양면형 페로브스카이트 태양전지 시뮬레이션 튜토리얼: OghmaNano에서의 양면 조사 및 광학 분석

1. 양면형 페로브스카이트 태양전자란 무엇인가?

양면형 태양전지는 전면과 후면 양쪽 표면에 입사하는 빛을 동시에 흡수하도록 설계된 광전지 장치입니다 (??). 일반적인 단면형 태양전지의 경우 오직 상단면만이 빛에 노출되며 후면 전극은 불투명하기 때문에 장치 후면에 도달하는 빛은 손실됩니다. 반면 양면형 구조에서는 전면 및 후면 전극 모두 ITO(인듐 주석 산화물)나 FTO(플루오린 도핑 주석 산화물)와 같이 투명하거나 반투명한 재질로 제작되어 주변 환경에서 반사되거나 산란된 빛을 후면에서도 흡수할 수 있습니다.

페로브스카이트 태양전지(PSC)의 경우 양면형 구동 방식은 다음과 같은 이유로 특히 매력적이다:

• 페로브스카이트 흡수층(예: MAPbI₃)은 매우 높은 흡수 계수를 가지므로, 아래쪽에서 오는 광자들도 효율적으로 흡수할 수 있다.
• 전자 수송층으로서의 TiO₂와 정공 수송층으로서의 Spiro-OMeTAD로 구성된 두 전하 수송층은 충분히 얇고 투명하게 제작될 수 있어 후면 조사를 크게 차단하지 않는다.
• 실제 현장 환경에서, 특히 반사광이 많은 흰색 표면 위에 설치된 양면형 모듈의 경우 후면 조사가 단면형 모듈 운용 시에 비해 5~30% 정도의 전력 출력 증가를 가져올 수 있다.

양면성 계수 η_bif는 후면 효율과 전면 효율의 비율로 정의됩니다.

\[ \eta_{\text{bif}} = \frac{\eta_{\text{rear}}}{\eta_{\text{front}}} \]

이상적인 양면형 소자는 ηbif 값이 1이 되어 어느 쪽에서 조사되더라도 동일한 성능을 발휘합니다. 실제로는 전하 수송층의 비대칭성 및 각 전극의 투명도에 따라 페로브스카이트 양면형 태양전지의 ηbif 값은 0.7에서 0.95 사이를 나타내는 경우가 많습니다.

OghmaNano에서는 양면형 작동을 모델링하기 위해 두 개의 독립적인 광원 객체, 즉 위쪽(y0)에서 조사하는 광원과 아래쪽(y1)에서 조사하는 광원을 추가한 뒤 이들을 광학 전달 행렬 해석기로 연결합니다. 본 튜토리얼은 템플릿 시뮬레이션을 불러오는 단계부터 최종적으로 생성된 광학장 및 J-V 특성을 분석하는 과정까지 전체 워크플로우를 단계별로 설명합니다.

2. 양면형 페로브스카이트 시뮬레이션을 새로 생성하기

Windows에서 OghmaNano를 실행한 뒤 ‘새 시뮬레이션’을 선택하십시오. 그러면 ??에 표시된 소자 라이브러리가 열립니다. ‘Perovskite cells’를 더블클릭하여 페로브스카이트 예제 폴더를 열면 ??에 나타난 다양한 페로브스카이트 템플릿 목록을 확인할 수 있습니다. ‘Perovskite Bifacial Solar Cell (MAPI)’를 더블클릭하여 양면형 예제를 불러오십시오. 이후 로컬 드라이브 상의 대상 폴더를 지정하고 ‘저장’을 클릭하시면 됩니다.

3. 시뮬레이션을 실행한 뒤 J-V 곡선을 확인하십시오

파란색 버튼을 클릭하십시오 시뮬레이션 실행 툴바에 있는 버튼을 클릭하거나(또는 키를 누르면) F9)를 클릭하여 정상상태 J-V 계산을 시작합니다. 시뮬레이션이 완료되면 출력 결과 탭. 시뮬레이션 결과가 표시되는 출력 탭입니다. ??, 시뮬레이션 디렉터리에 생성된 모든 결과 파일들을 나열합니다. 더블클릭하여 열 수 있습니다. jv.csv J-V 곡선 뷰어를 열려면, 그림과 같이 수행하면 됩니다. ??.

양면형 소자의 J-V 곡선에서 가장 두드러지는 특징은 단락전류밀도 JSC입니다. 일반적인 단면형 MAPbI₃ 페로브스카이트 소자가 1 Sun 조사 조건 하에 있을 때 JSC는 약 200~250 A m⁻² 수준입니다. 그러나 양면에서 각각 1 Sun 강도의 광원을 조사했을 경우 JSC는 거의 두 배로 증가하여 약 500 A m⁻²에 이릅니다. 이는 양면에서 광자가 흡수되어 MAPI 흡수층 내에 자유 캐리어가 생성되기 때문입니다. 반면 개방전압 VOC는 광전류에 대해 로그 함수 관계를 가지므로 증가 폭이 상대적으로 작습니다.

4. 광원 설정 사항을 확인하십시오

이중 조사가 어떻게 설정되는지 확인하려면 메인 창 상단에 위치한 광학 리본(?? 참조)으로 이동한 뒤 ‘광원’을 클릭하십시오. 그러면 현재 시뮬레이션에 연관된 모든 광원 객체가 표시되는 광원 편집기가 열립니다.

광원 편집기의 왼쪽 패널에는 Top 및 Btm(하단)이라는 두 개의 항목이 표시됩니다. 광원은 OghmaNano 내의 다른 모든 객체와 마찬가지로 물리적인 x, y, z 좌표와 크기를 가지며 이는 객체 탭(??)에서 확인할 수 있습니다. 일반적인 면 조사(상단, 하단, 좌측, 우측, 전면, 후면)의 경우 이러한 공간적 특성은 중요하지 않으며, 광원은 시뮬레이션 영역 외부에서 입사하는 것으로 간주됩니다. 다만 장치 내부의 특정 위치에 광원을 배치할 경우에만 이러한 속성이 중요해집니다.

구성 탭을 클릭하여 조사 방향을 설정합니다. 본 양면형 예시에서는 Top 항목을 Top (y0) (??)로, Btm 항목을 Bottom (y1) (??)로 지정하였습니다.

이 두 광원 객체를 함께 사용하면 실제 양면형 태양전지의 작동 조건을 재현할 수 있다. 즉, 직사광선은 상단(y0)에서 FTO 전극을 통해 입사하고, 산란광이나 반사광은 하단(y1)에서 유리 기판 및 ITO 전극을 통해 입사하게 된다. 기본적으로 두 광원 모두 동일한 AM1.5G 스펙트럼을 사용하는데, 이는 후면 조사광의 세기가 전면 조사광과 동일한 경우에 해당하며 양면형 이득 분석을 위한 유용한 상한값이 된다. 실제 환경에서는 후면 조사광의 세기가 전면 조사광의 10~30% 수준인 경우가 많으므로 각 광원의 ‘Light source’ 탭에서 광강도를 조정함으로써 이를 변경할 수 있다.

5. 광학 분석 – 광자 분포 및 흡수된 광자 밀도

시뮬레이션을 실행한 후 광학 탭으로 돌아가 전달행렬법(TMM)을 클릭하십시오. 그러면 장치 내부의 광장에 대한 상세한 시각화 정보를 제공하는 광학 시뮬레이션 편집기가 열립니다. 아래 그림들에는 세 가지 주요 결과가 나타나는데, 바로 전체 광자 분포(??), 흡수된 광자 밀도(??), 그리고 1차원 형태로 정리된 생성률 분포(??)입니다.

??에 나타난 생성률 분포를 보면 MAPI 흡수층의 양단에서 각각 피크가 관찰된다. 하나는 상단에서 빛이 입사하는 TiO₂/MAPI 계면(y ≈ 0.3 µm)에 위치하고, 다른 하나는 하단에서 빛이 입사하는 MAPI/Spiro 계면(y ≈ 0.7 µm)에 위치한다. 단면형 소자에서는 첫 번째 피크만 존재하며, 빔-람베르트 흡수 법칙에 따라 흡수층 내에서 생성률이 지수적으로 감소한다. 후면 조사가 추가되면 두 번째 피크가 생성되고 전체 생성률의 적분값, 즉 단락전류밀도(JSC)가 약 두 배 수준으로 증가하게 된다.

6. 반사율 및 투과율 스펙트럼

여전히 광학 시뮬레이션 편집기 상태에서 반사광 탭(??)을 클릭한 뒤 투과광 탭(??)을 선택합니다. 상단 표면(reflect0.csv)과 하단 표면(reflect1.csv)에서 얻어진 반사 스펙트럼은 서로 뚜렷하게 다릅니다. 이는 입사광이 각 표면에서 마주하는 계면 배열이 상이하기 때문에 발생하는 현상이며, 그 결과 진동하는 박막 간섭 무늬의 위상과 진폭도 달라집니다. 반면 투과 스펙트럼들은 동일한 형태를 보입니다. transmit0.csv와 transmit1.csv 파일의 데이터가 서로 정확히 일치하는데, 이는 광학적 상호성 원리에 따른 결과입니다. 이 원리에 따르면 수동적이고 선형적인 광학 구조체에서의 투과도는 빛이 어느 방향에서 입사하든 동일하게 나타납니다. 반사도의 경우에는 그러한 제약이 존재하지 않으며, 각 표면에서 관측되는 계면 배열에 따라 달라지므로 두 반사 스펙트럼이 서로 다르게 나타나는 것입니다.

7. 하단 광원을 비활성화하여 단면 조사 방식을 비교하기

단일 광원만 활성화되었을 때 광학 분포가 어떻게 변하는지 확인하려면 Optical 리본으로 돌아가서 Light Sources를 클릭하여 광원 편집기를 다시 열어야 합니다. 왼쪽 패널에서 Btm 광원을 선택한 뒤 편집기 상단의 도구 모음에 있는 버튼을 클릭합니다. 해당 버튼에는 현재 ‘Enabled’(녹색 체크 아이콘)이라고 표시되어 있습니다. 이 버튼을 클릭하여 하단 광원을 비활성화 상태로 전환합니다. 이후 광학 시뮬레이션 편집기에서 ‘Run optical simulation’ 버튼을 클릭하면 상단 광원만 활성화된 상태로 광학 결과가 업데이트됩니다.

단면(상단만) 조사 조건 하에서 업데이트된 광자 분포, 흡수된 광자 밀도 및 1차원 생성률 분포가 각각 ??, ??, ??에 제시되어 있다.

양면형 및 단면형 광학 시뮬레이션 결과 간의 대비는 양면형 구조에서 전류 증가가 발생하는 물리적 원인을 명확히 보여준다. 상단 광원만 활성화된 경우 생성률은 조사가 이루어지는 계면 근처에서 급격히 최대값을 보인 뒤 흡수층 내에서 지수적으로 감소한다. 양쪽 광원이 모두 활성화되면 후면에서도 대칭적인 형태의 두 번째 생성률 피크가 나타나며, 이로 인해 전체 생성률의 적분값 즉 단락전류밀도(JSC)가 거의 두 배 수준으로 증가하게 된다.

요약 및 학습 내용

이 튜토리얼에서는 공기/FTO/TiO₂/MAPI/Spiro/ITO/유리/공기로 구성된 구조를 갖는 MAPbI₃ 기반 페로브스카이트 태양전지에 대해 OghmaNano에서 양면형 시뮬레이션을 수행하는 방법을 소개했습니다. 불투명한 후면 전극 대신 투명한 ITO 층을 사용함으로써 양면에서 빛이 동시에 흡수되어 단락전류밀도(JSC)가 거의 두 배로 증가하는 반면, 개방전압(VOC)은 광전류에 대한 로그 관계식에 따라서만 소폭 상승함을 확인했습니다. MAPI 흡수층의 양단부에서 생성률 분포가 최대값을 보이는 현상은 바로 이러한 양면 조사의 광학적 특징입니다. 반사율 및 투과율 스펙트럼 분석 결과, 각 면에서 관측되는 반사 스펙트럼은 서로 다르지만 광학적 상호성 원리에 따라 투과 스펙트럼은 양방향에서 동일함이 확인되었습니다. 마지막으로 하단 광원을 비활성화하자 생성률 분포가 단일 피크로 변하고 흡수 현상이 비대칭화되어 기존의 단면형 태양전지 특성으로 회귀함을 확인할 수 있었습니다.