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요약문
SUMMARY
Contents
목차
제1장 서론 25
제1절 기술 개요 25
제2절 기술개발의 필요성 및 타당성 26
1. 기술적 측면 26
2. 경제 산업적 측면 31
3. 국내외 관련기술 현황 33
4. 주요 기술 개발 이슈 39
제2장 본론 42
제1절 양면수광형 고효율 결정질 Si 태양전지 개발 42
1. 도핑 공정 기술 개발 42
2. 태양전지 정량 분석 기술개발 44
3. ALD 공정의 레시피 조절을 통한 Al₂O₃ 패시베이션 특성 최적화 45
4. Al-doped TiO₂ 패시베이션 박막 기술 개발 46
5. 양면수광형 결정질 실리콘 태양전지 제조 49
6. 소결 50
제2절 유연 CIGS 박막 태양전지 기술 개발 51
1. Fe 확산 방지를 위한 후면 미세구조 최적화 51
2. 고품질 광흡수층 제조기술 개선 52
3. 대면적 CIGS 박막 태양전지 제조 기술 개선 58
4. 버퍼 매립형 은나노 전극 제조기술 개발 60
5. PID 특성 평가 68
6. 소결 76
제3절 투광형 태양전지 기술개발 77
1. CIS계 투광형 태양전지 개발 77
2. 유-무기 하이브리드 태양전지 개발 84
제4절 건물일체형 태양광 발전시스템 기술 및 시장 동향 111
1. 건물 일체형 태양광발전시스템 개요 111
2. 건물 일체형 태양광발전시스템 시장동향 112
3. BIPV 기술별 특허 및 시장분석 요약 132
4. 소결 140
제3장 결론 141
참고문헌 142
〈표 1-1〉 기판 종류에 따른 장/단점 28
〈표 1-2〉 유연 CIGS 박막 태양전지 기술개발 현황 36
〈표 2-1〉 STS 기판 및 유리 기판 상에 성장된 CIGS 박막에 Na+K 알칼리이중 도핑... 56
〈표 2-2〉 Light IV 측정결과 태양전지 특성 71
〈표 2-3〉 직병 렬 저항 및 ideality factor 영향 반영한 FF 71
〈표 2-4〉 Sample 특성에 따른 HLS 거동 변화 75
〈표 2-5〉 NaF PDT 공정시간에 따라 제작된 투광형 CIGS 태양전지의 성능변화 78
〈표 2-6〉 CIGS 박막의 두께에 따른 투광형 CIGS 태양전지의 전후면 발전 성능 80
〈표 2-7〉 후면 투명 전극으로 ITO와 FTO를 사용한 투광형 CIGS 태양전지의 성능 81
〈표 2-8〉 다양한 양이온 염화물 첨가제에 따른 태양전지 효율 87
〈표 2-9〉 광흡수층 두께에 따른 태양전지 파라미터 90
〈표 2-10〉 PTAA-A 및 PTAA-H 소재의 효율 측정 94
〈표 2-11〉 Spiro-OMeTAD 및 Spiro-Naph의 성능 비교 및 분석 94
〈표 2-12〉 Spiro-2F 및 Spiro-3F의 효율 비교 95
〈표 2-13〉 Spiro-OETAD 기반 페로브스카이트 태양전지의 성능 96
〈표 2-14〉 구리 그리드/그래핀 전극 기반 태양전지 소자의 효율 98
〈표 2-15〉 Voc, Jsc, Fill Factor 및 최종 성능 수치 100
〈표 2-16〉 기존소재 및 신규 소재 성능 수치 103
〈표 2-17〉 유연태양전지 소자 효율 수치 109
〈표 2-18〉 태양광 외장재 용도별 특징 112
〈표 2-19〉 EN50583 규격의 유형별 CPD 요구사항 119
〈표 2-20〉 중국 GB규격 성능평가 사항 124
〈표 2-21〉 세계 BIPV 시장 주요 기업 생산량 현황 130
〈표 2-22〉 세계 BIPV 시장 주요 기업 수익 현황 131
〈표 2-23〉 옥상형(좌) 및 벽면형(우) 특허 다출원인 133
[그림 1-1] 단면수광형과 양면수광형 태양전지 설치 모식도 27
[그림 1-2] 날씨에 따른 단면/양면수광형 태양전지 성능비교 28
[그림 1-3] 유리기판 CIGS 박막 태양전지를 이용한 BIPV 제품 29
[그림 1-4] 무기박막형 투과형 태양전지 핵심기술 개발요소 30
[그림 1-5] 세계 태양광시장 전망 31
[그림 1-6] 세계 BIPV 시장 규모 32
[그림 1-7] ISFH에서 제시한 태양전지 구조 33
[그림 1-8] imec에서 제시한 n-PERT BJ 구조 34
[그림 1-9] 동/서 수직설치형 양면수광 모듈의 일일 발전 특성 34
[그림 1-10] 소음방지벽으로 적용된 양면수광형 태양전지 34
[그림 1-11] CuInSe₂ 기반의 선택적광흡수 태양전지(좌),... 37
[그림 1-12] ZSW에서 개발한 CuInSe₂ 기반의 선택적 광흡수 태양전지(좌),... 37
[그림 1-13] KIST에 개발된 투광형 염료감응 태양전지(좌)... 38
[그림 1-14] 양면수광형 결정질 실리콘 태양전지 구조 39
[그림 1-15] NREL에서 개발한3-stage Co-evaporation 공정 및 미세구조 변화 40
[그림 1-16] 습도 노출시간에 따른 광흡수층 분해 모습 41
[그림 2-1] bulk lifetime에 따른 계산 된 open circuit voltage 그래프 42
[그림 2-2] lifetime analysis를 이용한 bad cell(기존 셀)과 improved cell(개선된 셀)의 분석 43
[그림 2-3] 태양전지 손실요인분석 44
[그림 2-4] 태양전지 손실요인분석 II 45
[그림 2-5] 태양전지 손실요인 제거를 통한 효율 예측 45
[그림 2-6] (좌)ALD공정에서 TMA 주입 시간에 따른 소수 전하 수명 비교... 46
[그림 2-7] (좌)ALDAl-doped TiO₂ 슈퍼 사이클 공정 모식도... 47
[그림 2-8] Al-doped TiO₂/Si 시료의 (a) EDS 분석과 (b) Line scan 47
[그림 2-9] 두께에 따른 패시베이션 박막의 가상 개방 전압 48
[그림 2-10] 패시베이션 박막에따른 고정 전하 및 가상 개방 전압 49
[그림 2-11] 제조된 양면수광형태양전지 효율 및 bifaciality 결과 49
[그림 2-12] 시판 STS 기판의 AFM 이미지, 후면전극 구조, CIGS/후면전극/STS의 SIMS 결과 51
[그림 2-13] Mirror-polishing이 적용된 STS 기판의 AFM 이미지, 후면전극 구조,... 52
[그림 2-14] 유리 기판(좌) 및 STS 기판(우) 상에 성막된 CIGS 조성분포에 대한 SIMS 결과 53
[그림 2-15] 기존 3-stage 증착법과 이에 의해 성장된 CIGS 박막 표면 및 단면... 54
[그림 2-16] 기존 3-stage 증착법으로 성장된 CIGS 박막과 2-stage 에 Ga이 추가된 3-stage... 54
[그림 2-17] Na 알칼리 공정 최적화 및 효과에 대한 모식도(좌) 및 이에 의해 성장된... 55
[그림 2-18] CIGS 박막 내 Na 및 K 알칼리 원소의 조성분포 56
[그림 2-19] CIGS 박막 표면에 Na 및 Rb 알칼리 도핑에 따른 SEM 표면이미지(좌) 변화... 57
[그림 2-20] CIGS 박막 표면에 Na 및 Rb 알칼리 도핑에 따른 SEM 표면이미지(좌) 변화 및... 57
[그림 2-21] 최적화된 CIGS 박막태양전지의 전류-전압 곡선 및 이미지 58
[그림 2-22] R2R Evaporation Sytem 사진 및 챔버 개념도 58
[그림 2-23] R2R Evaporation Sytem에서 사용되고 있는 Jig 59
[그림 2-24] R2R Evaporation System의 위치별 두께 균일도 현황 59
[그림 2-25] R2R Evaporation System으로 제조한 소면적 태양전지 및 그의 효율 분포 60
[그림 2-26] 은 나노선 투명전극의 광학적·전기적 특성 61
[그림 2-27] 전기도금 시간에 따른 은나노선 투명전극의 SEM 사진 62
[그림 2-28] 은 나노선 직경 증가에 따른 전기도금 은 나노선 투명전극의 면저항 감소 62
[그림 2-29] 은 나노선 투명전극의 Rayleigh instability 63
[그림 2-30] 은 나노선의 AFM 이미지 64
[그림 2-31] i-ZnO/ZnO:Al 투명전극을 가지는 CIGS소자와 은나노선 투명전극을... 64
[그림 2-32] (a) CIGS 태양전지 구조에서 전하 수평방향 포집거리 측정을 위한 개략도,... 65
[그림 2-33] Ag@CdS NW의 구조 분석 66
[그림 2-34] AZO 및 은 나노선의 투명전극을 가지는 CIGS 태양전지 성능분석 67
[그림 2-35] (가) CIGS 샘플 단면 모식도 (나) 실제 셀 표면사진 68
[그림 2-36] 확정된 PID 테스트 전압인가구조 68
[그림 2-37] PID 테스트를 24시간동안 진행한 결과 69
[그림 2-38] PID 테스트 전후 EL이미지 69
[그림 2-39] PID 진행 후 회복실험 한 결과 70
[그림 2-40] 초기상태와 PID 후, 회복 실험 후 CIGS 태양전지 내 Na 분포 SIMS 측정 결과 70
[그림 2-41] Sun-shade 측정 결과 71
[그림 2-42] HLS에 의한 소자의 LIT signal 변화 72
[그림 2-43] HLS 전후 소자 특성 비교 72
[그림 2-44] 입사광 파장대역에 따른 I-V 특성 변화 73
[그림 2-45] LS에 의한 quantum efficiency (QE) 특성 변화 73
[그림 2-46] LS와 HLS의 가역성 차이 비교 74
[그림 2-47] HLS 전후에 대한 LIT image 비교 75
[그림 2-48] HLS 전후에 대한 EL image 비교 75
[그림 2-49] NaF PDT 공정시간에 따른 투광형 CIGS 태양전지의 SIMS 조성분석,... 78
[그림 2-50] CIGS 박막의 두께에 따른 광흡수층 미세구조 SEM 이미지와 태양전지 투과도 변화 79
[그림 2-51] CIGS 박막의 두께에 따른 투광형 CIGS 태양전지 전후면 발전 성능변화 80
[그림 2-52] 후면 투명 전극 종류에 따른 CIGS 박막의 표면형상 및 투광형 CIGS 태양전지의 성능 결과 81
[그림 2-53] 전면 투명전극 두께 변화에 따른 투명전극의 면저항과 투광형 CIGS... 82
[그림 2-54] PDMS 제조 방법 및 PDMS 적용 투광형 CIGS 태양전지의성능 82
[그림 2-55] 당해연도 제작된 최적화된 투광형 CIGS 태양전지의 단면사진 및 성능결과 83
[그림 2-56] cTiO₂ 두께에 따른 FTO 표면 SEM 사진 84
[그림 2-57] cTiO₂ 두께 최적화에 따른 태양전지 효율 84
[그림 2-58] mTiO₂ 두께에 따른 cross-section SEM 사진 85
[그림 2-59] mTiO₂ 두께 최적화에 따른 태양전지 효율 85
[그림 2-60] 다양한 양이온의 염화물을 첨가하였을 때 광흡수층의 XRD 패턴 86
[그림 2-61] 다양한 양이온 염화물 첨가제에 따른 태양전지 효율 곡선(좌) 및 분포(우) 86
[그림 2-62] 페로브스카이트 전구체 농도에 따른 태양전지 효율 87
[그림 2-63] 페로브스카이트 태양전지 단면의 전자현미경사진 88
[그림 2-64] Octylammonium iodie 농도에 따른 안정성 88
[그림 2-65] Li-TFSI첨가량에 따른 전하수명 89
[그림 2-66] Li-TFSI첨가량에 따른 태양전지 효율 89
[그림 2-67] 페로브스카이트 흡수층의 두께에 따른 태양전지 효율 및 양자효율 90
[그림 2-68] 페로브스카이트 층의 두께에 따른 광투과도 90
[그림 2-69] Epoxy, UV-resin, Cl첨가제와 UV-resin 동시 적용 시 장기 안정성 91
[그림 2-70] 홀 전달층의 전자현미경 단면 사진 91
[그림 2-71] 홀 전달층 두께에 따른 태양전지 효율 92
[그림 2-72] 홀 전달층 두께에 따른 태양전지 안정성 92
[그림 2-73] TiO₂ 두께에 따른태양전지 안정성 93
[그림 2-74] PTAA 와합성된 PTAA-A, PTAA-H의 구조 및 코팅 후 필름의 형태 93
[그림 2-75] 나프탈렌의 도입한 신규 정공 수송물질 Spiro-Naph의 구조와 소자 측정 결과 94
[그림 2-76] 불소를 도입한 신규 물질 Spiro-2F와 Spiro-3F와 소자 측정 결과 95
[그림 2-77] 알킬쇄가 개질된 Spiro-OMeTAD 기반 정공 수송층 소재의 합성법 및 구조와... 95
[그림 2-78] DFT로 예측된 비납계 광흡수체 CsBi₃I₁₀ 결정구조들, 전자밴드구조 및... 96
[그림 2-79] (a) bulk CsPbBr₃ 결정구조 및 (b) 물 추가 후 CsPbBr3 변형에 따른... 97
[그림 2-80] 패턴된 구리/그래핀 하이브리드 투명전극과 개발된 전극을 사용한 소자 효율 97
[그림 2-81] 패턴된 투명 은나노선 전극 공정 과정과 SEM 사진, 특성과 소자 JV 그래프 98
[그림 2-82] Sb₂O₃ 두께에 따른 투명전극 면저항 최적화, 두께에 따른 투과도 최적화 99
[그림 2-83] 기존 소재 Spiro-OMeTAD의 구조 및 나프탈렌이 도입된 세가지 신규 정공... 99
[그림 2-84] 합성된 나프탈렌 기반 신규 소재의 페로브스카이트 태양전지 성능 측정 100
[그림 2-85] Spiro-OMeTAD 및 Spiro-Naphthalene의 안정성 측정 100
[그림 2-86] 기존 소재 및 신규 소재들의 Steady-state PL 및 TRPL 데이터 100
[그림 2-87] Spiro-Naphthalene 소자의 Li-TFSI additive 함량에 따른 효율 변화 분석 101
[그림 2-88] 기존 소재 및 신규 소재의 광전기적 특성 분석 102
[그림 2-89] 기존 소재 및 신규 정공 수송층 소재들의 분자 구조 102
[그림 2-90] 신규 소재들의 성능 측정 102
[그림 2-91] 기존 소재 및 Spiro-2F 신규 소재의 안정성 비교 103
[그림 2-92] 기존 소재 및 신규소재들의 Steady-state PL 및TRPL 데이터 103
[그림 2-93] Spiro-2F 소자의 Li-TFSI additive 함량에 따른 효율 변화 분석 104
[그림 2-94] PI/Cu grid/GR 전극의 광학적 분석 105
[그림 2-95] PI/Cu grid/GR 전극의 안정성 분석 105
[그림 2-96] PI/Cu grid/GR 전극 기반 태양전지 성능 분석 106
[그림 2-97] PI/Cu grid/GR 전극 기반 태양전지 안정성 분석 106
[그림 2-98] (a) MAPbI3 구조, (b-d) 유무기 페로브스카이트 MAPbI₃ 표면과 리간드 BA,... 107
[그림 2-99] (a) Oleic acid(OA) 및 Oleylamine(OAm)이 Pnma CsPbBr₃(010) 표면에... 107
[그림 2-100] (a) MAS- 및 (b) SbSI-terminated MASbSI₃/TiO₂ slab 미세구조 108
[그림 2-101] 유연소자에 적합한 은 그리드전극을사용한태양전지 J-V 그래프 108
[그림 2-102] 다중Oxide-Metal 층을 이용한 투명전극 투과도 109
[그림 2-103] 지붕에 적용된 BIPV시스템 동작 모식도 111
[그림 2-104] 태양광 외장재의 종류 112
[그림 2-105] 북미 BIPV 시장규모 113
[그림 2-106] 북미 BIPV 유형별 시장규모 113
[그림 2-107] 미국 BIPV 시장규모 114
[그림 2-108] 캐나다 BIPV 시장규모 115
[그림 2-109] 유럽 BIPV 시장규모 115
[그림 2-110] 유럽 BIPV 국가별 점유율 92
[그림 2-111] 유럽 BIPV 유형별 시장규모 116
[그림 2-112] 유럽 태양광 누적설치('17년) 및 셀·모듈 수입 동향 117
[그림 2-113] 독일 BIPV 시장규모 118
[그림 2-114] 영국 BIPV 시장규모 119
[그림 2-115] 프랑스 BIPV 시장규모 120
[그림 2-114] 스페인 BIPV 시장규모 120
[그림 2-117] 이탈리아 BIPV 시장규모 121
[그림 2-118] 기타 유럽 BIPV 시장규모 121
[그림 2-119] 아시아-태평양 BIPV 시장규모 122
[그림 2-120] 아시아-태평양 BIPV 유형별 시장규모 122
[그림 2-121] 일본 BIPV 시장규모 123
[그림 2-122] 중국 BIPV 시장규모 123
[그림 2-123] 호주 BIPV 시장규모 125
[그림 2-124] 동남아시아 지역 BIPV 시장규모 125
[그림 2-125] 기타 아시아-태평양 지역 BIPV 시장규모 126
[그림 2-126] 라틴아메리카 BIPV 시장규모 126
[그림 2-127] 라틴아메리카 BIPV 유형별 시장규모 127
[그림 2-128] 브라질 BIPV 시장규모 127
[그림 2-129] 멕시코 BIPV 시장규모 128
[그림 2-130] 기타 라틴아메리카 지역 BIPV 시장규모 129
[그림 2-131] 세계 BIPV 시장 주요 기업 생산량 비중(2016년 기준) 130
[그림 2-132] 세계 BIPV 시장 주요 기업 수익 비중(2016년 기준) 131
[그림 2-133] 연도별 국가별 전체 출원건수 132
[그림 2-134] 옥상형(좌) 및 벽면형(우) 특허 국가별 점유율 133
[그림 2-135] 옥상형(좌) 및 벽면형(우) 연도별 출원현황 133
[그림 2-136] 국가별 및 기술분류별 주요출원인 134
[그림 2-137] 세계 양면수광형 모듈 시장점유율(좌)(출처 : ITRPV 2018 Results) 및... 135
[그림 2-138] 해외 양면수광형 결정질 실리콘 모듈 설치사례 136
[그림 2-139] 태양광 모듈의 도시구조물 설치사례 136
[그림 2-140] 태양전지 기술별 세계 연간 생산량 137
[그림 2-141] 박막 태양전지의 시장 점유율 137
[그림 2-142] 박막 태양전지 연간 생산량 137
[그림 2-143] 2017-2026 세계 BIPV 기술별(좌); 건물적용위치별(중); 건물종류별(우)... 138
[그림 2-144] 주요 국가의 PV 발전단가와 평균소매전기요금(2010-2016) 139
[그림 2-145] 2017-2026 세계 BIPV 기술별(좌상); 지역별(우상);... 139
[그림 2-146] CIGS 박막 태양전지의 기타 응용 140