[논문]태양광소자 및 재료 특성평가를 위한 주사탐침현미경

허진희; 임영목

문제 정의

본 절에서는 앞서 서술한 SPM의 여러 가지 분석기법이 실제로 태양광 소자 및 관련재료 분석에 어떻게 활용되는지 해외 사례와 본 연구실에서 수행한 분석결과를 중심으로 크게 3가지 주제로 구분하여 살펴보고자 한다.
또한 SPM은 단순히 나노미터 크기의 작은 물체를 관찰하는 현미경 기능 뿐만 아니라, 분석하고자 하는 시료의 전기적, 자기적 특성이나, 기계적 특성의 관찰 및 측정이 가능하다는 장점을 지니고 있기 때문에 다양한 학문분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 이러한 특성은 국소 영역의 형상 (topology)과 재료의 물리적 특성과의 상관관계를 이해할 수 있도록 해주며, 나노미터 스케일에서 물질의 구조적 특징을 파악할 수 있는 정보를 제공해 준다. 이와 더불어 상압이나 진공, 액체 속에서도 측정이 가능하고 시료의 온도도 -150℃ ~ 300℃ 범위 내에서 가변이 가능하며, 측정 전후에 시료의 파괴가 일어나지 않는 장점이 있다.

가설 설정

이러한 사실은 μc-Si:H 클러스터 내부에서 TEM으로 관찰된 넓은 결정질 나노 그레인의 성장축을 따라서 확산의 영향을 받은 전하의 이동이 일어난다는 가설을 뒷받침하는 것이다.

제안 방법

이밖에도 Nara Institute of Science and Technology의 Machida연구팀은 수소화처리가 다결정 실리콘 박막의 전도특성에 미치는 영향을 분석하였다. 다결정 실리콘 박막을 수소화 처리하기 전과 후에, 표면형상과 전류이미지를 측정하여 비교하고, 자세한 분석을 위하여 IV Spectroscopy를 측정하였다. 그 결과 수소화 처리 후, 그레인에서의 전도 메커니즘은 반도체 물질에서의 전도 메커니즘과 매우 유사함을 확인하였다.
연구팀은 표면이 텍스쳐링된 ZnO층 위에 증착된 Microcrystalline silicon (μc-Si:H) p-i-n 태양전지의 단면시료를 KFM으로 분석하였다. 단면 시료는 단순한 절단과정과 기계적 연마를 통해 제작되었으며, 시료에 인가되는 전압 (V_bias)의 차이에 의해 발생하는 전기장 변화를 KFM으로 측정되는 포텐셜 프로파일을 통해 분석하였다. 그 결과 V_bias에 의해 발생하는 전기장의 크기가 μc-Si:H 클러스터에 따라서 불균일하게 분포한다는 사실을 규명하였다.
최근 이와 관련하여, 미국의 University of Maryland와 National Institute of Standards and Technology 연구원들은 유기태양전지의 재료로 많이 사용되는 P3HT와 PCBM 혼합 물질 표면의 나노스케일 표면형상이 광전류에 미치는 영향을 SPM을 이용하여 실험적으로 규명하였다 [13]. 연구팀은 Photoconductive-AFM을 나노크기의 전극에 접촉하여 P3HT-PCBM 박막에서의 광전류 특성과 문제점에 대한 원인 분석을 수행하였는데, 기존의 기법과는 달리 리소그래피 공정을 사용하지 않음으로써 표면을 보다 정확히 분석할 수 있었다. 그 결과 몇몇 부분적으로 고효율 특성을 나타내는 지점들을 제외한 나머지 영역에서 효율이 불균일한 특성을 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전체적인 효율이 낮아진다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 표면이 텍스쳐링된 ZnO층 위에 증착된 Microcrystalline silicon (μc-Si:H) p-i-n 태양전지의 단면시료를 KFM으로 분석하였다.
I-V Spectroscopy 모드는 전기적 특성분석을 위해 시료에 인가된 DC 전압의 변화에 대응하는 전류값의 그래프 (I-V curves)를 측정하는 데 사용된다. 전류 이미지에서 밝기차이로 구분되는 전도성이 서로 다른 국소영역의 전기적 특성을 I-V curve를 측정하여 분석할 수 있다. 그림 3의 (a)와 (b)는 C-AFM으로 측정된 전류 이미지와 I-V Spectroscopy로 측정된 I-V 커브를 보여준다.
그림 11. 투명 ITO 전극을 통해 LED 펄스가 조사된 고분자 혼합물의 SPM 측정 개념도. 박막표면에서의 전하 축적은 주파수 변조 피드백을 이용해 바이어스된 정전기력 현미경 팁에 의해 측정된다.

성능/효과

그 결과 Vbias에 의해 발생하는 전기장의 크기가 μc-Si:H 클러스터에 따라서 불균일하게 분포한다는 사실을 규명하였다.
연구팀은 Photoconductive-AFM을 나노크기의 전극에 접촉하여 P3HT-PCBM 박막에서의 광전류 특성과 문제점에 대한 원인 분석을 수행하였는데, 기존의 기법과는 달리 리소그래피 공정을 사용하지 않음으로써 표면을 보다 정확히 분석할 수 있었다. 그 결과 몇몇 부분적으로 고효율 특성을 나타내는 지점들을 제외한 나머지 영역에서 효율이 불균일한 특성을 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전체적인 효율이 낮아진다는 사실을 밝혀냈다. 특히, 효율이 낮은 지점이 P3HT가 많이 포함되어 있는 지점임을 발견하였고, 이를 증명하기 위하여 P3HT의 맨 윗부분 표면을 제거하고 다시 특성을 분석하여 전체적인 효율 특성이 박막 내부에서 기인하는 것이 아니라 표면특성으로부터 기인한다는 것을 확인하였다.
다결정 실리콘 박막을 수소화 처리하기 전과 후에, 표면형상과 전류이미지를 측정하여 비교하고, 자세한 분석을 위하여 IV Spectroscopy를 측정하였다. 그 결과 수소화 처리 후, 그레인에서의 전도 메커니즘은 반도체 물질에서의 전도 메커니즘과 매우 유사함을 확인하였다. 반면, 그레인 경계에서의 전도 메커니즘은 금속에서 일어나는 전도 메커니즘과 유사하며, 그레인 경계에 존재하는 전기적 결함에 영향을 받은 호핑전도(Hopping conduction)에 의해 이루어진다는 것을 규명하였다 [11].
또한 격리된 클러스터의 전기적 거동은 클러스터 주위의 크랙과 클러스터 경계면의 결함에 영향을 받는다. 단락된 상태와 순방향으로 전압이 안가된 상태에서 측정된 KFM 이미지를 분석한 결과 클러스터 경계면은 낮은 표면전위 값을 지님을 확인하였고, 그 원인은 보론(Boron)에 의한 클러스터 경계면의 오염 또는 결함에 의한 표면전자상태의 차이 때문이라고 분석하였다. 그림 12는 KFM으로 분석된 단면시료의 topology와 포텐셜 이미지를 보여준다.
연구책임자인 David Ginger는 나노구조의 태양전지 박막(photovoltaic film)의 표면에서 광전효율이 높은 영역과 상대적으로 낮은 영역을 구별할 수 있으며, 100 nm 미만의 충분한 공간 분해능으로 유기 태양전지에서 발생하는 광여기 전하축적 (photo-induced charge buildup)을 측정할 수 있다고 설명하였다. 이 연구를 통하여 탐침 하부에 빛에 의해 여기된 전하가 축적되는 속도와 영역을 측정하였으며, 그 결과는 나노스케일의 국소영역에서 재료의 광전효율을 평가하는 객관적인 지표가 마련되었음을 시사한다. 또한, 광여기 전하축적과정을 직접 영상화하는 기술은 보다 효율이 향상된 광변환 재료 및 유기 태양전지 개발에 커다란 기여를 할 것으로 예상된다.
그 결과 몇몇 부분적으로 고효율 특성을 나타내는 지점들을 제외한 나머지 영역에서 효율이 불균일한 특성을 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전체적인 효율이 낮아진다는 사실을 밝혀냈다. 특히, 효율이 낮은 지점이 P3HT가 많이 포함되어 있는 지점임을 발견하였고, 이를 증명하기 위하여 P3HT의 맨 윗부분 표면을 제거하고 다시 특성을 분석하여 전체적인 효율 특성이 박막 내부에서 기인하는 것이 아니라 표면특성으로부터 기인한다는 것을 확인하였다.

후속연구

PC-AFM 기술을 적극적으로 활용한다면, 미래 태양광소자의 주요 트렌드로 주목받고 있는 나노태양광소자 즉, 나노재료나 나노구조물을 이용하여 수광면적과 광전효율을 극대화한 나노기술 기반의 태양광소자와 나노기반 재료의 특성분석을 전문적이고 효과적으로 수행할 수 있으리라 기대된다. 또한, 현재 활발한 연구와 생산이 이루어지고 있는 Si 기반 박막 태양전지 내부의 결정구조와 결함 그리고 CIGS 박막 태양전지 내부의 결정구조 및 결정계면에서의 전하거동과 구성 물질 조성비율과의 상관관계 규명에 SPM 기술이 적용되고 있으며, 이를 통해 최고효율을 위한 최적의 공정조건을 확립하는데 큰 기여를 할 수 있다.
또한, 현재 활발한 연구와 생산이 이루어지고 있는 Si 기반 박막 태양전지 내부의 결정구조와 결함 그리고 CIGS 박막 태양전지 내부의 결정구조 및 결정계면에서의 전하거동과 구성 물질 조성비율과의 상관관계 규명에 SPM 기술이 적용되고 있으며, 이를 통해 최고효율을 위한 최적의 공정조건을 확립하는데 큰 기여를 할 수 있다. 더 나아가 축적된 최적조건에 대한 연구결과를 바탕으로 불량 태양광소자의 failure analysis에도 활용될 수 있으리라 전망된다. 이밖에도 저가 태양광소자를 위한 Si-ribbon 등 표면이 거칠고 불규칙한 형태의 태양광 재료의 도핑 프로파일과 농도등 기존의 SIMS나 4-piont probe로는 정확한 분석이 어려운 분야에 SPM 기술이 적용되고 있다.
이 장치를 통해 나노스케일에서 태양전지의 광변환 효율을 분석할 수 있으며, phase separation, charge generation, charge transport 및 charge collection에 대한 가시적인 분석이 가능하다. 또한 파장을 조절할 수 있는 단파장 light source를 채용하면, 시료의 photocurrent 생성에 영향을 미치는 morphology와 빛의 파장과의 상관관계를 연구하는데 유용하게 활용할 수 있다.
이 연구를 통하여 탐침 하부에 빛에 의해 여기된 전하가 축적되는 속도와 영역을 측정하였으며, 그 결과는 나노스케일의 국소영역에서 재료의 광전효율을 평가하는 객관적인 지표가 마련되었음을 시사한다. 또한, 광여기 전하축적과정을 직접 영상화하는 기술은 보다 효율이 향상된 광변환 재료 및 유기 태양전지 개발에 커다란 기여를 할 것으로 예상된다.
이밖에도 저가 태양광소자를 위한 Si-ribbon 등 표면이 거칠고 불규칙한 형태의 태양광 재료의 도핑 프로파일과 농도등 기존의 SIMS나 4-piont probe로는 정확한 분석이 어려운 분야에 SPM 기술이 적용되고 있다. 이처럼 향후 태양광 기술 분야에 SPM 기술이 더욱 광범위하게 활용되어 두 기술 분야의 발전에 시너지 효과가 극대화되기를 기대해본다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노기술이란 무엇인가?	이제는 너무나 흔하게 접할 수 있는 '나노기술(NT, Nano Technology)'이란 용어는 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 일반적으로는 크기가 1 내지 100 나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술을 나노기술로 분류한다.
	주사탐침현미경 기술은 어떤 기술인가?	이러한 나노기술의 기반이 되는 핵심기술은 나노미터 수준의 물성, 구조 및 성분을 계측하고 분석해내는 기술이다. 나노 계측 기술의 대표주자라고 할 수 있는 주사탐침현미경 (Scanning Probe Microscopy, SPM)기술은 현재 한국이 다른 국가에 비해 강점을 보이고 있는 반도체 산업과 관련하여, 여러 박막재료들의 표면형상, 구조, 물리적 화학적 특성 등을 계측하고 분석하는 박막분석용 계측 기술이며, 현재에도 많이 활용되고 있지만 가까운 미래에 그 수요가 증가될 것으로 예상되는 중요 나노분석기술이다.
	주사탐침현미경은 어떤 처리를 하는 장치인가?	SPM은 다양한 고체 시료 표면에 뾰쪽한 탐침(tip)을 매우 가깝게 접근시켜 Scanning할 때 시료와 탐침 사이에 상호작용하는 물리량(힘 또는 전류)의 변화를 측정 및 모니터링 하여 얻은 정보를 처리하여 시료 표면의 형상과 물리적 특성을 2차원 또는 3차원 이미지로 변환하는 장치이다 [1,2]. 이러한 SPM은 광학현미경이나 SEM과 같은 전자현미경보다 분해능 (resolution)이 우수하다고 알려져 있는데, 수평분해능 (lateral resolution)은 약 0.

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