[논문]고효율 실리콘 박막태양전지를 위한 신규 수소저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층 개발

강동원

doi:10.5370/kiee.2016.65.10.1702

고효율 실리콘 박막태양전지를 위한 신규 수소저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층 개발
A Novel Hydrogen-reduced P-type Amorphous Silicon Oxide Buffer Layer for Highly Efficient Amorphous Silicon Thin Film Solar Cells 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.10, 2016년, pp.1702 - 1705

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

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a novel hydrogen-reduced p-type amorphous silicon oxide buffer layer between $TiO_2$ antireflection layer and p-type silicon window layer of silicon thin film solar cells. This new buffer layer can protect underlying the $TiO_2$ by suppressing hydrogen plasma, which could be made by excluding $H_2$ gas introduction during plasma deposition. Amorphous silicon oxide thin film solar cells with employing the new buffer layer exhibited better conversion efficiency (8.10 %) compared with the standard cell (7.88 %) without the buffer layer. This new buffer layer can be processed in the same p-chamber with in-situ mode before depositing main p-type amorphous silicon oxide window layer. Comparing with state-of-the-art buffer layer of AZO/p-nc-SiOx:H, our new buffer layer can be processed with cost-effective, much simple process based on similar device performances.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반면에, 신규로 제작된 수소 저감형 버퍼층은 H₂/SiH₄=0 으로 셋팅하여 의도적으로 수소를 전혀 흘리지 않게 제작되었다. 또한 CO₂/SiH₄=0.58, B₂H₆/SiH₄=0.024로 설정하여 CO₂ gas의 양을 낮추고 B₂H₆의 양을 늘려 적정 투과율 및 높은 전도도를 유지하고자 하였다. 박막의 제작은 극저온(100도)에서 이루어졌으며, 이 박막의 밴드갭, 결정상 분석, 전도도 등의 박막특성을 분석하였다.
이를 우리 그룹에서 발표된 사전 연구결과들과 비교해 보고자 한다. 먼저, 최근 학계에 보고된 최신 구조인 AZO/p-nc-SiO_x:H 버퍼층과 본 연구에서 제안한 수소 저감형 버퍼층의 소자 적용시 출력 특성에 대해서 비교해 보고자 한다. 최신 구조인 AZO/ p-nc-SiO_x:H 버퍼층을 활용한 태양전지의 출력 특성의 경우, 8.
본 연구에서는 박막 실리콘 태양전지에서 전면 전극위에 주로 반사방지막으로서 적용되는 TiO₂를 수소플라즈마로부터 보호하면서도 소자의 성능을 희생시키지 않는 신규 수소 저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층을 제안하였다. 박막의 특성은 기존의 p층 특성과 비교할 때, 신규 버퍼층은 밴드갭이 약 0.
본 연구에서는 수소 저감형 p형 비정질실리콘 산화막을 개발하여 위의 조건을 모두 만족시킬 수 있도록 진행되었다. 버퍼층이 없는 경우 대비하여 매우 효율적인 박막태양전지의 출력 특성이 얻어졌으며, 최근 ZnO/nc-Si:H 버퍼층 구조를 갖는 태양전지의 특성과 견줄 수 있는 특성을 보여주었다.
이렇게 발전되어온 구조는 TiO₂ 코팅 공정 외에 ZnO를 스퍼터링(sputtering) 하는 공정이 추가되어야 하며, 또한 p층 실리콘의 증착 전에 nc-Si:H를 CVD로 증착하는데에 있어서 다량의 수소 희석으로 인해서 증착률이 저하되어 공정 시간이 많이 소요되는 측면이 있다. 실제 공정 및 양산을 고려할 때, 이는 공정 step 및 시간을 증가시켜 생산성을 악화시키는 측면도 있는데, 본 연구는 이를 해결하기 위하여 신규 버퍼층을 개발하도록 진행되었다.
이를 우리 그룹에서 발표된 사전 연구결과들과 비교해 보고자 한다. 먼저, 최근 학계에 보고된 최신 구조인 AZO/p-nc-SiO_x:H 버퍼층과 본 연구에서 제안한 수소 저감형 버퍼층의 소자 적용시 출력 특성에 대해서 비교해 보고자 한다.

제안 방법

이는 밴드갭의 저하를 불러일으킬 것이며, 또한 부분적으로는 박막의 결함밀도를 증가시킬 수 있다. 따라서 결함밀도 증가에 영향을 주는 CO₂/SiH₄비율을 1.2에서 0.58로 감소시켜 산소로 인한 결함형성 요인을 감소시키도록 하였다. CO₂/SiH₄ 비율의 감소와 더불어 B₂H₆/SiH₄의 증가로 박막의 전도도는 많이 상승할 것으로 예상된다.
그림 2는 제작된 박막태양전지들의 구조를 보여주고 있다. 먼저, 버퍼층이 없이 제작된 표준 태양전지가 좌측에 도시되어 있으며, 우측에는 본 연구에서 제안한 신규 수소 저감형 버퍼층이 적용된 박막태양전지의 구조를 보여주고 있다. 박막태양전지는 광흡수층이 실리콘 산화막으로 제작되었으며 이는 밴드갭이 1.
024로 설정하여 CO₂ gas의 양을 낮추고 B₂H₆의 양을 늘려 적정 투과율 및 높은 전도도를 유지하고자 하였다. 박막의 제작은 극저온(100도)에서 이루어졌으며, 이 박막의 밴드갭, 결정상 분석, 전도도 등의 박막특성을 분석하였다.
서론에서 기술된 바와 같이, 수소 저감형 버퍼를 제작하기 위하여 본 연구에서는 P층 조건을 기초로 해서 H₂/SiH₄ 비율을 30에서 0으로 감소시켜 수소희석을 전면적으로 배제하였다. 이는 밴드갭의 저하를 불러일으킬 것이며, 또한 부분적으로는 박막의 결함밀도를 증가시킬 수 있다.
신규 버퍼층의 특성을 검증하기 위하여 소자 제작이 따로 진행되었고, p형, n형 도핑층은 모두 SiO:H를 이용하여 기생 흡수 손실을 최소화하도록 하였다. 소자 구조는 [Asahi VU (glass/ SnO₂ : F)/TiO₂/new p-buffer/p-a-SiO : H (12nm)/i-a-SiO : H (100nm)/n-nc-SiO:H(40nm)/AZO (50nm)/Ag/Al]로 제작되었다.

대상 데이터

신규 버퍼층의 특성을 검증하기 위하여 소자 제작이 따로 진행되었고, p형, n형 도핑층은 모두 SiO:H를 이용하여 기생 흡수 손실을 최소화하도록 하였다. 소자 구조는 [Asahi VU (glass/ SnO₂ : F)/TiO₂/new p-buffer/p-a-SiO : H (12nm)/i-a-SiO : H (100nm)/n-nc-SiO:H(40nm)/AZO (50nm)/Ag/Al]로 제작되었다.
신규 버퍼층은 기존의 p층(p-type a-SiO_x:H) 박막의 공정 조건을 기초로 하여 제작되었다. 실리콘 박막태양전지의 p-i-n 구조에서 윈도우 층을 담당하는 p층 비정질실리콘 산화막은 H₂, SiH₄, B₂H₆, CO₂ gas 들을 조합하여 PECVD로 제작되며 높은 밴드갭 및 높은 전도도를 확보하기 위하여 높은 수소희석 비율 (H₂/SiH₄=30)을 유지하며, alloy를 만들기 위해 CO₂/ SiH₄=1.
:H) 박막의 공정 조건을 기초로 하여 제작되었다. 실리콘 박막태양전지의 p-i-n 구조에서 윈도우 층을 담당하는 p층 비정질실리콘 산화막은 H₂, SiH₄, B₂H₆, CO₂ gas 들을 조합하여 PECVD로 제작되며 높은 밴드갭 및 높은 전도도를 확보하기 위하여 높은 수소희석 비율 (H₂/SiH₄=30)을 유지하며, alloy를 만들기 위해 CO₂/ SiH₄=1.2, B₂H₆/SiH₄=0.016의 조성이 최적화되어 증착에 이용되었다. 반면에, 신규로 제작된 수소 저감형 버퍼층은 H₂/SiH₄=0 으로 셋팅하여 의도적으로 수소를 전혀 흘리지 않게 제작되었다.

성능/효과

8%)을 보여주었다. 그런 반면, 본 연구에서 제안한 수소 저감형 비정질실리콘 산화막을 적용하였을 경우의 출력 특성은 8.10 %의 변환 효율 (V_oc=0.991 V, J_sc=11.57 mA/cm², FF=70.6 %)을 보여주었다. 약 2.
그럼에도 불구하고 전반적인 출력 값은 매우 유사한 수준이다. 그렇지만, 본 연구에서 제안한 수소 저감형 버퍼층은 최신 구조인 AZO/p-nc-SiO_x:H 버퍼층 대비해서 공정 상에서 단가 및 공정 시간 부분에서 월등하게 유리한 측면들이 있다. AZO를 증착하기 위해서 스퍼터링 공정을 배제시킬 수 있으며 이를 통해 AZO 소재의 단가도 저감시킬 수 있다.
10 %)을 보여주었다. 또한 기존에 보고된 최신 버퍼층(AZO/p-nc-SiO_x:H)과 비교해서 볼 때에 변환 효율은 유사한 특성을 보여주면서도 실제 양산 공정에서 장점이 될 수 있는 공정시간 단축, 공정 단가 저감 뿐만 아니라 소자의 계면을 보호하는 본래의 목적에서도 부족함이 없는 모습을 보여주었다.
를 수소플라즈마로부터 보호하면서도 소자의 성능을 희생시키지 않는 신규 수소 저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층을 제안하였다. 박막의 특성은 기존의 p층 특성과 비교할 때, 신규 버퍼층은 밴드갭이 약 0.12 eV 정도 낮은 특성을 갖지만, 전기적 전도도에서는 100배 정도의 높은 특성을 보여주었다. 이 버퍼층을 박막태양전지에 적용 시 버퍼층이 없는 레퍼런스 태양전지 대비하여 효율의 향상(7.
본 연구에서는 수소 저감형 p형 비정질실리콘 산화막을 개발하여 위의 조건을 모두 만족시킬 수 있도록 진행되었다. 버퍼층이 없는 경우 대비하여 매우 효율적인 박막태양전지의 출력 특성이 얻어졌으며, 최근 ZnO/nc-Si:H 버퍼층 구조를 갖는 태양전지의 특성과 견줄 수 있는 특성을 보여주었다. 그러면서도 공정이 매우 간단해지며 빠르게 진행되고 공정비용을 저감할 수 있다는 것이 본 연구에서 개발된 수소 저감형 버퍼의 장점이 된다.
이 버퍼층을 박막태양전지에 적용 시 버퍼층이 없는 레퍼런스 태양전지 대비하여 효율의 향상(7.88 → 8.10 %)을 보여주었다.
P층 공정에서 수소플라즈마를 동반하기 때문에 TiO₂에서 산소 결합이 약해져 탈착되게 되는데[5], 이 산소가 플라즈마 증착 중에 p층으로 유입이 되어 p형 도핑의 활성화 에너지를 키우게 된다. 이는 V_oc의 감소를 불러올 수 있게 되는데, 본 연구에서 제안된 수소 저감형 버퍼층을 이용하였을 경우 V_oc가 약 10 mV 가량 증가되는 모습은 버퍼층으로의 역할을 통해서 하부의 TiO₂층이 받을 수 있는 수소플라즈마로부터의 damage를 줄이는데 기여했다고 볼 수 있다. 또한, n형 물질인 TiO₂층과 p층 실리콘이 접합을 이루는 계면에서 pn접합 현상에 의해 p층으로도 공핍영역이 생성되는데 이는 광흡수에 의해서 발생된 전자와 정공이 분리되는 과정에서 p층까지 온 정공들이 TiO₂층으로 이동하는데에 저항성분으로 작용하여 직렬 저항을 높이고 FF를 저하시킬 수 있다 [4].
738)가 더 높게 나타나는 결과에 기반하면, AZO 소재도 수소 플라즈마에서 자유롭다고 보기 어렵기 때문이다. 이러한 관점에서, 본 연구에서 제안하는 수소 저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층은 상기 공정 상에서의 여러 가지 장점들 (공정시간 단축, 공정 단가 저감, 계면 보호)을 갖는 특성을 보여주며 또한 소자의 성능이라는 측면에서도 최신 구조인 AZO/p-nc-SiO_x:H 버퍼층 대비해서 거의 차이가 없는 수준이다. 이를 본다면, 실리콘 박막 태양전지의 제작에서 반사방지막을 전면에 적용할 시에, 그를 보호하는 코팅 박막이 핵심 이슈가 되는데 신규 수소 저감형 버퍼층의 적용을 통해서 계면을 보호하면서도 기존 기술 대비하여 효율적으로 양산에 적용될 가능성이 높다고 판단하고 있다.

후속연구

7 eV) 보다 매우 높은 수준이기 때문에 매우 얇은 버퍼층의 특성상, 전면 전극에 코팅되어도 광학적 손실은 크지 않을 것으로 판단된다. 또한, 우리 그룹의 사전연구결과에서는 수소 저감형 비정질 실리콘을 버퍼로 이용했을 때에도 태양전지의 전체적인 특성 향상이 있었기 때문에 [4], CO₂ 희석이 추가된 본 연구의 신규 버퍼층을 이용할 경우에는 최종적으로 더 높은 전류값의 확보가 기대된다.
이러한 관점에서, 본 연구에서 제안하는 수소 저감형 비정질실리콘 산화막 버퍼층은 상기 공정 상에서의 여러 가지 장점들 (공정시간 단축, 공정 단가 저감, 계면 보호)을 갖는 특성을 보여주며 또한 소자의 성능이라는 측면에서도 최신 구조인 AZO/p-nc-SiO_x:H 버퍼층 대비해서 거의 차이가 없는 수준이다. 이를 본다면, 실리콘 박막 태양전지의 제작에서 반사방지막을 전면에 적용할 시에, 그를 보호하는 코팅 박막이 핵심 이슈가 되는데 신규 수소 저감형 버퍼층의 적용을 통해서 계면을 보호하면서도 기존 기술 대비하여 효율적으로 양산에 적용될 가능성이 높다고 판단하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 실리콘의 특징은?	또한 적층구조의 구현을 통해서 단일접합 구조 대비하여 고효율을 추구할 수 있기 때문에 최근에도 소자 구조 및 소재 부분에서 진전이 이루어지며 여러 연구 결과들이 발표되고 있다[1]. 밴드갭과 흡광계수가 높은 소재인 비정질 실리콘 (amorphous silicon, a-Si:H)은 주로 상부 전지에 적용되어 단파장 대역의 빛을 흡수하면서도 높은 개방전압(open circuit voltage, Voc)을 달성하는 데에 유리하다. 비정질 실리콘 박막태양전지는 [Glass/SnO2:F/p-i-n a-Si:H/Ag/Al]의 기본구조를 가지고 제작되며, 얇은 박막으로도 높은 광흡수를 위해 전면에 다양한 반사방지막이 적용될 수 있다.
	빛의 흡수를 극대화 해야하는 박막태양전지의 손실을 줄이기 위하여 어떤 연구가 진행되어 왔는가?	이는 빛의 흡수를 극대화해야 하는 박막태양전지에서는 매우 큰 손실이 된다. 이를 줄이기 위해서 TiO2(n=2.4~2.7) 소재를 주로 SnO2:F 위에 코팅하여 굴절률 차이를 보완하여 반사도를 줄이는 연구가 진행되어 왔다 [2]. 그러나, 이어서 증착되는 p층 실리콘은 주로 PECVD를 통해 증착될 때 수소플라즈마를 동반하는데, 하부의 TiO2 반사방지막이 수소플라즈마에 불안정하여 damage를 입히게 된다.
	실리콘 박막 태양전지의 장점은?	실리콘 박막 태양전지는 기존의 시장의 중심축을 형성하고 있는 결정질 실리콘 태양전지에 대비하여 낮은 원재료 소비율 및 대면적화 가능성이라는 관점에서 장점이 많아 주목을 받고 있는 기술이다. 또한 적층구조의 구현을 통해서 단일접합 구조 대비하여 고효율을 추구할 수 있기 때문에 최근에도 소자 구조 및 소재 부분에서 진전이 이루어지며 여러 연구 결과들이 발표되고 있다[1].

참고문헌 (5)

B. Cai, X. Li, Y. Zhang and B. Jia, "Significant light absorption enhancement in silicon thin film tandem solar cells with metallic nanoparticles", Nanotechnology, vol. 27, No. 19, pp. 195401-1-195401-10, 2016.

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T. Fujibayashi, T. Matsui, M. Kondo, "Improvement in quantum efficiency of thin film Si solar cells due to the suppression of optical reflectance at transparent conducting oxide/Si interface by $TiO_2$ /ZnO antireflection coating", Applied physics letters, vol. 88, pp. 183508-1-183508-4, 2006.

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S. Baek, J. Lee, Y.-J. Lee, S. Iftiquar, Y. Kim, J. Park, J. Yi, "Interface modification effect between p-type a-SiC:H and ZnO:Al in p-i-n amorphous silicon solar cells", Nanoscale Res. Lett. vol. 7, pp. 1-5, 2012.

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D.-W. Kang, A. Chowdhury, P. Sichanugrist, M. Konagai, "Light Management of a- $SiO_x$ :H Thin Film Solar Cells with Hydrogen-reduced $P^+$ Buffer at $TiO_2$ /p-layer Interface, Solar Energy Materials & Solar Cells", vol. 143, pp. 296-301, 2015.

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Y. Chiba, K. Kashiwagi, H. Kokai, "Plasma surface treatment effect of $TiO_2$ thin film", Vacuum, vol. 74, pp. 643-646, 2004.

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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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