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문제 정의
- 또한 이를 통해서 박막태양전지를 제작하여 특성을 검증하였다. 게다가, 박막이 얇아지면서 곡선인자 등을 개선하게 되는데, 이를 통해 감소될 수 있는 광전류를 보상해주기 위하여 태양전지의 후면에 3중 구조의 반사막(n-type nc-SiOx:H/ZnO:Al/Ag)을 형성하여 전체적인 특성 향상을 도모하였고, 향상된 출력 특성을 갖는 태양전지를 검증한 결과를 본 논문에서 보고한다.
- 본 연구는 박막 실리콘 태양전지에서 비정질실리콘계 산화막을 다양한 저온 구간에서 광민감도와 밴드갭을 최적화하는 실험 결과를 통해서 고성능 태양전지의 기반이 되는 최적화 박막을 확보하였다. 이를 통해 제작된 박막태양전지에서는 100℃에서 제작된 소자가 더 높은 효율을 내면서 적층 구조의 태양전지의 상부 전지로 최적화됨을 확인하였다.
제안 방법
- 광민감도는 암전도도(dark conductivity)와 광전도도(photoconductivity)의 측정 및 그 비율로 계산되었고, 밴드갭은 spectroscopic ellipsometry 장비를 이용하여 측정하였다.
- 그림 4는 더 얇아진 광흡수층 (100 nm)를 기초로 제작된 태양전지의 출력 특성을 보여주며, 얇아진 광흡수층에 따른 감소될 전류를 보상하기 위하여 후면의 n-nc-SiOx:H/Ag 계면에 AZO를 스퍼터링 공정으로 추가하여 후면에서의 반사를 극대화하는 신규 구조를 적용하였다. 그 결과 전류를 10.
- )를 면밀히 조사하고, 최적의 박막 특성을 실험 결과를 통해 도출하였다. 또한 이를 통해서 박막태양전지를 제작하여 특성을 검증하였다. 게다가, 박막이 얇아지면서 곡선인자 등을 개선하게 되는데, 이를 통해 감소될 수 있는 광전류를 보상해주기 위하여 태양전지의 후면에 3중 구조의 반사막(n-type nc-SiOx:H/ZnO:Al/Ag)을 형성하여 전체적인 특성 향상을 도모하였고, 향상된 출력 특성을 갖는 태양전지를 검증한 결과를 본 논문에서 보고한다.
- 본 연구에서는 기타의 연구들과 다르게, 증착온도를 100~150℃ 구간으로 여타 180~300℃의 상대적으로 높은 온도의 공정으로 진행된 사전 연구결과 [4-6]에 비해서 저온에서 증착하면서도 고효율 특성을 달성하는데에 초점을 맞추어 진행하였다. 이는 향후 플라스틱기판 등의 플렉서블/웨어러블 공정에도 다양하게 적용될 수 있다.
- ) 가스를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착되었다. 수소/실란 비율(R = 12~24) 및 CO2 가스 희석(CO2/SiH4=0.1~0.3)을 최적화해가면서 박막의 밴드갭 및 광민감도를 측정 및 분석을 진행하였다.
- 우리 그룹에서는 먼저 다양한 수소/실란 가스 비율 및 이산화탄소/실란 가스 비율의 변화에 맞춰 공정온도를 낮춰가며 광흡수층 박막의 광민감도(photosensitivity)와 밴드갭(Eopt)를 면밀히 조사하고, 최적의 박막 특성을 실험 결과를 통해 도출하였다. 또한 이를 통해서 박막태양전지를 제작하여 특성을 검증하였다.
- 위와 같이 유사한 수준의 광민감도를 갖는 100℃와 150℃ 공정으로 얻어진 광흡수층을 기초로 그림 2 및 표 1과 같이, 150 nm 두께를 갖는 박막태양전지를 제작하여 그 출력 특성을 비교하였다. 약 6.
- 85 eV로 높아 개방전압의 향상에 도움이 된 것으로 볼 수 있다. 전류도 산화물계 광흡수층임을 감안하면 11 mA/cm2 이상으로 매우 높은 수준이며, 곡선인자(fill factor, FF)가 낮은데, 이를 개선하기 위하여 그림 3에서는 박막의 두께를 100 nm로 낮추면서 입사광 관리를 최적화하는 새로운 구조를 개발하였고, 그림 4에는 실험적으로 소자를 제작하여 그 결과를 도시하였다.
- 후면 반사를 강화하기 위하여 제안된 n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag 3중 구조 반사극대화 구조에서는 AZO는 스퍼터링 공정을 통해서 200℃에서 제작하였고, Ag/Al의 금속 박막은 thermal evaporator를 이용하여 증착 및 그 특성을 분석하였다. 태양전지의 특성 검증은 솔라 시뮬레이터 장비를 이용해서 AM 1.5 G (100 mW/cm2) 표준 조건 (25℃) 에서 측정하였다.
- p, n층은 위와 같이 모두 실리콘산화막 상을 형성하여 기생흡수를 줄였고 증착온도는 100℃에서 증착되었다. 후면 반사를 강화하기 위하여 제안된 n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag 3중 구조 반사극대화 구조에서는 AZO는 스퍼터링 공정을 통해서 200℃에서 제작하였고, Ag/Al의 금속 박막은 thermal evaporator를 이용하여 증착 및 그 특성을 분석하였다. 태양전지의 특성 검증은 솔라 시뮬레이터 장비를 이용해서 AM 1.
대상 데이터
- 최적화된 박막을 소자를 제작할 경우에는 박막태양전지의 구조[Asahi-VU (glass/SnO2:F)/AZO(10nm)/p-a-SiOx:H(12nm)/i-a-SiOx:H(100~150 nm)/ n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag/Al]로 제작하였다. p, n층은 위와 같이 모두 실리콘산화막 상을 형성하여 기생흡수를 줄였고 증착온도는 100℃에서 증착되었다.
이론/모형
- 비정질실리콘계 산화막 박막은 실란(SiH4), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 가스를 이용하여 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착되었다. 수소/실란 비율(R = 12~24) 및 CO2 가스 희석(CO2/SiH4=0.
성능/효과
- 또한 후면에서의 n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag 3중 구조 반사체를 실질적으로 구현해내면서 전반적인 효율의 향상을 이끌 수 있었다. 100 nm의 매우 얇은 두께로도 7.77%의 높은 효율을 확보하였으며, 이 수준은 현재까지 발표된 결과들로 볼 때, 비정질실리콘계 산화막을 광흡수층으로 하는 박막태양전지로는 세계적인 수준이다. 이 기술은 향후 적층형 태양전지의 제작을 위한 고효율화 기술들에 있어서 여러 가지 형태로 응용될 것으로 예상된다.
- 100℃의 공정온도 실험의 경우는 R 값이 20일 때 높은 밴드갭 (1.85 eV)과 더불어 1.9×105 수준의 광민감도를 얻을 수 있었으며, R을 더 증가시키면 미세결정화가 진행되면서 광민감도의 저하로 이어지므로 R = 20 구간에서 박막의 특성이 최적화되었다.
- 9×105 수준의 광민감도를 얻을 수 있었으며, R을 더 증가시키면 미세결정화가 진행되면서 광민감도의 저하로 이어지므로 R = 20 구간에서 박막의 특성이 최적화되었다. 150℃로 온도가 높은 실험 SET에서는 역시 수소 비중이 증가함에 따라 밴드갭을 높여갈 수 있지만, 광민감도는 지속적으로 저하됨을 확인할 수 있다. 또한 CO2 희석의 증가는 밴드갭을 확실히 증가시킬 수 있지만 광민감도의 저하가 뒤따르는 것을 많은 실험 값을 통해서 확인할 수 있었다.
- :H/Ag 계면에 AZO를 스퍼터링 공정으로 추가하여 후면에서의 반사를 극대화하는 신규 구조를 적용하였다. 그 결과 전류를 10.8 mA/cm2까지 확보하여 150 nm 광흡수층을 갖는 태양전지와 큰 차이가 없는 수준으로 확보하면서도 곡선인자의 큰 개선으로 7.77%라는 더 높은 효율을 갖는 태양전지 소자를 설계할 수 있었다. 이 연구 결과는 더 얇은 광흡수층을 통해서 생산성 향상이라는 공정상의 측면에서 장점과 더불어, 소자적인 측면에서도 개방전압 및 효율의 향상으로 나타나는 큰 장점을 가져오는 결과로 해석할 수 있다.
- 따라서 150℃에서의 최적의 조건은 1.81 eV의 밴드갭에서 1.7×105 수준의 광민감도를 얻을 수 있었다.
- 150℃로 온도가 높은 실험 SET에서는 역시 수소 비중이 증가함에 따라 밴드갭을 높여갈 수 있지만, 광민감도는 지속적으로 저하됨을 확인할 수 있다. 또한 CO2 희석의 증가는 밴드갭을 확실히 증가시킬 수 있지만 광민감도의 저하가 뒤따르는 것을 많은 실험 값을 통해서 확인할 수 있었다. 따라서 150℃에서의 최적의 조건은 1.
- 이를 통해 제작된 박막태양전지에서는 100℃에서 제작된 소자가 더 높은 효율을 내면서 적층 구조의 태양전지의 상부 전지로 최적화됨을 확인하였다. 또한 후면에서의 n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag 3중 구조 반사체를 실질적으로 구현해내면서 전반적인 효율의 향상을 이끌 수 있었다. 100 nm의 매우 얇은 두께로도 7.
- 위와 같이 유사한 수준의 광민감도를 갖는 100℃와 150℃ 공정으로 얻어진 광흡수층을 기초로 그림 2 및 표 1과 같이, 150 nm 두께를 갖는 박막태양전지를 제작하여 그 출력 특성을 비교하였다. 약 6.8~7.0%에 해당하는 효율이 얻어졌으며 주된 차이는 개방전압에서 나타났다. 0.
- 본 연구는 박막 실리콘 태양전지에서 비정질실리콘계 산화막을 다양한 저온 구간에서 광민감도와 밴드갭을 최적화하는 실험 결과를 통해서 고성능 태양전지의 기반이 되는 최적화 박막을 확보하였다. 이를 통해 제작된 박막태양전지에서는 100℃에서 제작된 소자가 더 높은 효율을 내면서 적층 구조의 태양전지의 상부 전지로 최적화됨을 확인하였다. 또한 후면에서의 n-nc-SiOx:H(40 nm)/ZnO:Al(AZO)/Ag 3중 구조 반사체를 실질적으로 구현해내면서 전반적인 효율의 향상을 이끌 수 있었다.
후속연구
- 77%의 높은 효율을 확보하였으며, 이 수준은 현재까지 발표된 결과들로 볼 때, 비정질실리콘계 산화막을 광흡수층으로 하는 박막태양전지로는 세계적인 수준이다. 이 기술은 향후 적층형 태양전지의 제작을 위한 고효율화 기술들에 있어서 여러 가지 형태로 응용될 것으로 예상된다.
- 본 연구에서는 기타의 연구들과 다르게, 증착온도를 100~150℃ 구간으로 여타 180~300℃의 상대적으로 높은 온도의 공정으로 진행된 사전 연구결과 [4-6]에 비해서 저온에서 증착하면서도 고효율 특성을 달성하는데에 초점을 맞추어 진행하였다. 이는 향후 플라스틱기판 등의 플렉서블/웨어러블 공정에도 다양하게 적용될 수 있다.
- 이 연구 결과는 더 얇은 광흡수층을 통해서 생산성 향상이라는 공정상의 측면에서 장점과 더불어, 소자적인 측면에서도 개방전압 및 효율의 향상으로 나타나는 큰 장점을 가져오는 결과로 해석할 수 있다. 향후에 이 소자의 추가적인 특성 향상을 위해서 굴절률이 ZnO:Al과 Ag의 사이 값을 갖는 물질을 이용하면 반사도 극대화에 따른 전류의 향상을 기대할 수 있으며, MgF2 소재를 이용했을 때의 사전 연구결과를 최근 발표한 바 있다 [7].
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