압계(도 2에서 (205)에 대응)에 의해 측정되는 특성이며, 여기서는, 곡선(L')로부터 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하를 감산함으로써 획득된다(역 보정).
전술한 조작에서, 도 11에 도시된 곡선 L은 전체 태양 전지의 측정 특성이다. 만일 태양 전지의 정확한 출력이 요망된다면, 직렬 저항 성분(1002)으로 인한 전압 강하에 대한 보정은 필수적이다. 그러나, 계산 부하는 정확도와 함께 증가하므로, 만일 매우 높은 정확도가 요구되지 않는다면, 이러한 조작은 불필요하다.
직렬 저항 성분(1002)의 값은 태양 전지 내에 포함되거나 특정 특성 곡선, 즉 △V/△I의 경사(slope)로부터 획득되는 예를 들어, 투명 전극 및 베이스 전극의 직렬 저항들을 가산함으로써 획득될 수 있다.
[태양 전지의 특성을 획득하기 위한 계산 시퀀스]
도 14a 및 14b는 태양 전지의 특성을 획득하기 위한 계산 시퀀스를 도시한 플로우 차트이다. 이 계산은 도 2에 도시된 컴퓨터(207)에 의해 수행된다.
도 14에 도시된 시퀀스는 태양 전지의 수광면중 선정된 면적을 갖는 각각의 블럭이 순차적으로 조사될 때 측정된 부분 명 특성들을 기초로 하여 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 태양 전지의 특성을 계산하기 위한 것이다. 다음의 설명에서, 조사되는 블럭에 대응하는 영역은 "명 영역(bright area)"이라 하고, 조사되지 않는 나머지 수광면은 "암 영역(dark area)"이라 칭하는 것에 유의한다.
단계 S101에서, 필수 파라미터들, 즉 수광면의 면적 S, 명 영역의 면적 S1, 태양 전지의 직렬 저항 성분의 값, 측정된 부분 명 특성, 및 암 특성이 입력된다. 단계 S102에서, 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대한 보정이 부분 명 특성과 암 특성에 수행된다. 단계 S103에서, 보정된 암 특성은 수광면의 면적 S에 대한암 영역의 면적 SD(=S-S1)의 비(=SD/S)가 승산됨으로써, 암 영역의 암 특성이 계산된다. 단계 S104에서, 보정된 부분 명 특성과 암 특성 간의 특성차가 계산된다. 단계 S105에서, 획득된 특성차는 명 영역의 면적 S1에 대한 수광면의 면적 S의 비(=S/S1)가 승산됨으로써, 태양 전지의 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 전압/전류 특성이 계산된다. 다음에, 단계 S106에서, 단계 S105에서 획득된 전압/전류 특성이 직렬 저항 성분에 대한 역 보정으로 더 사용된다. 다음에, 단계 S107에서, 태양 전지의 보정된 특성이 출력된다.
도 14b에 도시된 시퀀스는 태양 전지의 수광면을 분할하는 것에 의해 획득된 복수의 블럭들 각각을 조사함으로써 획득된 부분 명 특성을 기초로 하여 태양 전지의 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 태양 전지의 특성을 계산하기 위한 것이다.
단계 S102에서, 필수 파리미터들, 즉 수광면의 면적 S, 명 영역의 면적, 태양 전지의 직렬 저항 성분의 값, 각각의 블럭의 측정된 부분 명 특성, 및 측정된 암 특성이 입력된다. 단계 S202에서, 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대한 보정이 각각의 블럭의 부분 명 특성 및 암 특성에 수행된다. 단계 S203에서, 보정된 암 특성은 수광면의 면적 S에 대한 암 영역의 면적 SD의 비가 승산됨으로써, 암 영역의 암 특성이 계산된다. 단계 S204에서, 각각의 블럭의 보정된 부분 명 특성과 암 영역의 보정된 암 특성 간의 특성차가 계산된다. 단계 S205에서, 획득된 모든 특성차들이 가산됨으로써, 태양 전지의 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는상태에서의 전압/전류 특성이 계산된다. 다음에, 단계 S206에서, 단계 S205에서 획득된 전압/전류 특성이 직렬 저항 성분에 대한 역 보정에 더 사용된다. 단계 S207에서, 태양 전지의 보정된 특성이 출력된다.
태양 전지 특성의 출력에서, 획득된 결과는 특성 곡선의 형태로 모니터에 표시되거나, 플로터 또는 프린터에 의해 플로팅될 수 있음에 유의한다. 다르게는, 태양 전지의 특성을 나타내는 데이타가 다른 컴퓨터 또는 프린터에 출력될 수 있다.
[실험 1]
각각의 변이 10 cm인 정사각형 태양 전지의 암 특성과, 각각의 변이 5 cm일 때의 태양 전지의 측정된 부분 명 특성을 사용하여, 태양 전지의 수광면의 중심부가 조사될 시에, 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는 태양 전지의 특성이 다음의 계산들을 수행함으로써 획득된다. 태양 전지의 특성은 표면 전체에 걸쳐 동일하며, 조사되는 부분은 하나라고 가정한다.
태양 전지의 특성을 측정하기 위해, 각각의 변이 15 cm인 225 cm2의 면적을 효과적으로 조사할 수 있는 광원(101)으로 도 1에 도시된 바와 같은 장치가 사용된다. 마스크(102)는 각각의 변이 20 cm인 정사각형 형태를 가지며, 각각의 변이 5 cm인 정사각형 개구를 갖는다. 태양 전지(104)에 대해서는, 각각의 변이 10 cm인 정사각형 형태를 갖는 3중 구조 비정질 실리콘 태양 전지가 사용된다.
태양 전지(104)는 시료대(105) 상에 배치되고, 태양 전지의 특성은 상술한방법으로 측정된다. 측정 결과는 도 13에 도시되어 있다.
[실험 2]
각각의 변이 10 cm인 정사각형 태양 전지의 수광면이 각각의 변이 5 cm인 4개의 정사각형 블럭으로 분할되어, 각각의 블럭에 대해 특성이 측정된다. 다음에, 태양 전지의 특성이 수광면 전체에 걸쳐 동일하지 않다고 가정하여, 각각의 블럭의 특성이 얻어진 후, 4개의 블럭의 특성들이 가산되어 전체 수광면이 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 태양 전지의 특성을 얻는다. 다른 조건들은 실험 1에서와 동일하게 설정된다. 측정 결과는 도 13에 도시되어 있다.
[실험 3]
태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하가 보정되어 태양 전지의 전면이 조사되는 것에 대응하는 상태에서의 태양 전지의 특성을 얻는다. 다른 조건들은 실험 2에서와 동일하게 설정된다.
[비교 실험]
태양 전지의 특성이 마스크(102)없이 측정되어 각각의 변이 10 cm인 정사각형 태양 전지의 전체 수광면이 한 번에 조사된다. 즉, 이러한 조건은 전체 수광면을 조사하면서 태양 전지의 특성을 측정하는 종래의 측정 방법에 대응한다. 다른 조건들은 실험 1에서와 동일하게 설정된다. 측정 결과는 도 13에 도시되어 있다.
도 13은 상기 각각의 실험에서 얻어진 태양 전지의 특성들의 측정 결과를 도시한 그래프이다. 이러한 결과로부터, 다음과 같은 결론이 내려진다.
(a) 실험 1의 결과는 최대 전력이 비교 실험보다 약 3.4 % 크고, 개방 회로전압이 약 0.02 V 더 크다.
(b) 실험 2의 결과는 최대 전력이 비교 실험보다 약 2 %크다. 또한, 단락 회로 전류는 비교 실험과 근사적으로 동일하다. 이러한 단락 회로 전류의 결과는 계산에 반영된 면 전체에 걸친 태양 전지 특성의 다양성(diversity)에 기인한 것이다.
(c) 실험 3의 결과는 최대 전력, 개방 회로 전압, 및 단락 회로 전류의 모든 값들에서 비교 실험의 결과와 어느 정도 일치하였다. 이러한 결과는 태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대한 보정의 결과이다.
전술한 결과로부터, 광원에 의해 조사되는 면적보다 더 넓은 수광면을 갖는 태양 전지의 특성이 본 발명에 따른 태양 전지의 특성을 측정하는 방법을 사용함으로써 정확하게 측정되는 것이 입증된다.
실험 1 내지 3과 비교 실험에서, 상대적으로 작은 수광면, 즉 각각의 변이 10 cm인 정사각형 태양 전지가 사용된다. 이는 본 발명의 측정 방법을 사용함으로써 측정된 태양 전지의 특성이 비교 실험에서 수행된 바와 같은 종래의 측정 방법을 사용함으로써 측정된 특성과 일치하는지를 확인시키기 위한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광원에 의해 효과적으로 조사되는 면적보다 더 큰 수광면 - 한 번에 전체 면을 조사할 수 있는 광원을 준비할 수 없을 정도로 큰 수광면 - 을 갖는 태양 전지의 특성이 태양 전지의 수광면보다 더 작은 면적을 유효하게 조사할 수 있는 광원을 사용함으로써 측정된다. 또한, 비교적 작은 수광면을 갖는 태양 전지의 특성을 측정할 때, 광원은 더 소형화될 수 있어, 태양 전지의 특성을 측정하기 위한 측정 장치의 가격을 감소시킨다. 따라서, 태양 전지의 제조 비용이 절감되어, 저렴한 태양 전지를 제공하는 것이 가능해진다.
도 12, 14a 및 14b에 도시된 태양 전지의 특성을 측정하기 위한 동작 시퀀스들을 사용하는 것에 더하여, 태양 전지를 개발하는 동안 그 특성을 평가하기 위해, 상기 시퀀스들이 태양 전지를 제조할 때 특성 검사 및 제품 검사에 사용될 수 있다. 그러므로, 도 12, 14a 및 14b에 도시된 바와 같은 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법을 포함하는 제조 시퀀스와, 이 제조 시퀀스로 제조된 태양 전지 또한 본 발명에 포함된다.
또한, 도 12, 14a 및 14b에 도시된 바와 같은 본 발명의 태양 전지의 특성을 측정하기 위한 시퀀스는 컴퓨터 시스템 또는 장치(예를 들어, 개인용 컴퓨터)가 상기 시퀀스의 처리를 수행하고, 저장 매체로부터 컴퓨터 시스템 또는 장치의 CPU 또는 MPU로 프로그램 코드를 판독하여, 이 프로그램을 실행시키기 위해 프로그램 코드를 저장한 저장 매체를 제공함으로써 또한 달성될 수 있다.
이러한 경우에, 저장 매체로부터 판독된 프로그램 코드는 실시예에 따른 기능들을 실현하고, 프로그램 코드들을 저장한 저장 매체는 본 발명을 구성한다.
또한, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, CD-R, 자기 테이프, 비휘발성 타입 메모리 카드, 및 ROM과 같은 저장 매체가 프로그램 코드를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
더우기, 상기 실시예에 따른 전술한 기능들은 컴퓨터에 의해 판독되는 프로그램 코드를 실행시킴으로써 실현되기도 하지만, 본 발명은 컴퓨터 상에서 동작하는 OS 등이 프로그램 코드의 지시에 따라 처리하는 경우를 포함하여 상기 실시예에 따른 기능들을 실현한다.
더우기, 본 발명은, 저장 매체로부터 판독된 프로그램 코드가 컴퓨터에 삽입된 기능 확장 카드 또는 컴퓨터에 접속된 기능 확장 유닛 내에 제공된 메모리에 기입된 후, 기능 확장 카드 또는 유닛 내에 포함된 CPU 등은 프로그램 코드의 지시에 따라 일부 또는 전체 처리를 수행하여 상기 실시예의 기능을 실현한다.
본 발명은 상기 실시예들로 제한되지 않으며 다양한 변화 및 수정이 본 발명의 본질 및 범위 내에서 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위를 대중에게 알리기 위해 다음의 특허 청구 범위를 작성하였다.
Claims (16)
- 태양 전지(solar cell)의 특성을 측정하는 측정 방법에 있어서,상기 태양 전지의 수광면(photo-sensing surface)중 소정의 면적을 조사(illuminating)하면서 상기 태양 전지의 제1 전압-전류 특성을 측정하는 단계 - 상기 수광면중 조사되지 않은 영역은 암 영역(dark area)이라 함 - ;상기 수광면이 광으로부터 차단되는 암 상태(dark state)에서의 상기 태양 전지의 제2 전압-전류 특성을 측정하는 단계;상기 제2 전압-전류 특성과 상기 수광면 면적에 대한 상기 암 영역 면적의 면적비를 승산(multiplying)함으로써 제3 전압-전류 특성을 계산하는 단계; 및상기 제1 및 제3 전압-전류 특성을 기초로 하여 상기 소정의 조사 영역의 특성을 계산하는 단계를 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 태양 전지의 특성은 상기 태양 전지의 전압 대 전류 특성인 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조사된 영역이 상기 수광면의 나머지 영역으로부터 물리적으로 분리되어 있을 때 상기 제1 및 제3 전압-전류 특성을 기초로 하여 계산된 특성은 상기 소정의 조사 영역의 전압 대 전류 특성에 대응하는 태양 전지의 특성측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 전압-전류 특성을 기초로 하여 계산된 특성과 상기 소정의 조사 영역의 면적에 대한 상기 수광면의 면적비를 승산함으로써 상기 태양 전지의 특성을 계산하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대해 상기 제1 및 제2 전압-전류 특성을 보정하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대해 상기 태양 전지의 계산된 특성에 역 보정을 수행하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 방법에 있어서,태양 전지의 수광면을 각각 소정의 면적을 갖는 복수의 블럭으로 분할(segmenting)하는 단계;상기 복수의 블럭 각각을 조사(illuminating)하면서 상기 태양 전지의 제1 전압-전류 특성을 측정하는 단계 - 상기 수광면중 조사되지 않은 영역은 암 영역이라 함 - ;상기 수광면이 광으로부터 차단되는 암 상태에서의 상기 태양 전지의 제2 전압-전류 특성을 측정하는 단계;상기 제2 전압-전류 특성과 상기 수광면 면적에 대한 상기 암 영역 면적의 면적비를 승산함으로써 제3 전압-전류 특성을 계산하는 단계; 및대응하는 상기 블럭의 상기 제1 및 제3 전압-전류 특성을 기초로 하여 상기 복수의 분할된 블럭들 각각의 특성을 계산하는 단계를 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 태양 전지의 특성은 상기 태양 전지의 전압 대 전류 특성인 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 복수의 블럭들이 서로 물리적으로 분리되어 있을 때 상기 복수의 분할된 블럭들 각각의 제1 및 제3 전압-전류 특성을 기초로 하여 계산된 특성은 각각의 블럭의 전압 대 전류 특성에 대응하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 복수의 블럭의 특성들을 가산함으로써 상기 태양 전지의 특성을 계산하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대해 상기 제1 및 제2 전압-전류 특성을 보정하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 태양 전지의 직렬 저항 성분으로 인한 전압 강하에 대해 상기 태양 전지의 계산된 특성에 역 보정을 수행하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 특성 측정 방법.
- 제1항에 따른 측정 방법에 따라서 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
- 제13항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지.
- 제7항에 따른 측정 방법에 따라서 태양 전지의 특성을 측정하는 측정 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 제조 방법.
- 제15항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지.
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