[논문]수소 희석비에 따른 실리콘 이종접합 계면에 대한 분석 및 태양전지로의 응용

박준형; 명승엽; 이가원

doi:10.4313/jkem.2012.25.12.1009

수소 희석비에 따른 실리콘 이종접합 계면에 대한 분석 및 태양전지로의 응용
Effect of Hydrogen Dilution Ratio on The Si Hetero-junction Interface and Its Application to Solar Cells 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.12, 2012년, pp.1009 - 1014

박준형 (충남대학교 전자공학과) , 명승엽 (한국철강(주) 에너지연구소) , 이가원 (충남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogenated amorphous silicon (${\alpha}$-Si:H) layers deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) are investigated for use in silicon hetero-junction solar cells employing n-type crystalline silicon (c-Si) substrates. The optical and structural properties of silicon hetero-junction devices have been characterized using spectroscopy ellipsometry and high resolution cross-sectional transmission electron micrograph (HRTEM). In addition, the effective carrier lifetime is measured by the quasi-steady-state photocoductance (QSSPC) method. We have studied on the correlation between the order of ${\alpha}$-Si:H and the passivation quality at the interface of ${\alpha}$-Si:H/c-Si. Base on the result, we have fabricated a silicon hetero-junction solar cell incorporating the ${\alpha}$-Si:H passivation layer with on open circuit voltage ($V_{oc}$) of 637 mV.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 spectroscopic ellipsometry를 이용하여 수소 희석비에 따른 i-ɑ-Si:H 박막의 order를 분석하였고 이는 i-ɑ-Si:H 박막의 유효 소수 캐리어 수명 경향과 일치하는 결과를 나타내었다. 결과적으로 최적화되어진 i-ɑ-Si:H 박막을 적용한 실리콘 이종접합 태양전지를 제작하여 16.
이에 본 연구에서는 이종접합 태양전지의 광학 및 구조 특성 분석을 위해서 분광 타원 편광 반사 측정법과 고해상도 투사전자 현미경을 사용하였고, 유효 소수 캐리어 수명을 측정하기 위해서 QSSPC (quasi-steady-state photocoductance)를 사용하였다. 이때 분석을 통해서 수소화된 비정질 실리콘 order와 이종접합 계면에서의 패시베이션 특성에 대한 상관관계를 연구하였으며, 이를 바탕으로 고효율의 실리콘 이종접합 태양전지를 제작하고자 하였다.

제안 방법

<ε₂>스펙트럼으로부터 i-ɑ-Si:H 박막의 ε₂ 스펙트럼을 구하기 위해 그림 5와 같은 3개층의 박막으로 모델링한 후 Tauc-Lorentz 분산 모델을 이용한 회귀 분석 (regression analysis) fitting을 진행하였다. 3개층으로 이루어진 박막은 HRTEM 이미지를 기본으로 c-Si 웨이퍼의 세정 불량 또는 공정 진행 중 생기는 1 nm 미만의 두께를 가진 Si-SiO₂ interface를 첫 번째 층으로 모델링하였다. 두 번째 층은 유효 매질 근사법 (effective medium approximation, EMA)을 적용한 i-ɑ-Si:H, c-Si 및 공공 (void)으로 3성분계로 구성되어있다 [8].
두 번째 층은 유효 매질 근사법 (effective medium approximation, EMA)을 적용한 i-ɑ-Si:H, c-Si 및 공공 (void)으로 3성분계로 구성되어있다 [8]. 또한 단일막으로 존재하는 i-ɑ-Si:H 박막을 세 번째 층으로 모델링하였다. 이러한 모델을 바탕으로 spectroscopic ellipsometry에서 측정된 <ε₂>스펙트럼에 다음과 같은 Tauc-Lorentz 분산 모델을 적용할 수 있다.
Woollam (USA)의 spectroscopic ellipsometry (M2000D)를 사용하였고, 고해상도 투사전자현미경 (HRTEM)으로 구조 분석을 하였다. 또한 유효 소수 캐리어 수명 (effective minority carrier lifetime)을 측정하기 위해서 Sinton Consulting (USA)의 QSSPC (quasi-steady-state photo conductance, WCT-100)를 사용하였다. c-Si 웨이퍼와 i-ɑ-Si:H 박막의 계면 특성 분석을 위해 제작된 시료의 구조는 그림 1과 같다.
이러한 원인을 분석하기 위해 HRTEM을 통해 c-Si 웨이퍼와 i-ɑ-Si:H 박막의 계면 결정 구조를 살펴보았다. 그림 4의 HRTEM 이미지에서 보여지듯이 수소 희석비가 증가함에 따라 점차 에피성장이 커지는 것을 볼 수 있다.
ITO, Ag grid 및 Ag 금속 전극은 스퍼터 (sputter)로 형성하였다. 제작되어진 이종접합 태양전지의 광 전류 밀도-전압 (photo J-V) 특성 분석을 위해서 JASCO (Japan)의 solar simulator를 이용하여 표준 테스트 조건 (AM 1.5, 100 mW/㎠, 25℃)에서 측정하였다.
증착된 i-ɑ-Si:H 박막의 광학적 특성 분석을 위해 spectroscopic ellipsometry를 사용하였으며, 이때 측정된 <ε2>스펙트럼은 c-Si 웨이퍼의 광학적 특성을 포함한 시료의 전체적인 광학적 특성이다.
SiH₄와 H₂ 가스를 사용하였으며 수소 희석비 (H₂/SiH₄)를 변화시키면서 실험을 진행하였다. 증착된 박막의 계면 특성 분석을 위해 J. A. Woollam (USA)의 spectroscopic ellipsometry (M2000D)를 사용하였고, 고해상도 투사전자현미경 (HRTEM)으로 구조 분석을 하였다. 또한 유효 소수 캐리어 수명 (effective minority carrier lifetime)을 측정하기 위해서 Sinton Consulting (USA)의 QSSPC (quasi-steady-state photo conductance, WCT-100)를 사용하였다.

대상 데이터

56 MHz) PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 i-ɑ-Si:H 박막을 형성하였다. SiH₄와 H₂ 가스를 사용하였으며 수소 희석비 (H₂/SiH₄)를 변화시키면서 실험을 진행하였다. 증착된 박막의 계면 특성 분석을 위해 J.
비저항 1-10 Ω·㎝, 두께 300 ㎛를 가지는 n-type (100) c-Si 웨이퍼를 기판으로 사용하였다.
제작된 이종접합 태양전지는 그림 2와 같이 Ag grid / ITO (indium tin oxide) / 수소화된 p형 비정질 실리콘 (p-ɑ-Si:H) / i-ɑ-Si:H / n-type c-Si / i-ɑ-Si:H / 수소화된 n형 비정질 실리콘 (n-ɑ-Si:H) / ITO / Ag 금속 전극의 구조로 접합부의 면적은 1×1 cm2이다.

데이터처리

<ε2>스펙트럼으로부터 i-ɑ-Si:H 박막의 ε2 스펙트럼을 구하기 위해 그림 5와 같은 3개층의 박막으로 모델링한 후 Tauc-Lorentz 분산 모델을 이용한 회귀 분석 (regression analysis) fitting을 진행하였다.

이론/모형

이러한 모델을 바탕으로 spectroscopic ellipsometry에서 측정된 <ε2>스펙트럼에 다음과 같은 Tauc-Lorentz 분산 모델을 적용할 수 있다.
이 경우 단결정 박막 위에 형성된 비정질 박막의 결정 특성을 분석하는 것이 매우 중요하나 실리콘 이종접합 태양전지의 특성 상 i-ɑ-Si:H 박막에 대한 적절한 물성 평가 방법이 많지 않다. 이에 본 연구에서는 이종접합 태양전지의 광학 및 구조 특성 분석을 위해서 분광 타원 편광 반사 측정법과 고해상도 투사전자 현미경을 사용하였고, 유효 소수 캐리어 수명을 측정하기 위해서 QSSPC (quasi-steady-state photocoductance)를 사용하였다. 이때 분석을 통해서 수소화된 비정질 실리콘 order와 이종접합 계면에서의 패시베이션 특성에 대한 상관관계를 연구하였으며, 이를 바탕으로 고효율의 실리콘 이종접합 태양전지를 제작하고자 하였다.

성능/효과

본 연구에서는 spectroscopic ellipsometry를 이용하여 수소 희석비에 따른 i-ɑ-Si:H 박막의 order를 분석하였고 이는 i-ɑ-Si:H 박막의 유효 소수 캐리어 수명 경향과 일치하는 결과를 나타내었다. 결과적으로 최적화되어진 i-ɑ-Si:H 박막을 적용한 실리콘 이종접합 태양전지를 제작하여 16.8%의 변환 효율을 달성하였다.

후속연구

이 값은 기보고된 효율보다는 낮으나 제작된 소자의 경우 웨이퍼 표면에 요철을 형성하지 않은 상태로 c-Si 웨이퍼 표면에 요철 형성을 통한 광포획 (light trapping) 특성을 개선시킬 경우 V_oc의 증가에 의한 변환효율 증대가 기대된다 [12]. 더욱이 i-ɑ-Si:H 박막 형성 시 에피성장 직전의 상태인 프로터결정 박막 실리콘 형성 조건으로 보다 최적화될 경우 더 높은 효율이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구상 화석에너지의 고갈 예상 기간은 어떠한가?	현재 지구상의 화석에너지인 석유는 40년, 천연가스는 63년, 석탄은 119년 후에 고갈이 예상되고 있으며, 이에 따라 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등 청정자연을 이용한 재생에너지에 대한 수요가 점차 확대되고 있다. 이러한 신재생에너지 중에서도 태양에너지는 가장 이상적인 에너지로 주목받고 있는 분야이다.
	실리콘 이종접합 태양전지는 어떤 효과에 의해 성능이 좌우되는가?	이러한 태양에너지를 전기로 변환하는 태양전지의 경우 효율을 개선시키는 것이 매우 중요하다. 고효율 태양전지로 알려져 있는 일반적인 실리콘 이종접합 태양전지는 이종접합 계면에서의 passivation 효과에 의해서 그 성능이 좌우되어 진다 [1]. 일본 Sanyo의 HIT (hetero-junction with intrinsic thin-layer)로 대표되는 이종접합 태양전지의 경우 수소화된 진성 비정질 실리콘 (i-ɑ-Si:H) 박막을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 표면을 passivation함으로써 높은 개방 전압, 우수한 온도계수 특성 및 22% 이상의 매우 높은 효율을 보이고 있다 [2,3].
	태양전지의 이종접합 계면 특성 중 계면에서 에피 성장이 이루어질 경우 어떤 문제가 생기는가?	이러한 고효율 이종접합 태양 전지를 제작하는데 있어서 단결정 실리콘과 비정질 실리콘 사이의 이종접합 계면 특성이 매우 중요한데 유럽의 HMI (Hahn-Meiner-Institute)에서는 실리콘 웨이퍼 세정을 통해 이종접합 계면에서의 재결합을 감소시켜 이종접합 태양전지의 성능을 향상시키는 연구를 진행하고 있다 [4]. 또한 계면 특성과 관련한 미국의 NREL의 연구 결과에 따르면 이종접합 계면에서 에피 성장이 이루어질 경우 passivation 효과가 저하되면서 재결합이 증가하여 태양전지의 성능이 저하되는 것으로 나타났다 [5]. 이 경우 단결정 박막 위에 형성된 비정질 박막의 결정 특성을 분석하는 것이 매우 중요하나 실리콘 이종접합 태양전지의 특성 상 i-ɑ-Si:H 박막에 대한 적절한 물성 평가 방법이 많지 않다.

참고문헌 (12)

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M. Tanaka, M. Taguchi, T. Matsuyama, T. Sawada, S. Tsuda, S. Nakano, H. Hanafusa, and Y. Kuwano, Jpn. J. Appl. Phys., 31, 3518 (1992).

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T. H. Wang, E. Iwaniczko, M. R. Page, D. H. Levi, Y. Yan, H. M. Branz, and Q. Wang, Thin Solid Films, 501, 284 (2006).

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H. Sakata, T. Nakai, T. Baba, M. Taguchi, S. Tsuge, K. Uchihashi, and S. Kiyama, 28th IEEE PVSC, 7 (2000).
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J. H. Koh, A. S. Ferlauto, P. I. Rovira, C. R. Wronski, and R. W. Collins, Appl. Phys. Lett., 75, 2286 (1999).

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Q. Wang, M. R. Page, E. Iwaniczko, Y. O. Xu, L. Roybal, R. Bauer, B. To, H. C. Yuan, A. Duda, and Y. F. Yan, Proc. of the 33rd IEEE PVSEC (San Diego, 2008) p. 118.

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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