[논문]극저온에서 증착된 비정질실리콘 산화막 기반의 고성능 박막태양전지

강동원

doi:10.5370/kiee.2016.65.10.1694

극저온에서 증착된 비정질실리콘 산화막 기반의 고성능 박막태양전지
High Performance Amorphous Silicon Oxide Thin Film Solar Cells Fabricated at Very Low Temperature 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.10, 2016년, pp.1694 - 1696

강동원 (Dept. of Solar & Energy Engineering, Cheongju University)

Abstract ▼ AI-Helper

Present thin film solar cells with hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiO:H) as an absorber suffer from low fill factor(FF) of 61~64 [%] in spite of its benefits related to high open circuit voltage ($V_{oc}$). Since degraded quality of a-SiO:H absorber by alloying with oxygen can affect the FF, we aimed to achieve high photosensitivity by minimizing $CO_2$ gas addition. Improving optical gap($E_{opt}$) has been attained by strong hydrogen dilution combined with lowering substrate temperature down to 100 [$^{\circ}C$]. Small amount of the $CO_2$ was added in order to disturb microcrystalline formation by high hydrogen dilution. The developed a-SiO:H has high photosensitivity (${\sim}2{\times}10^5$) and high $E_{opt}$ of 1.85 [eV], which contributed to attain remarkable FF of 74 [%] and high $V_{oc}$ (>1 [V]). As a result, high power conversion efficiency of 7.18 [%] was demonstrated by using very thin absorber layer of only 100 [nm], even though we processed all experiment at extremely low temperature of 100 [$^{\circ}C$].

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 높은 Eopt과 낮은 결함 밀도, 즉, 높은 광민감도(photosensitivity)를 갖는 a-SiO:H를 개발하기 위하여 수소(H₂) 및 이산화탄소(CO₂) 희석 변수를 실리콘의 상변화를 모니터링하며 최적화하는 실험을 진행하였다. 먼저, 높은 Eopt을 위하여 높은 비율의 수소 희석 영역에서 박막을 증착하였다.
본 연구에서는 광민감도와 Eopt이 우수한 a-SiO:H 박막을 극저온에서 개발하였다. Eopt을 극대화하면서도 광민감도의 저하를 막기 위하여 극저온에서 H₂/SiH₄의 높은 비율을 유지하면서도 CO₂/SiH₄ 비율의 적절한 조절을 실시하였고, 이를 통해서 미세결정화를 피하면서 10⁵ 이상의 높은 광민감도를 갖는 박막을 얻을 수 있었다.
88 [eV]의 Eopt과 4×10⁴의 광민감도를 갖는데, Eopt과 광민감도 관점에서 가장 우수한 박막을 샘플링하였으며, 이 두 박막은 모두 100 [℃]의 극저온에서 제작되었다. 이를 기초로, 태양전지 소자를 제작하여 어떠한 거동을 보이는지 확인하는 실험을 진행하였다.

제안 방법

a-SiO:H 박막은 화학기상증착법으로 극저온(100~150[℃])에서 이루어졌으며, 이 박막의 Eopt, 결정상 분석, 광민감도 등의 박막 특성은 H₂/SiH₄ 비율(10~32), CO₂/SiH₄ 비율(0~0.5)의 매우 넓은 영역대에서 증착하여 그들의 특성을 분석하였다. 소자 제작을 위한 p형, n형 도핑층은 모두 SiO:H를 이용하여 기생 흡수손실을 최소화 하였다.
먼저, 높은 Eopt을 위하여 높은 비율의 수소 희석 영역에서 박막을 증착하였다. 그러나 높은 수소 희석에서는 비정질이 쉽게 미세결정(nanocrystallite)으로 상변화가 일어나는데, 이를 막으면서도 동시에 Eopt을 더욱 향상시키기 위해서 미량의 CO₂ 희석을 실시하였다. 또한 미세결정화는 증착 온도에 따라서 민감하며, 주로 180~300 [℃] 정도의 영역에서 이루어지는데, 본 연구는 100~150 [℃]의 매우 낮은 온도에서 진행하여 낮은 온도에서 더 높은 수소희석을 통해서 더욱 높은 Eopt을 갖는 박막을 제작할 수 있었다.
) 희석 변수를 실리콘의 상변화를 모니터링하며 최적화하는 실험을 진행하였다. 먼저, 높은 Eopt을 위하여 높은 비율의 수소 희석 영역에서 박막을 증착하였다. 그러나 높은 수소 희석에서는 비정질이 쉽게 미세결정(nanocrystallite)으로 상변화가 일어나는데, 이를 막으면서도 동시에 Eopt을 더욱 향상시키기 위해서 미량의 CO₂ 희석을 실시하였다.
이러한 다양한 스펙트럼을 갖는 박막 데이터를 기초로 가장 우수한 2가지 박막을 추출하였다. A1 샘플은 Eopt이 1.

대상 데이터

A1 샘플은 Eopt이 1.85 [eV]를 가지며, 광민감도가 2×105이고, A2 샘플은 1.88 [eV]의 Eopt과 4×104의 광민감도를 갖는데, Eopt과 광민감도 관점에서 가장 우수한 박막을 샘플링하였으며, 이 두 박막은 모두 100 [℃]의 극저온에서 제작되었다.
박막의 최적화 과정 이후에, 소자 특성을 검증하기 위하여 소자 구조는 <Asahi VU(SnO2:F)/AZO(20[nm])/p-a-SiO:H(12[nm])/i-a-SiO:H(100[nm])/n-nc-SiO:H(40[nm])/Ag/Al>로 제작되었다.

성능/효과

본 연구에서는 광민감도와 Eopt이 우수한 a-SiO:H 박막을 극저온에서 개발하였다. Eopt을 극대화하면서도 광민감도의 저하를 막기 위하여 극저온에서 H₂/SiH₄의 높은 비율을 유지하면서도 CO₂/SiH₄ 비율의 적절한 조절을 실시하였고, 이를 통해서 미세결정화를 피하면서 10⁵ 이상의 높은 광민감도를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 이를 통해 a-SiO:H 박막을 광흡수층으로 하는 소자를 제작하여 검증한 바, 높은 V_oc와 더불어 우수한 FF를 얻을 수 있었다.
비율이 16 정도로 높은 비율에서 미세결정화가 진행되었다. 그러나 CO₂/SiH₄ 희석이 실시되며 미세결정화가 방해를 받아서 비정질 특성을 보였고, 더 높은 수소희석 비율에서 미세결정화가 진행되었다. 또한, 기판의 온도가 더 낮을수록(100 [℃]) 미세결정화로의 진행이 더욱 더디게 진행되었다.
그러나 높은 수소 희석에서는 비정질이 쉽게 미세결정(nanocrystallite)으로 상변화가 일어나는데, 이를 막으면서도 동시에 Eopt을 더욱 향상시키기 위해서 미량의 CO₂ 희석을 실시하였다. 또한 미세결정화는 증착 온도에 따라서 민감하며, 주로 180~300 [℃] 정도의 영역에서 이루어지는데, 본 연구는 100~150 [℃]의 매우 낮은 온도에서 진행하여 낮은 온도에서 더 높은 수소희석을 통해서 더욱 높은 Eopt을 갖는 박막을 제작할 수 있었다.
또한, 기판의 온도가 더 낮을수록(100 [℃]) 미세결정화로의 진행이 더욱 더디게 진행되었다. 매우 낮은 온도인 100 [℃]까지 끌어내렸을 때, 미세결정화가 늦춰짐을 이용하여, 더욱 높은 수소희석을 통해서 Eopt을 증가시킬 수 있었고, 또한 CO₂/SiH₄ 희석을 추가하여 결정화 진전을 더 늦추면서도 Eopt의 향상을 도모할 수 있음이 밝혀졌다.
06 정도의 수준일 때 우수한 박막이 얻어졌음이 확인되었다. 반면 100도 공정에서는 낮은 온도의 특성 상 더 높은 수소희석을 실시할 수 있었고, 미세결정화로의 진행을 CO₂/SiH₄ 비율을 0.1~0.2 범위에서 적절히 조합을 해낼 때 더욱 우수한 광민감도와 Eopt을 갖는 a-SiO:H 박막을 제조할 수 있음이 확인되었다.
소자 특성 측면에서는 캐리어의 추출 및 수집이라는 중요한 특성을 만족시켜야 FF 값이 증가하게 되는데, 산소 희석의 증가에 따라 광흡수층의 품질이 떨어지면서 광민감도의 저하로 나타났고, 이는 출력특성의 저하로 이어지게 된다. 이를 볼 때, 높은 Eopt을 갖도록 광흡수층을 설계하여 다중 접합 태양전지의 상부 층으로 이용할 때에, Eopt과 더불어 광민감도 등의 특성을 감안하게 되는데, 소자 특성에 영향을 주는 중요한 파라미터 중의 하나가 광민감도임을 확인할 수 있었다.
Eopt을 극대화하면서도 광민감도의 저하를 막기 위하여 극저온에서 H₂/SiH₄의 높은 비율을 유지하면서도 CO₂/SiH₄ 비율의 적절한 조절을 실시하였고, 이를 통해서 미세결정화를 피하면서 10⁵ 이상의 높은 광민감도를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 이를 통해 a-SiO:H 박막을 광흡수층으로 하는 소자를 제작하여 검증한 바, 높은 V_oc와 더불어 우수한 FF를 얻을 수 있었다. 이는 향후 적층형 태양전지의 상부층으로 응용하여 고효율 다중 접합 태양전지를 설계할 때 성능 향상에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.
또한 다양한 박막의 실험을 통해서 광민감도가 10⁵을 넘어서는 박막들도 확인되었는데, 이는 10⁵ 미만을 보여줬던 기존의 연구결과들과 차별화되는 결과가 된다. 주로 CO₂/SiH₄ 비율이 0.2 미만으로 낮춰진 구간에서 10⁵ 이상의 우수한 광민감도를 갖는 박막이 얻어졌으며, 150 [℃] 공정에서는 H₂/SiH₄ 비율이 약 18 미만이며 CO₂/SiH₄ 비율이 0.06 정도의 수준일 때 우수한 박막이 얻어졌음이 확인되었다. 반면 100도 공정에서는 낮은 온도의 특성 상 더 높은 수소희석을 실시할 수 있었고, 미세결정화로의 진행을 CO₂/SiH₄ 비율을 0.

후속연구

이를 통해 a-SiO:H 박막을 광흡수층으로 하는 소자를 제작하여 검증한 바, 높은 V_oc와 더불어 우수한 FF를 얻을 수 있었다. 이는 향후 적층형 태양전지의 상부층으로 응용하여 고효율 다중 접합 태양전지를 설계할 때 성능 향상에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질실리콘 산화막(a-SiO:H) 곡선인자가 기존 비정질실리콘(a-Si:H)보다 낮은 값을 나타내는 이유는 무엇인가?	이는 Voc의 증가를 상쇄시키며 a-SiO:H 태양전지의 전력변환효율(PCE)를 더욱 증가시키는 데에 한계가 된다. FF가 낮게 나타나는 이유는 산소 희석에 의한 광흡수층 자체의 결함 밀도의 상승으로 캐리어의 재결합에 영향을 주기 때문인 것으로 판단된다.
	태양전지란 무엇인가?	입사하는 태양광을 전기에너지로 변환하는 에너지변환 소자인 태양전지는 최근 고효율을 위하여 적층형 구조의 개념으로 발전하고 있다[1-3]. 박막태양전지에서 적층형 태양전지는 밴드갭(optical bandgap, Eopt)이 높은 반도체와 낮은 반도체를 상/하부에 적층하여 고효율을 추구할 수 있다.
	박막태양전지에서 적층형 태양전지의 특징은 무엇인가?	입사하는 태양광을 전기에너지로 변환하는 에너지변환 소자인 태양전지는 최근 고효율을 위하여 적층형 구조의 개념으로 발전하고 있다[1-3]. 박막태양전지에서 적층형 태양전지는 밴드갭(optical bandgap, Eopt)이 높은 반도체와 낮은 반도체를 상/하부에 적층하여 고효율을 추구할 수 있다. 높은 Eopt을 갖는 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si:H)은 주로 상부 전지에 쓰여 짧은 파장대역의 빛을 흡수하면서도 높은 개방전압(open circuit voltage, Voc)을 달성하는 데에 유용하다.

참고문헌 (7)

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X. X. Zheng, X. D. Zhang, S. S. Yang, S. Z. Xu, C. C. Wei, Y. Zhao, "Effect of the n/p tunnel junction on the performance of a-Si : H/a-Si : H/ ${\mu}$ c-Si : H triple-junction solar cells", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.101 pp.15-21, 2012.

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Y.H. Heo, D.J. You, H. Lee, S. Lee, H.-M. Lee, "ZnO:B back reflector with high haze and low absorption enhanced triple-junction thin film Si solar modules", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.122 pp.107-111 2014.

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S. Inthisang, K. Sriprapha, S. Miyajima, A. Yamada, M. Konagai, "Hydrogenated Amorphous Silicon Oxide Solar Cells Fabricated near the Phase Transition between Amorphous and Microcrystalline Structures", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 48, No. 12R, pp. 122402-1-122402-4, 2009.

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J. E. Lee, J.H. Park, J. Yoo, K. H. Yoon, D. Kim, J.-S. Cho, "The deposition of intrinsic hydrogenated amorphous silicon thin films incorporated with oxygen by plasmaenhanced vapor deposition", Solid State Sciences, vol.20, pp. 70-74, 2013.

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J. Sritharathikhun, A. Moollakorn, S. Kittisontirak, A. Limmanee, K. Sriprapha, "High quality hydrogenated amorphous silicon oxide film and its application in thin film silicon solar cells", Current Applied Physics, vol. 11 pp. S17-S20 2011.

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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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