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가설 설정
- 따라서 입사되는 빛은 통과되어 일반적인 유전체 물질과 같이 작용하고, 이상적인 흡수 계수는 0이 된다.14)그러나 실제 투명전도 산화막은 박막내의 자유전하가 진동함으로써 빛 에너지를 흡수하게 된다. 따라서 태양전지에서 투명전도 산화막의 가시광선 영역(400~800 nm)에서의 광투과도와 흡수계수 특성은 효율에 큰 영향을 미친다.
제안 방법
- 본 연구에서는 실리콘 이종접합 태양전지에 응응하기 위해 rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Al이 2 wt.% 도핑된 AZO 박막을 제작하고, AZO 박막의 전기 및 광학적 특성과 AZO/p 형 a-Si:H 박막 내의 계면 특성을 분석하였다. 제작된 AZO 박막의 비저항은 8.
- 본 연구에서는 실리콘 이종접합 태양전지에 응응하기 위해 rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Al이 2 wt.% 도핑된 AZO 박막을 제작하고, AZO의 전기 및 광학적 특성 및 AZO/p-형 a-Si:H 박막의 계면 특성을 분석하였다.
- n-형 c-Si 웨이퍼에 p-형 a-Si:H 박막을 15 nm 두께로 증착하고, 각각의 Zn 층과 AZO박막을 80 nm 두께로 증착하였다. AZO 박막과 AZO/a-Si 박막 사이에 Zn 층은 확산 방지막(diffusion barrier)으로 삽입하였으며, Zn 박막의 두께는 5, 7 및 10 nm로 변화시켰다. co-sputtering을 이용하여 첫 번째 증착 건 (deposition gun)에서 Zn 층을 증착한 후 두 번째 증착 건에서 AZO 박막을 연속으로 증착하였다.
- 유리 기판 위에 증착된 AZO 및 AZO/Znx 박막의 전기적 상수를 계산하기 위해서 Hall 측정 장치와 4-point probe 방법을 이용하였다. AZO 박막의 광 특성은 UVvisible spectrophotometer(Perkin Elmer, Lamda35)를 사용하여 250~1100 nm 범위에서 측정하였다. TCO/p-형 a-Si:H 박막 내의 접촉저항은 CTLM 패턴을 이용하여 측정하였으며, TCO/p-형 a-Si:H 박막의 깊이 방향으로의 분석을 위해서 AES(auger electron spectroscopy) 사용하였다.
- AZO 박막의 광 특성은 UVvisible spectrophotometer(Perkin Elmer, Lamda35)를 사용하여 250~1100 nm 범위에서 측정하였다. TCO/p-형 a-Si:H 박막 내의 접촉저항은 CTLM 패턴을 이용하여 측정하였으며, TCO/p-형 a-Si:H 박막의 깊이 방향으로의 분석을 위해서 AES(auger electron spectroscopy) 사용하였다.
- 본 연구에서는 AZO/p-형 a-Si:H 박막 계면의 특성 향상을 위해 Zn 확산 방지막을 두께 별로 삽입하였다. Zn 박막은 rf-마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 5, 7 및 10 nm로 증착하였으며, AZO 박막과 비교하여 실리콘 이종접합 태양전지의 투명전도 산화막으로서의 가능성을 논의하였다.
- 99% purity; korea, SMC Inc) 타겟을 사용하였다. 기판과 타겟 간의 거리는 50 mm로 고정하였으며, rf 마그네트론 전력과 증착 압력은 각각 50W와 1.2 mtorr로 고정하였다. (b)는 AZO/p-형 a-Si:H 박막내의 접촉 저항을 측정하기 위하여 만들어진 시편이다.
- 본 연구에서는 AZO/p-형 a-Si:H 박막 계면의 특성 향상을 위해 Zn 확산 방지막을 두께 별로 삽입하였다. Zn 박막은 rf-마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 5, 7 및 10 nm로 증착하였으며, AZO 박막과 비교하여 실리콘 이종접합 태양전지의 투명전도 산화막으로서의 가능성을 논의하였다.
- co-sputtering을 이용하여 첫 번째 증착 건 (deposition gun)에서 Zn 층을 증착한 후 두 번째 증착 건에서 AZO 박막을 연속으로 증착하였다. 시편 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA) 장치를 통해 저 진공 상태에서 3분간 진행하였다. Table 1은 실험을 위해 준비된 시편들의 증착 조건을 나타낸다.
- 6은 AZO(Znx)/p-형 a-si:H/c-Si 기판구조의 AES 깊이 방향으로의 분석을 보여준다. 시편의 전면부인 ZnO:Al층으로부터 스퍼트링 방법으로 ZnO:Al 층을 제거해 가면서 깊이 방향으로 AES 분광을 분석하였다. ZnO의 강도가 감소하고 실리콘의 강도가 증가하는 곳이 ZnO와 비정질 실리콘 간의 계면인 것을 알 수 있으며, 그림에서와 같이 Zn, O 및 Si 원소가 계면에서 확산되었을 알 수 있다.
- (a)는 AZO 박막의 전기 및 광학적 특성을 분석하기 위하여 유리 기판 (Corning Eagle 2000) 위에 80 nm의 두께로 증착하였다. 증착 전 기판의 유기물을 제거하기 위해 트라이클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤 및 메탄올에 각각 3분씩 초음파 세척기를 이용하여 세척하였고, 초청정수 (deionized water)로 10회 세척하였다. AZO 박막 증착을 위해서 Al이 2 wt.
대상 데이터
- AZO 박막 증착을 위해서 Al이 2 wt.% 첨가된 ZnO:Al(98 : 2 wt.%, 99.99% purity; korea, SMC Inc) 타겟을 사용하였다. 기판과 타겟 간의 거리는 50 mm로 고정하였으며, rf 마그네트론 전력과 증착 압력은 각각 50W와 1.
- 세 종류의 시편들은 동시에 하나의 시편 홀더에 올려져서 같은 공정 조건으로 AZO박막이 증착되었다. (a)는 AZO 박막의 전기 및 광학적 특성을 분석하기 위하여 유리 기판 (Corning Eagle 2000) 위에 80 nm의 두께로 증착하였다. 증착 전 기판의 유기물을 제거하기 위해 트라이클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤 및 메탄올에 각각 3분씩 초음파 세척기를 이용하여 세척하였고, 초청정수 (deionized water)로 10회 세척하였다.
- (c)는 AZO/p-형 a-Si:H 박막 내의 계면을 깊이 방향으로 분석하기 위한 시편이다. n-형 c-Si 웨이퍼에 p-형 a-Si:H 박막을 15 nm 두께로 증착하고, 각각의 Zn 층과 AZO박막을 80 nm 두께로 증착하였다. AZO 박막과 AZO/a-Si 박막 사이에 Zn 층은 확산 방지막(diffusion barrier)으로 삽입하였으며, Zn 박막의 두께는 5, 7 및 10 nm로 변화시켰다.
이론/모형
- 유리 기판 위에 증착된 AZO 및 AZO/Znx 박막의 전기적 상수를 계산하기 위해서 Hall 측정 장치와 4-point probe 방법을 이용하였다. AZO 박막의 광 특성은 UVvisible spectrophotometer(Perkin Elmer, Lamda35)를 사용하여 250~1100 nm 범위에서 측정하였다.
성능/효과
- 9%까지 감소하였다. AZO/Znx 박막의 반사도는 Zn 층의 두께가 증가 할수록 AZO 박막에 비해 단파장 영역에서는 감소하지만, 오히려 장파장영역에서는 증가하는 현상을 보였다. 급속열처리기를 이용하여 300℃에서 저진공 열처리한 후의 박막의 특성을 분석해보면, 열처리 전의 AZO/Zn5 박막의 경우 평균 광투과도가 71.
- 3은 유리 기판 위에 증착된 AZO 박막 및 AZO/Znx 박막의 두께에 따른 광투과도와 반사도를 나타낸다. Zn 층이 포함된 AZO/Znx 박막의 경우는 AZO 박막에 비해 광투과도가 가시광선 영역에서 크게 감소하였으며, AZO 박막의 평균 광투과도가 82.7% 인데 비해 AZO/Znx 박막의 광투과도는 Zn 층의 두께가 증가 할수록 71.4%에서 61.9%까지 감소하였다. AZO/Znx 박막의 반사도는 Zn 층의 두께가 증가 할수록 AZO 박막에 비해 단파장 영역에서는 감소하지만, 오히려 장파장영역에서는 증가하는 현상을 보였다.
- AZO/Znx 박막의 반사도는 Zn 층의 두께가 증가 할수록 AZO 박막에 비해 단파장 영역에서는 감소하지만, 오히려 장파장영역에서는 증가하는 현상을 보였다. 급속열처리기를 이용하여 300℃에서 저진공 열처리한 후의 박막의 특성을 분석해보면, 열처리 전의 AZO/Zn5 박막의 경우 평균 광투과도가 71.4%인대 비해서 열처리를 했을 경우 평균 광투과도가 83.3%로 크게 증가하고, 반사도는 감소한다. AZO/Znx 박막의 광투과도 감소는 AZO 박막과 Zn 확산 방지막에 의한 광 흡수 때문이다.
- 이러한 열처리 후의 접촉저항의 감소 원인은 열처리에 의한 계면 특성의 향상 때문인데, AES 분석을 통해서 Zn와 O, Si의 확산이 저하된 효과에 기인한 것임을 알 수 있다. 접촉저항의 감소는 결과적으로 실리콘 이종접합 태양전지 제작시 직렬저항을 감소시키고, Voc와 FF를 증가시킨다.8)
- 제작된 AZO 박막의 비저항은 8.51 × 10−4 Ω·cm이며, 평균 광투과도는 82.7%이다.
후속연구
- 이는 Zn 확산 방지막의 두께 증가에 의한 Zn 박막의 흡수률 증가에 의한 것으로 사료된다. AZO/Znx 박막의 광투과도 감소와 반사도의 증가는 태양전지 제작시 단락전류 밀도(Jsc)를 감소시켜 태양전지의 광변환 효율을 떨어뜨리는 원인이 되기 때문에 광특성 향상을 위한 연구가 계속되어야할 것이다. Table 2는 AZO박막 및 AZO/Znx 층의 광학적 특성에 대한 가시광선영역(파장범위: 400~800 nm)에서의 평균값을 나타낸다.
- 특히, Zn의 두께가 증가할수록 상호 확산 정도는 줄어 드는 경향을 보인다. Zn 박막을 삽입한 경우에는 Fig. 2에서 보듯이 O의 확산이 어느 정도 억제되어 SiOx의 형성이 감소되고 전기적 특성에는 큰 변화가 없지만, Fig. 3과 같이 광특성 저하를 통한 태양전지에서 Jsc의 감소를 가져오므로 광투과도의 증가 및 광흡수계수를 증가시키지 않으면서 계면에서의 확산을 방지하는 추가적인 확산 방지막에 대한 연구를 수행해야할 것이다.
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