KR20200027901A - 전자 소자의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 전자 소자가 보다 높은 안정성 및 수명을 가질 수 있도록 하는 구동 방법을 제안한다. 보다 구체적으로는 페로브스카이트(perovskite) 태양 전지, 유기 태양 전지 등을 포함한 전력공급원이나 기타 다른 전자 소자들이 보다 높은 안정성 및 수명을 가질 수 있도록 하는 전자 소자의 구동 방법을 제안한다.

Description

전자 소자의 구동 방법{A method for driving an electronic element}
본 발명은 전자 소자의 구동 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 페로브스카이트(perovskite) 태양 전지, 유기 태양 전지 등을 포함한 전력공급원이나 기타 다른 전자 소자들이 보다 높은 안정성 및 수명을 가질 수 있도록 하는 전자 소자의 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양 전지의 전류전압특성을 통하여 알 수 있는 최대효율부하에서의 전력수수방법을 최대 전력점 추종 방식(Power Point Tracking: MPPT)이라 한다. 페로브스카이트 태양 전지에 부하가 인가되면 결정립 경계(grain boundary), 결함(defect), 및 경계면(interface)에 갇힌 전하(trapped charge)가 축적되며, 이 때 축적된 갇힌 전하는 광 흡수 층의 물질과 공기 중의 수분 및 산소간의 비가역적 화학 반응을 촉진시켜 성능이 급격하게 저하됨을 본 발명의 발명자들이 최근 연구를 통해 밝혀내었다("Trapped charge driven degradation of perovskite solar cells", 최만수 외 8인 저, 2016.4.27. 및 "Atomistic mechanism for trapped-charge driven degradation of perovskite solar cells", 최만수 외 6인 저, 2017.9.13. 참조).
한편, 종래의 최대 전력점 추종방식은 태양 전지가 시간당 최대한 전력을 생산할 수 있는 조건에서 전력을 수수하는 방식으로, 안정적인 무기태양 전지에 적용시키기에는 무리가 없었다. 하지만, 종래의 최대 전력점 추종방식을 그대로 페로브스카이트 태양 전지에 적용하였을 때에는, 광흡수 층에 갇힌 전하가 계속 축적되며, 이는 광흡수 층과 공기 중의 수분 및 산소 간의 비가역적 화학반응을 촉진시켜 성능을 급격히 저하시키게 된다. 즉, 최근 연구되고 있는 유/무기 페로브스카이트 태양 전지의 경우 가격이 싸고 발전효율이 좋다는 장점 이면에는, 상당히 낮은 안정성 때문에 기껏해야 몇 달에 걸친 수명을 보이고 있다는 문제점이 있다.
유/무기 페로브스카이트 태양 전지 등의 전력공급원은 상당히 낮은 안정성으로 길어야 몇 달 정도의 수명을 보이는데, 유/무기 페로브스카이트 태양 전지의 수명 연장은 최소 년 단위를 필요로 하는 상용화 단계를 위해 반드시 해결해야 할 과제이다.
따라서, 유/무기 페로브스카이트 태양 전지 등의 전력공급원이 상용화되기 위해서는 전하축적에 대한 장기안정성을 가진 새로운 전력수수방법이 요구된다.
또한, 유/무기 페로브스카이트 태양 전지 이외의 다른 전자 소자들에도 장기안정성 확보를 위한 새로운 구동방법이 요구된다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 전자 소자를 구동하는 단계; 및 상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 전자 소자는 전력 공급원이고, 상기 전자 소자를 구동하는 단계는 상기 전력 공급원을 구동하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 전력 공급원을 구동하는 단계는 상기 전력 공급원의 최대 전력점에서 전력을 추출하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계는, 소정의 시간 간격으로 상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계는, 소정의 조건의 만족 시에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 스텝(step), 램프(ramp), 사인파(sine wave), 및 이들의 연산을 통하여 생성되는 신호로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어지는 펄스 신호일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 전력 공급원은 태양 전지일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 태양 전지는 페로브스카이트 태양 전지일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 태양 전지는 유기 태양 전지일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 전자 소자는 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 센서, 및 유기 메모리 소자로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 상기 전자 소자의 특성 정보를 근거로 산출되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 전자 소자는 태양전지이며, 상기 특성 정보는 Isc, Rsh, Rs, i0, mkbT, Voc, Imax, Vmax, Pmax, FF 및 Eff 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 특성 정보는 jv sweep를 통하여 계측되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 특성 정보는 유한개의 jv 값 기반 연산을 통하여 계측되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 jv 값은 구동 전압보다 0.3V 작은 전압에서부터 구동 전압보다 0.3V 큰 전압까지의 값 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 유한개 jv 값의 일부는 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보에서 선정되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 상기 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보를 근거로 최대 전력점에서 전력을 추출하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압은 0보다 작은 값으로 산출되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압은 수학식 1에 의해 산출되는 것일 수 있다.
[수학식 1]
Vp=-r×Isc×Rs
Vp는 펄스 전압이고, r은 0.9 내지 2의 상수이며, Isc는 전자 소자의 단락 전류이고, Rs는 전자 소자의 직렬 저항이다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압은 수학식 2에 의해 산출되는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Vp=-r×Voc
Vp는 펄스 전압이고, r은 0.1 내지 0.3의 상수이며, Voc는 전자 소자의 개방 전압이다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 0보다 큰 값으로 산출되는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전압은 수학식 3에 의해 산출되는 것일 수 있다.
[수학식 3]
Vp=r×Voc
Vp는 펄스 전압이고, r은 1 내지 1.2의 상수이며, Voc는 전자 소자의 개방 전압이다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 펄스 전류는 수학식 3에 의해 산출되는 것일 수 있다.
[수학식 4]
Ip=Isc×r
Ip는 펄스 전류이고, r은 0.1 내지 1의 상수이며, Isc는 전자 소자의 단락 전류이다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 상기 전자 소자에 펄스 전압을 인가하는 단계 이후에, 수학식 5에 의해 오차율 ε을 산출하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
[수학식 5]
ε=100×((-Isc-Iout)/(-Isc))
Iout는 펄스 전압이 가해진 전자 소자에서 출력되는 전류 값이고, Isc는 전자 소자의 단락 전류이다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 상기 오차율 ε을 산출하는 단계 이후에 상기 오차율 ε가 특정 수치 이상이 되면 개방 전압 Voc보다 큰 펄스 전압을 전자 소자에 인가하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법에서 상기 태양 전지는 광을 집중시키는 집광 수단과 결합되는 것일 수 있다.
본 발명은 전력 공급원의 전력수수방법을 최대 전력점 추종 뿐 아니라 최대 전력점 추종 및 안정화(Maximum Power Point Tracking & Stabilizing)를 위하여 특정 펄스를 특정 주기로 인가함으로써, 이러한 전력수수방법에 의하여 주기적인 휴식을 통한 수명증가 라는 단순한 원리에 그치지 않고 최대 전력점 추종방식 동안 축적된 갇힌 전하를 펄스를 통하여 고르게 재분배 시킴으로써 광흡수층과 공기 중의 수분 및 산소간의 화학반응을 억제하여 수명을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 소자 내부에 쌓인 전자와 정공을 효과적으로 추출하기 때문에, 전자와 정공이 소자 내부에 축적되어 소자의 수명이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 센서, 및 유기 메모리 소자 등의 전자 소자의 수명을 증가시키고 장기 안정성을 확보할 수 있는 구동 방식을 제공할 수 있다.
특히, 집광형 태양광 발전(Concentrator Photovoltaic, CPV)과 같이, 집광된 강한 세기의 빛이 소자에 조사되어, 소자 내부에 전자와 정공 생성이 가속되는 경우에 본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 효과적으로 장치의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용가능한 전자 소자 중에서 전력 공급원(100)(예를 들면, 태양 전지)의 전기적 회로 모델을 도시한다.
도 2는 본 발명에 적용가능한 전력 공급원(100)(예를 들면, 태양 전지)의 전류 전압 특성 곡선과 출력 전압 특성 곡선을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 최대 전력점에서의 전압 값 및 펄스 전압이 인가되는 경우의 부하 전압 그래프를 보여준다.
도 4는 도 3의 그래프에서 순방향(forward) 바이어스 펄스 전압이 인가되는 경우를 개략적으로 확대하여 스케일링된 그래프 및 그에 따른 전류 그래프를 보여준다.
도 5는 본 발명에 적용가능한 펄스의 예시들을 보여준다.
도 6은 부하가 없는 상황(즉, 부하 전압=0, 단락 전류의 경우)에서 페로브스카이트 태양 전지를 구동하면서 펄스의 유무에 따른 전류 및 최대 전력의 차이들을 보여준다.
도 7은 실험소자의 초기 전류전압특성곡선을 보여준다.
도 8은 펄스가 인가되지 않은 경우와 역방향 펄스가 인가된 경우의 정규화된 최대 전력을 비교한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 인가된 전자 소자와 최대 전력점 추종(MPPT) 방식으로만 작동하는 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 11의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 인가된 전자 소자와 MPPT 방식으로만 작동하는 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 13의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 개방회로(OC) 조건하에 있는 전자 소자에 가해졌을 경우와 그렇지 않은 경우에 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 펄스 전류을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 전력수수방법을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 발명에 따른 전자 소자의 구동 방법은:
상기 전자 소자를 구동하는 단계(S10); 및
상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계(S20)를 포함한다.
전자 소자는 전력 공급원(100), 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 센서, 유기 메모리 소자 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 전력 공급원(100)은 빛, 열, 전자기파, 진동 등의 에너지원으로부터 전력을 생성할 수 있다. 전력 공급원은 예를 들어, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 태양 전지일 수 있고, 유/무기 페로브스카이트 태양 전지, 유기태양 전지 등의 유기전자소자 등일 수 있다.
전자 소자를 구동하는 단계(S10)는 전력 공급원(100)을 구동하는 단계를 포함한다. 또한, 전력 공급원(100)을 구동하는 단계는 전력 공급원(100)의 최대 전력점에서 전력을 추출하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 적용가능한 전자 소자 중에서 전력 공급원(100)(예를 들면, 태양 전지)의 전기적 회로 모델을 도시한다. 도 1을 참조하면, 전력 공급원(100)(예를 들면, 태양 전지)의 전기적 회로 모델은 전류원(IS)과 다이오드(DS), 저항들(RS, RSH)로 구성될 수 있다. 태양 전지의 전기적 회로 모델에서 생성되는 전압(V)과 전류(I)에 의해 태양 전지의 전기적 회로 모델에서 생성되는 전력을 알 수 있다.
전력 공급원(100)(예를 들면, 태양 전지)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 전압 특성 곡선과 출력 전압 특성 곡선을 가지며, 이러한 태양 전지처럼 전력 공급원(100)이 비선형 특성을 가지는 경우, 전력 공급원(100)에서 최대 전력이 추출되도록 하기 위해서 전력 공급원(100)으로부터 발생하는 전력을 모니터링하여 최대 전력점에서 전력을 수수한다. 태양 전지의 전류 전압 특성을 통하여 알 수 있는 최대 효율 부하에서의 전력 수수 방식을 최대 전력점 추종 방식(MPPT)이라 한다. 전자 소자를 구동하는 단계(S10) 중에서도 예를 들어, 전력 공급원의 최대 전력점에서 전력을 추출하는 단계에서는, 최대 전력점 추종 방식(MPPT)에 따라 전력을 수수한다.
그러나, 최대 전력점에서 계속적으로 전력을 수수하게 되는 경우, 광흡수층에 갇힌 전하가 계속 축적되며, 이는 광흡수층과 공기 중의 수분 및 산소 간의 비가역적 화학반응을 촉진시켜 성능을 급격히 저하시키게 된다.
그에 따라, 본 발명에서는, 상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계(S20)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전력 공급원(100)에 인가되는 바이어스 전압으로서 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 방식으로 구현될 수도 있다. 도 3의 그래프에서, 검은색 선은 최대 전력점에서의 전압 값을 나타내고, 파란색 선 또는 빨간색 선은 최대 전력점에서의 전압 값에 변화를 주기 위하여 인가되는 펄스 전압을 의미한다. 구체적으로, 파란색 선은 순방향(forward) 바이어스 펄스 전압이 인가되는 경우로서, 최대 전력점의 전압보다 더 큰 부하 전압을 인가하는 펄스 전압이 인가되는 경우를 의미한다. 빨간색 선은 역방향(reverse) 바이어스 펄스 전압이 인가되는 경우로서, 전력 공급원(100)의 광전류 방향으로 전압을 인가하는 펄스 전압이 인가되는 경우를 의미한다. 도 4는 도 3의 그래프에서 순방향(forward) 바이어스 펄스 전압이 인가되는 경우를 개략적으로 확대하여 스케일링된 그래프 및 그에 따른 전류 그래프를 보여준다.
그러나, 본 발명은 상술한 것에 한정되지 않고, 최대 전력점 보다 더 큰 부하를 인가하는 순방향 펄스(forward)나 태양 전지의 광전류 방향으로 전압을 인가하는 역방향 펄스(reverse) 등의 간단한 펄스부터, 소자를 고려하여 고도로 디자인된 펄스까지 스텝(step), 램프(ramp), 사인파(sine wave), 및 이들의 연산을 통하여 생성되는 신호 등으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어지는 펄스 신호가 인가될 수도 있다.
도 5는 본 발명에 적용가능한 펄스의 예시들을 보여준다. forward step, reverse step, ramp 1, ramp 2, sine wave 등의 펄스 신호들의 예시를 보여주며, 이들의 “&” 또는 “*” 등의 연산 기호를 통하여 생성될 수 있는 모든 개형이 본 발명에 적용 가능한 펄스일 수 있다. 또한, 사인파의 경우, 주파수와 위상 등의 값을 변형하여 구현된 다양한 사인파 펄스를 적용할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 페로브스카이트 태양 전지에 부하가 인가되면 결정립 경계(Grain Boundary), 결함(Defect), 및 경계면(Interface)에 갇힌 전하(trapped charge)가 축적되며, 이 때 축적된 갇힌 전하는 광 흡수층의 물질과 공기 중의 수분 및 산소간의 비가역적 화학 반응을 촉진시켜 성능 감소의 원인이 되지만, 본 발명에 의하면, 이러한 전하는 적절한 전기적 펄스를 통해 고르게 재분배(detrap)될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전자 소자(예를 들어, 전력 공급원(100))은 바이어스 전압으로서 펄스 회로를 인가할 수 있는 제어 회로(미도시)에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계(S20)는 소정의 시간 간격으로 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 기존의 최대 전력점 추종 방식으로 페로브스카이트 태양 전지로부터 전력을 수수하는 도중에, 소정의 시간 간격으로 전력 공급원(100)을 안정화시킬 수 있는 펄스 신호를 인가할 수 있다. 소정의 시간 간격은 예를 들면, 0.1초 내지 1초 일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계(S20)는 소정의 조건의 만족 시에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함할 수도 있다. 소정의 조건으로서, 가령 온도 효과 외 효율 저하 등의 조건이 충족되는 경우, 펄스 전압 또는 펄스 전류가 인가될 수 있다. 예를 들면, 효율 저하 구간에 따라서 태양전지의 성능 변화 양상이 다르기 때문에, 소정의 조건에 따라서 가장 적합한 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가할 수 있다. 보다 구체적으로는, 소자의 성능 저하가 나타나기 시작 전, 성능 저하의 초기 구간, 성능 저하가 많이 진행된 구간에서 다른 최적화된 펄스를 인가할 수 있다.
도 6은 부하가 없는 상황(load voltage=0, short circuit)에서 페로브스카이트 태양 전지를 구동하면서 펄스의 유무에 따른 따른 전류 및 최대 전력의 차이들을 보여주며, 30분 간격으로 전류전압곡선을 측정하며 얻은 결과이다. 도 6으로부터, 펄스를 인가한 경우 그렇지 않은 경우보다 더 긴 수명을 가짐을 알 수 있다.
도 7은 실험소자의 초기 전류전압특성곡선이며, 두 소자의 초기성능이 같았음을 알 수 있다. 도 7의 실험소자로서 예를 들어, 인듐 주석 산화물(Indum Tin Oxcide), 풀러렌(Fullerene), 페로브스카이트 광 흡수층(CH3NH3PbI3), 스파이로(Spiro-MeOTAD), 금 전극(Au) 순으로 평면접함(planar junction) 구조로 제작된 페로브스카이트 태양 전지를 사용한 것이다. 도 7로부터, 펄스 전압을 인가하지 않은 소자보다 역방향 펄스 전압을 인가한 소자가 수명이 더 긴 원인이 초기상태의 차이에서 기인한 것은 아님을 알 수 있다.
도 8은 펄스가 인가되지 않은 경우(파란색 선)와 역방향 펄스가 인가된 경우(주황색 선)의 정규화된 최대 전력을 비교한 그래프이다.
소자에 인가되는 펄스 전압 또는 펄스 전류는 전자 소자의 특성 정보를 근거로 산출될 수 있다. 전자 소자가 태양전지일 경우, 특성 정보는 Isc, Rsh, Rs, i0, mkbT, Voc, Imax, Vmax, Pmax, FF 및 Eff 중 하나 이상을 포함할 수 있다. Isc는 전자 소자의 단락 전류로 전자 소자의 전압이 0일 때의 전류 값이다. Rsh는 전자 소자의 단락 저항이다. Rs는 전자 소자의 직렬 저항이다. i0는 역방향 포화 전류이다. mkbT는 열적요동(KbT)와 전자 소자의 통계적 특성(m)을 고려한 전자 소자의 특성계수이다. Voc는 전자 소자의 개방 전압으로 전자 소자의 전류가 0일 때의 전압 값이다. Imax는 최대 전력점에서의 전류 값이다. Vmax는 최대 전력점에서의 전압 값이다. Pmax는 최대 전력점에서의 전력 값이다.
FF는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmax×Imax) 을 Voc와Isc의 곱으로 나눈 값이다
Eff는 소자의 구동 효율이며, 예를 들어, 소자 면적당 Isc, Voc 및 FF의 곱의 값(Eff = (Isc × Voc × FF)/(단위 면적))으로 산출될 수 있다.
전자 소자의 특성 정보는 jv sweep를 통하여 계측될 수 있다. jv sweep은 전자 소자의 구동 특성 알기 위해 특정 전압을 걸면서 전류를 측정하여 j-v curve를 얻는 것일 수 있다. j는 면전류밀도, v는 전압일 수 있다.
특성 정보는 유한개의 jv 값 기반 연산을 통하여 계측될 수 있다. jv 값은 구동 전압보다 0.3V 작은 전압에서부터 구동 전압보다 0.3V 큰 전압까지의 값 중에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, jv 값은 구동 전압보다 0.2V 작은 전압에서부터 구동 전압보다 0.2V 큰 전압까지의 값 중에서 선택되는 것일 수 있다. jv 값은 전자 소자의 구동 특성을 알기 위해 면 전류 밀도를 측정하기 위해서 전자 소자에 가해지는 전압 값일 수 있다. 구동 전압은 전자 소자를 가동하기 위해 전자 소자에 가해지는 전압일 수 있다.
유한개 jv 값의 일부는 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보에서 선정될 수 있다. 즉, 전자 소자의 계측 시에 계측을 위한 변수들은 이전에 계측 되었던 전자 소자의 계측 정보를 근거로 얻을 수 있다. 구체적으로, 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보를 근거로 최대 전력점에서 전력을 추출할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이며, 도 10은 도 9의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 인가된 전자 소자와 MPPT 방식으로만 작동하는 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다. 일 실시예로서, 펄스 전압 Vp는 단락전류 Isc와 전자 소자 내부의 직렬 저항 Rs의 곱일 수 있다. 더 구체적으로, 두 파라미터의 곱셈 값에 음의 부호를 취하는 것으로 역방향 바이어스 펄스 전압 일 수 있다. 펄스 전압은 하기의 수학식 1로서 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Vp=-r×Isc×Rs
Isc는 단락 전류로 전자 소자 양단 사이의 전압 차이가 0일 때, 도선에 흐르는 전류 값을 의미한다. Rs는 전자 소자 내부의 직렬 저항 값으로 전류가 0일 때, 전압을 전류로 미분한 값일 수 있다. r은 구동 시에 지정된 상수 값일 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, Rs가 70ohm이고, Isc가 1.8mA일 때, 펄스 전압 Vp는 -0.126V일 수 있다.
도 10은 ITO / SnO2 / (FAI)0.9(MABr)0.1PbI2 / Spiro-MeOTAD / Au (Glass encap) 소자로 실험한 데이터를 나타내는 그래프로서, 1시간 간격으로 jv-sweep을 수행하여 얻은 효율(pce)값을 초기값 대비하여 plotting 한 것이다. 도 10의 그래프는 MPPT 방식만으로 작동하는 소자의 경우(검정색)보다, 1시간 간격으로 30초동안 펄스 전압 Vp를 전자 소자에 가한 경우(빨간색)에 수명이 향상된 것을 나타내고 있다. MPPT 방식만으로 구동된 전기 소자의 경우 100시간 당 약 5%의 효율 감소를 보였으며, 본 발명의 전자 소자의 구동 방법으로 구동하는 소자의 경우보다 100시간 당 약 1%의 효율 감소를 보였다.
도 11은 다른 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이며, 도 12은 도 11의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 인가된 전자 소자와 MPPT 방식으로만 작동하는 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다. 다른 실시예로서, 펄스 전압 Vp는 개방 전압 Voc와 상수 값 r을 곱한 것일 수 있다. 더 구체적으로, 두 파라미터의 곱셈 값에 음의 부호를 취하는 것으로 역방향 바이어스 펄스 전압 일 수 있다. 펄스 전압은 하기의 수학식 2로서 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Vp=-r×Voc
Voc는 개방 전압으로 전자 소자에 흐르는 전류가 0일 때, 전자 소자의 양단 사이에 걸리는 전압일 수 있다. r은 구동 시에 지정된 상수 값일 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, Voc가 1.1V이고 r이 0.1일 때, Vp는 -0.11V일 수 있다.
도 12는 ITO / SnO2 / (FAI)0.9(MABr)0.1PbI2 / Spiro-MeOTAD / Au (Glass encap) 소자로 실험한 데이터를 나타내는 그래프로서, 1시간 간격으로 jv-sweep을 수행하여 얻은 효율(pce)값을 초기값 대비하여 plotting 한 것이다. 도 12의 그래프는 MPPT 방식만으로 작동하는 소자의 경우(검정색)보다, 1시간 간격으로 30초동안 펄스 전압 Vp를 전자 소자에 가한 경우(빨간색)에 수명이 향상된 것을 나타내고 있다. MPPT 방식만으로 구동된 전기 소자의 경우 100시간 당 약 5%의 효율 감소를 보였으며, 본 발명의 전자 소자의 구동 방법으로 구동하는 소자의 경우보다 100시간 당 약 3%의 효율 감소를 보였다.
도 13은 다른 실시예에 따른 펄스 전압을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이며, 도 14는 도 13의 그래프의 파라미터로 산출된 펄스 전압이 OC 조건하에 있는 전자 소자에 가해졌을 경우와 그렇지 않은 경우에 전자 소자의 효율을 비교하는 그래프이다. 다른 실시예로서, 펄스 전압 Vp는 개방 전압 Voc와 상수 값 r을 곱한 것으로, 순방향 바이어스 펄스 전압일 수 있다. 펄스 전압은 하기의 수학식 3로서 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Vp=r×Voc
Voc는 개방 전압으로 전자 소자에 흐르는 전류가 0일 때, 전자 소자의 양단 사이에 걸리는 전압일 수 있다. r은 구동 시에 지정된 상수 값일 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, Voc가 1V이고 r이 1.09일 때, Vp는 1.09V일 수 있다.
도 14는 ITO / C60 / MAPbI3 / Spiro-MeOTAD / Au 소자로 실험한 데이터를 나타내는 그래프로서, 1 sun 조건하에 계속적으로 노출된 전자 소자를 10분 간격으로 jv-sweep을 수행하여 얻은 효율(pce)값을 초기값 대비하여 plotting 한 것이다. 도 14의 그래프는 OC조건하에만 있는 경우(검정색)보다, 1분간격으로 60초 동안 펄스 전압 Vp를 가해주었을 때(빨간색) 수명이 향상된 것을 나타내고 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 펄스 전류을 산출하기 위한 파라미터를 나타내는 그래프이다. 다른 실시예로서, 펄스 전류 Ip는 단락 전류 Isc와 상수 값 r을 곱한 것으로, 순방향 바이어스 펄스 전류일 수 있다. 펄스 전류는 하기의 수학식 4로서 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Ip=Isc×r
Isc는 단락 전류로 전자 소자 양단 사이의 전압 차이가 0일 때, 도선에 흐르는 전류 값을 의미한다. r은 구동 시 지정되는 상수 값일 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, Isc가 1.8mA이고, r이 0.1일 때, 펄스 전류 Ip는 0.18mA일 수 있다.
본 발명의 전자 소자의 구동 방법은 전자 소자에 펄스 전압을 인가하는 단계 이후에, 하기 수학식 5에 의해 오차율 ε을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 오차율 ε을 산출하는 단계는 0보다 작은 펄스 전압이 전자 소자에 가해졌을 때 산출될 수 있다.
[수학식 5]
ε=100×((-Isc-Iout)/(-Isc))
Iout는 펄스 전압이 가해진 전자 소자에서 출력되는 전류 값이고, Isc는 전자 소자의 단락 전류이다. 오차율 ε값이 약 5%를 넘어갈 때 전자소자에 Voc보다 큰 펄스 전압이 가해질 수 있다.
상기와 같은 방식으로 산출된 펄스 전압은 집광형 태양광 발전 시스템에 사용되는 태양전지에 인가될 때, 더 큰 효과를 볼 수 있다. 태양광 발전 방법 중에 태양으로부터 입사한 빛을 모아서 적은 면적으로도 높은 출력을 내는 집광형 태양광 패널의 경우, 강한 세기의 빛이 입사하기 때문에 소자 내부에서 생성되는 전자와 정공의 수가 훨씬 더 많고 따라서 성능 감소가 더 빠르다고 알려져 있다. 이러한 집광형 태양광 발전 시스템에 본 발명의 전자 소자의 구동 방법이 적용될 경우 전자 소자 내부에 쌓인 전자와 정공을 효과적으로 추출해줄 수 있다.
집광형 태양광 패널에서 집광형 태양전지는 광을 집중시키는 집광 수단과 결합된 것일 수 있다. 집광 수단은 렌즈, 반사경과 같은 광을 집중시키는 광학장치일 수 있다.
본 발명의 일 예시로서, 전력 공급원(100)의 경우를 들어 일 실시예로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 바에 한정되지 않고, 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 센서, 유기 메모리 소자 등의 구동 중에 펄스 전압을 인가하는 방식으로 구현할 수 있는 등, 본 발명이 구현되는 다양한 조건 및 환경에 맞게 다양한 변형, 변경, 응용이 가능하다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구 범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 전력공급원

Claims (26)

  1. 전자 소자를 구동하는 단계; 및
    상기 전자 소자에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 전자 소자의 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 전력 공급원이고,
    상기 전자 소자를 구동하는 단계는 상기 전력 공급원을 구동하는 단계를 포함하는, 전자 소자의 구동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 공급원을 구동하는 단계는 상기 전력 공급원의 최대 전력점에서 전력을 추출하는 단계를 포함하는, 전자 소자의 구동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계는, 소정의 시간 간격으로 상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 전자 소자의 구동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계는, 소정의 조건의 만족 시에 펄스 전압 또는 펄스 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 전자 소자의 구동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 스텝(step), 램프(ramp), 사인파(sine wave), 및 이들의 연산을 통하여 생성되는 신호로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어지는 펄스 신호인, 전자 소자의 구동 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 공급원은 태양 전지인, 전자 소자의 구동 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 페로브스카이트 태양 전지인, 전자 소자의 구동 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 유기 태양 전지인, 전자 소자의 구동 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 센서, 및 유기 메모리 소자로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인, 전자 소자의 구동 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 상기 전자 소자의 특성 정보를 근거로 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 태양전지이며, 상기 특성 정보는 Isc, Rsh, Rs, i0, mkbT, Voc, Imax, Vmax, Pmax, FF 및 Eff 중 하나 이상을 포함하는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 특성 정보는 jv sweep를 통하여 계측되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 특성 정보는 유한개의 jv 값 기반 연산을 통하여 계측되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 jv 값은 구동 전압보다 0.3V 작은 전압에서부터 구동 전압보다 0.3V 큰 전압까지의 값 중에서 선택되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 유한개 jv 값의 일부는 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보에서 선정되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이전에 계측된 전자 소자의 특성 정보를 근거로 최대 전력점에서 전력을 추출하는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 펄스 전압은 0보다 작은 값으로 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 펄스 전압은 수학식 1에 의해 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법:
    [수학식 1]
    Vp=-r×Isc×Rs
    Vp는 펄스 전압이고, r은 0.9 내지 2의 상수이며, Isc는 전자 소자의 단락 전류이고, Rs는 전자 소자의 직렬 저항이다.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 펄스 전압은 수학식 2에 의해 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법:
    [수학식 2]
    Vp=-r×Voc
    Vp는 펄스 전압이고, r은 0.1 내지 0.3의 상수이며, Voc는 전자 소자의 개방 전압이다.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 펄스 전압 또는 상기 펄스 전류는 0보다 큰 값으로 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 펄스 전압은 수학식 3에 의해 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법:
    [수학식 3]
    Vp=r×Voc
    Vp는 펄스 전압이고, r은 1 내지 1.2의 상수이며, Voc는 전자 소자의 개방 전압이다.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 펄스 전류는 수학식 3에 의해 산출되는 것인 전자 소자의 구동 방법:
    [수학식 4]
    Ip=Isc×r
    Ip는 펄스 전류이고, r은 0.1 내지 1의 상수이며, Isc는 전자 소자의 단락 전류이다.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 전자 소자에 펄스 전압을 인가하는 단계 이후에,
    수학식 5에 의해 오차율 ε을 산출하는 단계를 더 포함하는 것인 전자 소자의 구동 방법:
    [수학식 5]
    ε=100×((-Isc-Iout)/(-Isc))
    Iout는 펄스 전압이 가해진 전자 소자에서 출력되는 전류 값이고, Isc는 전자 소자의 단락 전류이다.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 오차율 ε을 산출하는 단계 이후에
    상기 오차율 ε가 특정 수치 이상이 되면 개방 전압 Voc보다 큰 펄스 전압을 전자 소자에 인가하는 단계를 더 포함하는 것인 전자 소자의 구동 방법.
  26. 제 12 항에 있어서,
    상기 태양 전지는 광을 집중시키는 집광 수단과 결합되는 것인 전자 소자의 구동 방법.
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