[논문]이종접합 실리콘 태양전지 적용을 위한 선택적 전하접합 층으로의 전이금속산화물에 관한 연구

김용준; 김선보; 김영국; 조영현; 박창균; 이준신

doi:10.4313/jkem.2017.30.3.192

[국내논문] 이종접합 실리콘 태양전지 적용을 위한 선택적 전하접합 층으로의 전이금속산화물에 관한 연구
A Study on the Selective Hole Carrier Extraction Layer for Application of Amorphous/crystalline Silicon Heterojunction Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.3, 2017년, pp.192 - 197

김용준 (성균관대학교 정보통신대학) , 김선보 (성균관대학교 에너지과학과) , 김영국 (성균관대학교 정보통신대학) , 조영현 (성균관대학교 정보통신대학) , 박창균 (주성엔지니어링 Solar R&D Division) , 이준신 (성균관대학교 정보통신대학)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogenated Amorphous Silicon (a-Si:H) is used as an emitter layer in HIT (heterojunction with Intrinsic Thin layer) solar cells. Its low band gap and low optical properties (low transmittance and high absorption) cause parasitic absorption on the front side of a solar cell that significantly reduces the solar cell blue response. To overcome this, research on CSC (carrier Selective Contacts) is being actively carried out to reduce carrier recombination and improve carrier transportation as a means to approach the theoretical efficiency of silicon solar cells. Among CSC materials, molybdenum oxide ($MoO_x$) is most commonly used for the hole transport layer (HTL) of a solar cell due to its high work function and wide band gap. This paper analyzes the electrical and optical properties of $MoO_x$ thin films for use in the HTL of HIT solar cells. The optical properties of $MoO_x$ show better performance than a-Si:H and ${\mu}c-SiO_x:H$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 전이금속산화물(transition metal oxide, TMO)의 연구를 통한 태양전지의 적용의 경우 Faunhofer Institute [1], Einthoven Tech, Australian National University 등이 연구성과를 발표하고 있으며, 향후 HSC (hole selective contact)뿐만 아니라, ESC (electron selective contact)을 형성하여, 생성된 EHP (electron hole pair)의 선택적 수집을 통한 재결합 감소에서 오는 태양전지의 효율향상에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 본 논문에서는 이종접합 실리콘 태양전지의 선택적 전하 수집을 위한 TMO 물질중의 한 종류인 MoO_x (molybdenum oxide)의 박막특성을 분석하고 태양전지의 적용을 통한 특성 향상에 대해 기술하고자 한다.

제안 방법

본 논문에서는 전이금속산화물 중 MoO_x 박막의 광학적 전기적 특성을 분석하고, 이를 이종접합 실리콘 태양전지의 emitter로 적용하여 일반적으로 사용되고 있는 a-Si:H 및 μc-SiO_x:H를 적용했을 때의 태양전지 출력특성과 비교하여 우수한 흡수층 및 emitter로서의 MoO_x의 물질특성을 제시 하였다.

대상 데이터

MoO_x 박막을 증착을 통한 광학적 전기적 분석을 위해, corning eagle XG (50×50 mm, 0.9 T) 및 polished silicon wafer (500 μm thickness)을 일반적인 acetone, methyl, DI (De-ionized water)의 순으로 초음파 세척을 통하여 준비하였으며, stoichiometric MoO₃ powdery type의 Sigma Aldrich 社의 99.999% (5 N) grade를 증착 소스로 사용하였다. MoO_x의 박막은 thermal evaporation을 이용하여 형성하였다.

성능/효과

Thermal evaporation으로 증착한 molybdenum oxide의 단일막 분석 결과, 실리콘 계열 물질과 비교하여, 현저히 낮은 absorption coefficient와 높은 optical 밴드갭(2.96 eV)을 통해 높은 투과도를 보였으나 높은 activation energy (0.46 eV)와 낮은 전도도(8.11×10^-6 s/cm)의 특성을 보였다. 높은 광학적 특성의 결과로 MoO_x를 emitter 층으로 SHJ 태양전지에 적용 시 단락전류밀도 향상에 기여하며, 단파장에서의 quantum efficiency가 기존의 a-Si:H 보다 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HSC에 적합한 물질은 어떤 것이 있는가?	위의 수식에서 알 수 있는 것처럼, 높은 일함수를 갖는 물질을 사용할 경우, 비정질 실리콘과의 접합에서 발생되는 band-offset을 낮추게 되며 이를 이종접합 태양전지에 적용할 경우 전류밀도 및 개방전압에 있어서 상승효과가 나타나게 된다. 다양한 기관 및 연구그룹들이 보고하고 있는 HSC에 적합한 물질로는 V2O5 [2], CrO3, MoO3 [3-8], WO3 [9] 등이 제안되고 있는데, 이중 V2O5, WO3, MoO3가 상대적으로 일함수가 높기 때문에 band- offset의 감소에 의한 특성 향상에 있어서 이점을 가지며, 앞으로도 선택적 전하 접합을 위한 TMO 물질로 상용화 가능성이 예상된다.
	MoOx을 SHJ 구조에 적용할 때 annealing 온도는 어떤 영향을 미치는가?	SHJ (silicon-heterojunction) 구조에 일반적으로 P-emitter 층으로 사용되는 a-Si:H 의 경우, annealing 온도를 200℃까지 증가시키면 passivation을 향상시켜소자의 특성이 좋아진다. 반대로 MoOx가 적용된 SHJ 소자의 경우 130℃ 이상의 온도에서 J-V curve 에 S-shape이 나타나기 시작하여 충진율의 급격한 loss로 인하여 소자 특성이 저하된다. 또, annealing 온도는 MoOx 층과 TCO (transparent conductive oxide) 층 사이에 intermixing 층을 성장시켜 Hole의 원활한 수집을 막는 역할을 한다 [4]. 즉, MoOx을 SHJ 구조에 적용할 시 annealing 온도의 최적화는 필수 요소이다.
	band-offset이 전하의 선택적 수집을 결정짓는 중요한 인자인 이유는?	P-type으로 동작 가능한 TMO 물질과 실리콘 사이의 접합 시 발생되는 band-offset은 전하의 선택적 수집을 결정짓는 가장 중요한 인자인데, 이는 ФTMO-χa-Sior Si 간의 에너지 차이에 의해 발생되는 band-offset이 정공(hole)의 barrier를 결정하기 때문이다. 이를 개선하기 위해서는 TMO의 일함수(ФTMO)는 상대적으로 높아야 하며, 접합물질의 이온화 에너지는 상대적으로 낮아야 한다.

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