[논문]태양전지용 SnO2:Sb 박막의 제조 조건에 따른 전기적, 광학적 특성 연구

이재형

doi:10.4313/jkem.2009.22.3.269

태양전지용 SnO2:Sb 박막의 제조 조건에 따른 전기적, 광학적 특성 연구
A Study on the Electrical and Optical Properties of SnO2:Sb Thin Films Prepared by Different Conditions for Photovoltaic Applications 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.3, 2009년, pp.269 - 276

Abstract ▼ AI-Helper

Antimony doped tin oxide ($SnO_2:Sb$) films, which are used as the front contact and back reflector of thin film solar cells, have been deposited by d,c, magnetron sputtering. The dependence of electrical and optical properties of the films on the preparation conditions, such as $O_2$ gas ratio, substrate temperature, annealing temperature was investigated. The sputter gas composition was found to affect the properties of the films. With incorporating $O_2$ gas, the electrical and optical properties of films significantly were improved. The minimum resistivity and optical transmittance over 80 % in visible region were obtained at the oxygen concentration of 30 %, When the substrate temperature was higher, the resistivity of $SnO_2:Sb$ films was decreased, while the absorption edge shifted to shorter wavelength, indicating higher optical band gap. Heat treatment over $600^{\circ}C$ resulted in poorer electrical and optical properties due to SnO phase (102) plane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 태양전지의 전면 전극 및 후면 반사기 역할을 할 수 있는 화학적, 열적 안정성이 우수한 안티모니 (antimony; Sb) 도핑된 SnO₂ (SnO₂:Sb) 투명 전도막을 마그네트론 스퍼터링 법으로 제조하고, 산소 분압비, 기판 온도, 열처리 온도와 같은 제조 조건에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성을 조사하였다.

제안 방법

SnO₂:Sb 박막 제조를 위해 본 연구에서는 d.c. magnetron sputtering 장비를 사용하였다. 증착 원료로는 Sb2O₃가 5 wt% 첨가된 2인치 크기의 SnO₂ 타겟(Cerac Co.
마그네트론 스퍼터링법에 의해 제조하였다. SnO₂:Sb 박막의 전기적, 광학적 특성은 산소 분압 및 기판 온도, 열처리 등과 같은 제조 조건에 따라 크게 변화되기 때문에 이들 조건에 따른 박막의 물성 변화를 조사하였다.
기판 온도의 경우, 기판 지지대에 부착된 히터를 이용하여 상온에서 250 ℃까지 関 ℃씩 변화 시켜 100 nm 두께의 박막을 제작하였다. 모든 시편 제작에 앞서 타겟 표면의 불순물 제거, 및 실험의 재현성을 위해 아르곤 가스만을 주입하여 충분한 시간 동안 pre-sputtering 하였다. 한편, 제조된 SnO₂:Sb 박막의 열처리에 따른 특성을 조사하기 위해 공기 중에서 300 -900 P의 온도로 60분간 열처리하였다.
5 cm 떨어진 챔버(chamber) 내의 기판 지지대에 고정시켰다. 시편 제조를 위해 먼저 챔버 안을 mechanical pump와 turbo pump를 이용하여 10* Tarr 이하로 배기한 후, MFC(Mass Flow Controller) 를 사용하여 아르곤(Ar)과 산소(02)가스를 주입하였고, 5.8 mTorr의 압력을 유지시켜 시편을 제조하였다. 이때가스 비는 0~50 %로 변화시켰다.
모든 시편 제작에 앞서 타겟 표면의 불순물 제거, 및 실험의 재현성을 위해 아르곤 가스만을 주입하여 충분한 시간 동안 pre-sputtering 하였다. 한편, 제조된 SnO₂:Sb 박막의 열처리에 따른 특성을 조사하기 위해 공기 중에서 300 -900 P의 온도로 60분간 열처리하였다. 표 1에는 본 연구에서 SnO₂:Sb 박막 제조에 사용된 실험 조건을 나타내었다.

대상 데이터

99 %)을 사용하였다. SnO₂:Sb 박막을 증착할 기판으로는 Coming 7059 유리와 고온 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 조사를 위해 알루미나(alumina; AI2O₃) 및 석영 (quartz) 기판을 함께 사용하였다. 적절한 크기로 절단된 기판을 아세톤, 메탄올, D I.
본 논문에서는 태양전지의 전면 전극 및 후면 반사기로 사용될 수 있는 SnO₂:Sb 박막을 d.c. 마그네트론 스퍼터링법에 의해 제조하였다. SnO₂:Sb 박막의 전기적, 광학적 특성은 산소 분압 및 기판 온도, 열처리 등과 같은 제조 조건에 따라 크게 변화되기 때문에 이들 조건에 따른 박막의 물성 변화를 조사하였다.
SnO₂:Sb 박막을 증착할 기판으로는 Coming 7059 유리와 고온 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 조사를 위해 알루미나(alumina; AI2O₃) 및 석영 (quartz) 기판을 함께 사용하였다. 적절한 크기로 절단된 기판을 아세톤, 메탄올, D I. water 순으로 20분간 초, 음파 세척하고, 질소 gun으로 물기를 제거하여 사용하였다. 세척된 기판은 스퍼터 gun으로부터 4.
magnetron sputtering 장비를 사용하였다. 증착 원료로는 Sb2O₃가 5 wt% 첨가된 2인치 크기의 SnO₂ 타겟(Cerac Co., 99.99 %)을 사용하였다. SnO₂:Sb 박막을 증착할 기판으로는 Coming 7059 유리와 고온 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 조사를 위해 알루미나(alumina; AI2O₃) 및 석영 (quartz) 기판을 함께 사용하였다.

성능/효과

19 eV로 커졌다. SnO₂:Sb 박막의 X-선 회절검사 결과 산소 가스 주입에 따라 그림 2의 XRD 분석 결과에서 볼 수 있듯이 박막의 결정성이 향상됨을 알 수 있었고[14], 이러한 결정성의 향상으로 인해 광투과율 및 밴드 갭의 증가되는 것으로 판단된다. 그러나 30 % 이상의 산소 가스 비에서는 오히려 광투과율이 감소한다.
그림에서 볼 수 있듯이, 기판 종류 및 열처리에 관계없이 모든 시편은 400 - 800 nm 파장 영역에서 평균 80 % 이상의 광투과율을 나타내었다. 열처리 온도가 증가함에 따라 두 종류의 기판에서 모두 광투과율이 약간 증가하였다. 이러한 투과율의 증가는 열처리에 의해 SnO₂:Sb 박막의 결정성이 향상되기 때문으로 판단된다, 그러나 가시광 영역에서의 투과율 증가와는 반대로 근적외선 영역에서의 투과율은 열처리에 의해 감소함을 알 수 있다.
또한 열처리 온도가 600 ℃인 경우, 열처리하지 않은 시편 및 그 이하의 열처리 온도에서는 관찰되지 않았던 SnO phase의 (102) 면 peak이 나타나는데, 그림 10에서 관찰되는 비저항의 증가는 이러한 SnO phase의 생성 때문인 것으로 사료된다. 이러한 결과들로부터 SnO₂:Sb 박막을 공기 중에서 열처리함에 따라 결정성은 향상되지만 열처리 온도가 증가함에 따라 (110) 면으로의 우선 방위가 감소하며, 지나치게 높은 열처리 온도의 경우, 막의 전기 전도도를 저하시키는 SnO phase에 해당하는 peak이 생성됨을 알 수 있다.
전기 비저항은 또한 산소 가스주입에 따라 감소하여 30 %에서 최소 값을 나타내었다. 이러한 결과들로부터 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 SnO₂:Sb 박막을 제조하기 위해서는 적절한 양의 산소 가스의 주입이 필요함을 알 수 있었다. 한편, 기판 온도가 높아짐에 따라 SnO₂:Sb 박막의 전기 전도도 및 광투과율 또한 향상되었다.
한편, 기판 온도가 높아짐에 따라 SnO₂:Sb 박막의 전기 전도도 및 광투과율 또한 향상되었다. 제조된 SnO₂:Sb 박막을 공기 중에서 열처리함에 따라 (110)면 방향으로의 우선 방위의 정도가 감소하였고, 열처리 온도가 600 ℃인 경우, 열처리하지 않은 시편 및 그 이하의 열처리 온도에서는 관찰되지 않았던 SnO phase의 (102) 면 peak이 나타나 박막의 전기적, 광학적 특성이 저하됨을 알 수 있었다.
산소 가스를 주입함에 따라 가시광 영역에서의 투과율이 향상되는데, 이러한 투과율의 향상은 가시광 영역에서의 광 흡수의 감소를 의미한다. 파장 영역 400- 800 nm에서의 평균 투과율은 순수한 Ar 가스 분위기에서 제조된 박막의 73.1 %에서 30 % 산소 가스 비에서의 82 %로 크게 증가하였다. 또한 산소 농도의 증가에 따라 흡수단(absorption edges) 이 보다 짧은 파장 영역으로 이동함을 볼 수 있는데, 이것은 SnO/Sb 박막의 밴드 갭(band gap)이 증가함을 의미한다.
이러한 결과들로부터 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 SnO₂:Sb 박막을 제조하기 위해서는 적절한 양의 산소 가스의 주입이 필요함을 알 수 있었다. 한편, 기판 온도가 높아짐에 따라 SnO₂:Sb 박막의 전기 전도도 및 광투과율 또한 향상되었다. 제조된 SnO₂:Sb 박막을 공기 중에서 열처리함에 따라 (110)면 방향으로의 우선 방위의 정도가 감소하였고, 열처리 온도가 600 ℃인 경우, 열처리하지 않은 시편 및 그 이하의 열처리 온도에서는 관찰되지 않았던 SnO phase의 (102) 면 peak이 나타나 박막의 전기적, 광학적 특성이 저하됨을 알 수 있었다.

참고문헌 (17)

T. Minami, S. Takata, H. Sato, and H. Sonohara, 'Properties of transparent zinc- stannate conducting films prepared by radio frequency magnetron sputtering', J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 13, p. 1095, 1995

상세보기
J. Sanz Maudes and T. Rodriguez, 'Sprayed $SnO_{2}$ films: Growth mechanism and film structure characterization', Thin Solid Films, Vol. 69, p. 183, 1980

상세보기
S. Shanthi, C. Subramanian, and P. Ramasamy, 'Growth and characterization of antimony doped tin oxide thin films', J. Crystal Growth, Vol. 197, p. 858, 1999

상세보기
K. Y. Rajpure, M. N. Kusumade, Michael N. Neumann-Spallart, and C. H. Bhosale, 'Effect of Sb doping on properties of conductive spray deposited $SnO_{2}$ thin films', Materials Chemistry and Physics, Vol. 64, p. 184, 2000

상세보기
D. H. Zhang, H. L. Ma, S. Z. Win, S. Y. Li, and Y. P. Chen, 'Electrical and optical properties of F-doped textured $SnO_{2}$ films deposited by APCVD', Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 40, p. 371, 1996

상세보기
H. L. Ma, D. H. Zhang, Y. P. Chen, S. Y. Li, J. Ma, and F. J. Zong, 'Large scale fluorine doped textured transparent conducting $SnO_{2}$ films deposited by atmospheric pressure chemical vapour deposition', Thin Solid Films, Vol. 298, p. 151, 1997

상세보기
K.-S. Kim, S.-Y. Yoon, W.-J. Lee, and K. H. Kim, 'Surface morphologies and electrical properties of antimony-doped tin oxide films deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition', Surface and Coatings Technology, Vol. 138, p. 229, 2001

상세보기
정진, 최승평, 신동찬, 구재본, 송호준, 박진성, '열 CVD법으로 증착된 SnO $_{2}$ 박막의 미세구조와 전기적 특성', 전기전자재료학회논문지, 16권, 5호, p. 441, 2003

원문보기 상세보기
E. Kh. Shokr, M. M. Wakkad, H. A. Abd El-Ghanny, and H. M. Ali, 'Sb-doping effects on optical and electrical parameters of $SnO_2$ films', J. Physics and Chemistry of Solids, Vol. 61, p. 75, 2000

상세보기
신성호, 김현후, '산화물 Target의 RF 마그네트론 스파터링에 의한 비손상 $SnO_{2}$ 박막의 제조', 전기전자재료학회논문지, 9권, 5호, p. 490, 1996
J. Ma, X. Hao, H. Ma, X. Xu, Y. Yang, S. Huang, D. Zhang, and C. Cheng, 'RF magnetron sputtering $SnO_{2}$ :Sb films deposited on organic substrates', Solid State Communications, Vol. 121, p. 345, 2002

상세보기
M. A. Gubbins, V. Casey, and S. B. Newcomb, 'Nanostructural characterisation of $SnO_{2}$ thin films prepared by reactive r.f. magnetron sputtering of tin', Thin Solid Films, Vol. 405, p. 270, 2002

상세보기
A. Rohatgi and S. Narasimha, 'Design, fabrication, and analysis of greater than 18% efficient multicrystalline silicon solar cells', Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 48, p. 187, 1997

상세보기
J.-H. Lee, 'Effects of oxygen concentration on the properties of sputtered SnO $_{2}$ :Sb films deposited at low temperature', Thin Solid Films, Vol. 516, p. 1386, 2008

상세보기
F. Wooten, 'Optical Properties of Solids', Academic Press Inc., p. 45, 1972
A. F. Carroll and L. H. Slack, 'Effects of additions to $SnO_2$ thin films', J. Electrochem. Soc., Vol. 123, p. 1889, 1976

상세보기
G. Frank, E. Kauer, and H. Kostlin, 'Transparent heat-reflecting coatings based on highly doped semiconductors', Thin Solid Films, Vol. 77, p. 107, 1981

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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