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가설 설정
- Figure 1. Concept of a selective transmitting layer in a thin film solar cell.
제안 방법
- ATO 박막 증착전 스퍼터링 타겟 표면에 형성된 불순물을 최소하기 위해 Ar+ 이온으로 표면을 10분 동안 pre-sputtering하였다. 50 W의 RF 전력을 Ti 타겟에 인가하고 25 W의 DC 전력을 Al 타겟에 인가하여 플라즈마를 발생시켜 ATO 박막을 형성하였다. Ar을 흘려줌과 동시에 O2 가스를 챔버 내로 유입하여 진공도를 1.
- Ar을 흘려줌과 동시에 O2 가스를 챔버 내로 유입하여 진공도를 1.5 × 10-3 torr로 유지하면서 두께와 조성이 서로 다른 ATO 박막을 형성하였다.
- 스퍼터링 타겟으로는 2인치 Al 타겟 및 Ti 타겟을 사용하였고 기판으로는 투명 유리와 p형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 기판 표면의 불순물을 제거하기 위해 트리클로에틸렌, 아세톤, 에틸알코올, 증류수의 순서로 각각 10분간 세척 후 고순도 질소 가스를 사용하여 건조하였다. ATO 박막 증착전 스퍼터링 타겟 표면에 형성된 불순물을 최소하기 위해 Ar+ 이온으로 표면을 10분 동안 pre-sputtering하였다.
- Al 및 Ti를 동시에 포함하는 AlTiO (ATO) 박막의 굴절률은 Al2O3 [7] 및 TiO2 [8] 굴절률의 중간에 해당되는데 그 값은 기판으로 사용되는 실리콘의 굴절률 제곱근과 비슷하기 때문에 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지에 적용하면 가시광선의 반사를 억제하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지의 구성 요소로서 도입하기 위하여 조성 및 두께가 다른 Al-Ti계 산화물 박막을 스퍼터 증착을 이용하여 형성하고 표면 형상 및 광학적 특성을 분석함으로써 Al-Ti계 산화물 박막의 선택적 투과 특성을 고찰하였다.
- 박막의 투과율 및 반사율은 UV/vis spectro photometer를 사용하여 300∼1,800 nm의 파장 영역에서 측정하였다.
- AlO 및 TiO 증착 시에는 하나의 타겟에만 전력을 인가하였다. 박막의 표면 형상은 scanning electron microscopy (SEM)를 이용하여 관찰하였고 Auger electron spectroscopy (AES)를 이용해 성분 분석을 실시하였다. 박막의 투과율 및 반사율은 UV/vis spectro photometer를 사용하여 300∼1,800 nm의 파장 영역에서 측정하였다.
- 반응성 co-sputtering을 이용하여 Al-Ti계 산화물 박막을 형성하였다. ATO 박막의 두께가 증가할수록 타겟 표면에 형성된 산화물 층에 의한 아크 방전이 발생하여 표면이 불균일하고 Ti 원소 함량이 낮은 박막이 형성되었다.
- 또한 ALD의 경우 정밀한 두께 조절성 및 균일한 박막 형성의 장점이 있지만 느린 증착률로 인해 상업적으로 이용하기 어려운 단점을 가지고 있다 [4,5]. 이에 본 연구에서는 선택적 투과막을 형성하는 방법으로 우수한 증착 속도를 나타내며 증착 메커니즘이 비교적 쉽고 경제적인 측면에서 우위에 있는 스퍼터링 방식을 이용하여 Al-Ti계 산화물 선택적 투과막 [6]을 형성하였다. Al 및 Ti를 동시에 포함하는 AlTiO (ATO) 박막의 굴절률은 Al2O3 [7] 및 TiO2 [8] 굴절률의 중간에 해당되는데 그 값은 기판으로 사용되는 실리콘의 굴절률 제곱근과 비슷하기 때문에 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지에 적용하면 가시광선의 반사를 억제하는 효과를 얻을 수 있다.
- 한편, TiO 박막과 AlO 박막의 굴절률은 각각 2.4 및 1.7로서 실리콘 웨이퍼 기판을 사용하는 경우에 두 박막의 굴절률 값의 중간에 해당되는 2.0∼2.1 범위에서 가시광선의 반사율이 최소가 되므로 [9] Al 및 Ti를 동시에 포함하는 ATO 박막이 선택적 투과막으로서 적합하리라 판단되어 ATO 박막을 제조하고 선택적 투과 특성을 평가하였다.
대상 데이터
- DC/RF 마그네트론 스퍼터로 AlO, TiO, 및 ATO 박막을 제조하였다. 스퍼터링 타겟으로는 2인치 Al 타겟 및 Ti 타겟을 사용하였고 기판으로는 투명 유리와 p형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
- DC/RF 마그네트론 스퍼터로 AlO, TiO, 및 ATO 박막을 제조하였다. 스퍼터링 타겟으로는 2인치 Al 타겟 및 Ti 타겟을 사용하였고 기판으로는 투명 유리와 p형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 기판 표면의 불순물을 제거하기 위해 트리클로에틸렌, 아세톤, 에틸알코올, 증류수의 순서로 각각 10분간 세척 후 고순도 질소 가스를 사용하여 건조하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a)는 다양한 두께로 증착된 ATO 박막들의 투과율을 측정한 결과로서 가시광선 영역에서 88% 이상의 투과율을 나타내었으며 박막의 두께가 증가할수록 투과율이 저하되는 일반적인 현상이 관찰되었다. Fig.
- Fig. 2(a)는 산소 분위기에서 Al 타겟을 RF 스퍼터링하여 실리콘 웨이퍼 기판 위에 23 nm의 두께로 증착한 AlO 박막의 표면 형상을 SEM을 이용하여 관찰한 결과로서 RF 스퍼터 증착에 의해 표면이 평탄한 AlO 박막이 얻어진다는 사실을 확인할 수 있다. Fig.
- Fig. 7(b)는 다양한 두께로 증착된 ATO 박막들의 반사율 측정한 결과로서 25 nm 두께로 증착된 ATO 박막은 400 nm 근방에서 반사율 최솟값을 보이고 파장이 증가함에 따라 반사율이 증가하여 적외선 영역에서는 높은 반사율이 유지되는 선택적 투과 특성을 나타내었다. 즉, 400 nm 근방의 가시광선은 투과되어 태양전지를 투명하게 하고 800 nm 이상의 적외선은 광흡수층으로 재반사되어 변환효율을 증가시키는 데에 기여하는 것이다.
- 2(b) 및 Fig. 3(b)의 AES depth profile을 비교하면 AlO 박막보다는 TiO 박막이 상대적으로 더 균일한 조성으로 증착된다는 사실이 확인된다. 이상의 Fig.
- Fig. 3(b)의 TiO 박막의 AES 깊이 분석 결과는 표면 및 기판과의 접하는 계면 주변을 제외하고는 Ti 및 O 피크가 식각 시간과 관계없이 거의 일정하게 유지된다는 사실을 보여주고 있다. Fig.
- 8에서 볼 수 있듯이 두께가 두꺼운 ATO 박막의 반사율 특성이 AlO 박막의 반사율 특성과 유사하다는 것은 두꺼운 ATO 박막에 Ti 원소가 미량으로 포함된다는 사실을 입증한다. 25 nm 두께의 ATO 박막과 TiO 박막의 반사율 특성을 비교하면 ATO 박막의 경우에 반사율 최솟값이 더 작고 가시광선 영역에서의 반사율이 더 낮은 것을 확인할 수 있으며 이는 Al 및 Ti 원소가 동시에 포함되는 ATO 박막이 AlO 및 TiO 박막에 비해 선택적 투과막으로서 더욱 적합하다는 사실을 의미한다.
- 4(b)는 실리콘 웨이퍼 기판 위에 증착된 AlO 박막의 반사율을 측정한 결과로서 측정 파장이 증가함에 따라 완만하게 감소하는 경향을 나타내었다. 400 nm 파장 영역에서 약 50%의 최대 반사율을 나타내었으며 1,200 nm 이상의 적외선 영역에서는 약 34% 정도의 일정한 반사율을 나타내었다. Fig.
- 400∼800 nm 범위의 가시광선 영역에서는 비교적 높은 투과율을 나타내었으며 자외선 및 적외선 영역에서는 상대적으로 낮은 투과율을 보였다.
- ATO 박막의 두께가 증가할수록 타겟 표면에 형성된 산화물 층에 의한 아크 방전이 발생하여 표면이 불균일하고 Ti 원소 함량이 낮은 박막이 형성되었다. Al과 Ti 원소의 비율에 따라 Al-Ti계 산화물 박막의 투과율 및 반사율은 뚜렷하게 구분되는 특징을 나타내었으며, 25nm 두께로 증착된 ATO 박막은 가시광선 영역에서는 반사율이 낮고 적외선 영역에서는 반사율이 높은 선택적 투과 특성을 보인다는 사실을 확인하였다. 따라서 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지에 적용하면 투명도는 유지하면서 변환효율은 증가하는 효과를 얻을 수 있으리라고 판단된다.
- Al과 Ti 원소의 비율에 따라 Al-Ti계 산화물 박막의 투과율 및 반사율은 뚜렷하게 구분되는 특징을 나타내었으며, 25nm 두께로 증착된 ATO 박막은 가시광선 영역에서는 반사율이 낮고 적외선 영역에서는 반사율이 높은 선택적 투과 특성을 보인다는 사실을 확인하였다. 따라서 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지에 적용하면 투명도는 유지하면서 변환효율은 증가하는 효과를 얻을 수 있으리라고 판단된다. 이러한 ATO 선택적 투과막은 Si계 태양전지에 국한되지 않고 CuInGaSe (CISG) 및 CdTe를 흡수층으로 하는 화합물 태양전지 및 염료감응형 태양전지에도 활용되어 건물일체형 태양전지 기술의 발전에 기여할 것으로 생각된다.
- 3(b)의 AES depth profile을 비교하면 AlO 박막보다는 TiO 박막이 상대적으로 더 균일한 조성으로 증착된다는 사실이 확인된다. 이상의 Fig. 2 및 Fig. 3의 결과로부터 산화물 타겟을 이용하지 않고 산화물을 구성하는 금속 원소로만 이루어진 금속 타겟을 이용하여 산소 분위기에서 스퍼터 증착을 실시하는 경우에도 표면이 평탄하고 비교적 균일한 조성을 갖는 AlO 및 TiO 박막이 얻어진다는 결론을 내릴 수 있다.
후속연구
- 따라서 ATO 박막을 Si계 투명 박막 태양전지에 적용하면 투명도는 유지하면서 변환효율은 증가하는 효과를 얻을 수 있으리라고 판단된다. 이러한 ATO 선택적 투과막은 Si계 태양전지에 국한되지 않고 CuInGaSe (CISG) 및 CdTe를 흡수층으로 하는 화합물 태양전지 및 염료감응형 태양전지에도 활용되어 건물일체형 태양전지 기술의 발전에 기여할 것으로 생각된다.
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