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문제 정의
- 본 연구에서는 최근 태양광 소자의 나노 특성 분석법으로 새롭게 주목받고 있는 PC-AFM을 이용하여 대면적이 아닌 미세영역에서 직접 광전 특성을 측정하고, 소자에 조사되는 빛의 세기와 파장의 변화가 태양광 소자의 광전 특성에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하였다. 이렇게 PC-AFM을 이용하여 측정한 결과와 solar simulator를 이용해 얻은 전기적/광학적 특성과 비교하고, 이를 통해 EQE 특성과 PC-AFM을 이용해 측정한 파장별 photocurrent 특성과의 상관관계를 확인하였다.
제안 방법
- 9) 제작된 태양전지의 전기적 특성을 K201 solar simulator 시스템(McScience Inc., 한국)을 사용하여 측정하였으며 결과는 Table 1과 같다. 평균 개방전압 Voc는 0.
- 또한 태양전지에 조사되는 빛의 파장에 따른 광전 특성의 거동을 분석하기 위하여 다음과 같은 측정이 이루어졌다. PC-AFM에 장착된 monochrometer를 이용하여 300 nm에서 1100 nm까지 20 nm 간격으로 빛의 파장을 변화시키며 I-V 특성 곡선을 측정하였다. 앞서 수행한 실험과 마찬가지로 다이아몬드 tip이 사용되었으며, I-V측정결과로부터 각 파장에서 생성된 VPC-AFM 값을 추출하여 그래프로 나타내고(Fig.
- 이때 전극으로 사용된 cantilever tip은 Boron이 도핑된 다이아몬드 tip을 사용하였다. PC-AFM으로 측정된 I-V 측정결과에서 전류가 0A가 되는 전압값(VPC-AFM)을 추출하여 빛의 세기에 따른 그래프로 나타내었으며, 이 결과와 solar simulator 측정 결과를 비교하였다.
- PC-AFM을 이용하여 빛의 강도와 파장이 태양광 소자에 미치는 영향을 조사하기 위해 p-n 접합 구조의 polySi 웨이퍼 기반 태양전지를 제작하였다. 200 nm 두께의 poly-Si 웨이퍼를 diffusion furnace에서 POCl3와 함께 850 ℃의 온도까지 가열하여 확산 공정에 의해 웨이퍼의 표면에 p-n 접합을 형성시켰다.
- 2(b)에서 확인할 수 있다. Poly-Si 기반 태양전지의 표면 형상은 PC-AFM을 사용하여 관찰하였다. Topography와 current mapping image는 Fig.
- SiNx 층을 증착한 후, 하부 전극과 상부 전극은 스크린 프린팅 방식으로 실버 페이스트를 사용하여 형성하였으며, 하부 전극과 상부 전극의 두께는 각각 60 μm와 20 μm였다.
- Poly-Si 기반 태양전지의 표면 형상은 PC-AFM을 사용하여 관찰하였다. Topography와 current mapping image는 Fig. 3과 같이 빛을 조사한 상태에서 DC전압을 시료와 도핑된 다이아몬드 tip 사이에 인가하면서 동시에 측정하였다. Current mapping image에서 보이는 밝은 영역은 어두운 영역 또는 점과 비교하여 상대적으로 더 많은 수직 전류가 소자의 표면을 통과함을 나타낸다.
- 6 %였다. 그리고, 외부로부터 태양전지에 주입된 에너지의 광자 수에 대한 태양전지에 의해 수집된 전하 캐리어 수의 비율인 외부양자효율(EQE)을 분석하였고, 그 결과는 Fig. 5에 나타내었다.
- 다음과 같은 실험을 수행하기 위하여 E-sweep SPM모델(Seiko Instrument, 일본)의 원자현미경에 외부 광원 및 solar simulator를 결합한 PC-AFM 시스템을 구성하였으며(Fig. 1), 이를 이용하여 빛의 강도 및 파장의 변화가 광전 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 우선 solar simulator를 이용하여 태양전지에 조사되는 빛의 세기를 0 W/m2에서 1300 W/m2까지 100 W/m2 간격으로 변화시키며, I-V 특성 곡선을 측정한 후, 이 결과로부터 빛의 세기에 따른 Voc 값을 추출하였다.
- 우선 solar simulator를 이용하여 태양전지에 조사되는 빛의 세기를 0 W/m2에서 1300 W/m2까지 100 W/m2 간격으로 변화시키며, I-V 특성 곡선을 측정한 후, 이 결과로부터 빛의 세기에 따른 Voc 값을 추출하였다. 또한 PC-AFM 분석을 위해 0 W/m2에서 160 W/m2까지 빛의 세기를 증가시키며 AFM 시스템을 이용하여 I-V 특성 곡선을 측정하였다. 이때 전극으로 사용된 cantilever tip은 Boron이 도핑된 다이아몬드 tip을 사용하였다.
- 본 연구에서는 POCl3 확산 도핑 공정을 이용하여 poly-Si 웨이퍼를 기반으로 p-n 접합 구조의 태양광소자를 제작하였다. 제작된 태양광소자의 전기적 특성 중 Voc는 0.
- 빛의 세기에 따른 광전효과를 PC-AFM으로 분석하기 위해서 태양전지에 2, 5, 10, 18, 30, 40, 55, 73, 100, 130, 160 W/m2 세기의 빛을 조사한 상태에서 다이아몬드 tip을 전극으로 사용하여 I-V 특성을 측정하였다. 이 결과에서 VPC-AFM을 추출하여 빛의 세기에 따른 그래프로 나타내었다(Fig.
- 1), 이를 이용하여 빛의 강도 및 파장의 변화가 광전 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 우선 solar simulator를 이용하여 태양전지에 조사되는 빛의 세기를 0 W/m2에서 1300 W/m2까지 100 W/m2 간격으로 변화시키며, I-V 특성 곡선을 측정한 후, 이 결과로부터 빛의 세기에 따른 Voc 값을 추출하였다. 또한 PC-AFM 분석을 위해 0 W/m2에서 160 W/m2까지 빛의 세기를 증가시키며 AFM 시스템을 이용하여 I-V 특성 곡선을 측정하였다.
- 본 연구에서는 최근 태양광 소자의 나노 특성 분석법으로 새롭게 주목받고 있는 PC-AFM을 이용하여 대면적이 아닌 미세영역에서 직접 광전 특성을 측정하고, 소자에 조사되는 빛의 세기와 파장의 변화가 태양광 소자의 광전 특성에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하였다. 이렇게 PC-AFM을 이용하여 측정한 결과와 solar simulator를 이용해 얻은 전기적/광학적 특성과 비교하고, 이를 통해 EQE 특성과 PC-AFM을 이용해 측정한 파장별 photocurrent 특성과의 상관관계를 확인하였다.
- 제작된 전극의 ohmic contact 형성을 위해 소자는 RTP(rapid thermal processing)를 사용하여 680 oC에서 열처리하였다.9) 제작된 태양전지의 전기적 특성을 K201 solar simulator 시스템(McScience Inc.
- 다음으로, EQE 측정 결과와 PC-AFM으로 측정한 빛의 파장에 따른 광전 특성 거동을 분석하기 위해 다음과 같은 측정을 수행하였다. 태양전지에 조사되는 빛의 파장을 300 nm에서 1100 nm까지 20 nm 간격으로 변화시키며 I-V 특성 곡선을 측정한 후, 앞선 분석과 마찬가지로 VPC-AFM을 추출하였다. Fig.
대상 데이터
- p-n 접합 구조의 poly-Si 웨이퍼 기반 태양전지는 POCl3 확산 공정을 사용하여 제작되었다. 제조된 태양광 소자 전기적 특성을 측정한 결과를 Table 1에 나타내었으며, 개방 전압 Voc는 0.
- 제작된 태양전지의 크기는 2 cm × 2 cm이며, PECVD 공정으로 증착된 반사 방지막(SiNx)의 두께는 76 nm이고 굴절률은 1.97이었다.
데이터처리
- PC-AFM에 장착된 monochrometer를 이용하여 300 nm에서 1100 nm까지 20 nm 간격으로 빛의 파장을 변화시키며 I-V 특성 곡선을 측정하였다. 앞서 수행한 실험과 마찬가지로 다이아몬드 tip이 사용되었으며, I-V측정결과로부터 각 파장에서 생성된 VPC-AFM 값을 추출하여 그래프로 나타내고(Fig. 5), 이 측정 결과를 EQE 측정 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 6 % 였다. 우리는 이 소자의 광전 특성을 solar simulator와 PC-AFM 측정법으로 분석하였다. 조사되는 빛의 세가가 증가할 때 Voc 값과 PC-AFM 결과인 VPC-AFM 값의 변화 거동을 비교하여 PC-AFM 측정 시 tip과 시료 표면의 contact resistance와 전류에 의한 산화막 생성이 특성 분석에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
성능/효과
- 이를 극복하기 위해서는 시료에 조사되는 빛의 파장을 일정범위 sweep하면서 직접적으로 VPC-AFM 값을 추출할 수 있는 측정방법을 개발할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 본 실험결과를 통해 PC-AFM 측정결과가 거시적으로 EQE 분석결과와 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있었으며, 향후 나노스케일에서 일어나는 빛의 파장 변화에 따른 광전 특성 측정 및 분석에 매우 유용한 분석기법으로 활용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
- 6 %이다. 그리고 540 nm의 파장을 가지는 빛을 광전 소자에 조사한 경우, EQE의 최대 값(95 %)을 얻었으며, 우리는 제작된 모든 디바이스가 유사한 전기적 및 광학적 특성을 가짐을 확인했다.8)
- 5는 EQE 측정 결과와 PC-AFM 분석결과를 동일한 파장 영역에 대하여 함께 나타낸 그래프이다. 두 측정 모두 300 nm에서 1100 nm 범위의 파장에서 측정되었으며, 300 nm에서 700 nm 사이에서는 EQE값과 VPC-AFM 값이 거의 동일한 변화 경향을 보임을 확인할 수 있다. 하지만 VPC-AFM의 경우 700 nm 이상의 영역에서 EQE 결과보다 감소하는 비율이 크고, 특히 800 nm에서 950 nm 사이에서는 VPC-AFM 값이 진동하는 거동을 보여 EQE 결과와는 다소 차이 나는 경향을 보인다.
- 5 mA이다. 또한, 제작된 6개 소자의 fill factor 및 효율의 평균값은 각각 0.7과 약 13.6 %였다. 그리고, 외부로부터 태양전지에 주입된 에너지의 광자 수에 대한 태양전지에 의해 수집된 전하 캐리어 수의 비율인 외부양자효율(EQE)을 분석하였고, 그 결과는 Fig.
- 58 V였다. 반면 PC-AFM 측정결과에서는 VPC-AFM이 18 W/m2까지 증가하여 최대값을 보인 이후, 빛의 세기가 증가하면서 점점 감소하는 경향을 보였다. 이 경우 18 W/m2에서 VPC-AFM의 값은 0.
- Solar simulator로 분석한 결과와 PC-AFM 분석결과를 비교한 결과 다음과 같은 사실을 확인할 수 있었다. 우선 solar simulator 측정결과는 빛의 세기가 0 W/m2에서 300 W/m2까지 증가할 때 Voc 값이 급격히 상승하였으며, 이후 빛의 세기가 증가하더라도 완만한 기울기로 상승하며 거의 포화되는 경향을 보였다. 또한 300 W/m2에서 Voc값은 0.
- 또한 빛의 파장이 300 nm에서 1100 nm까지 변할 때 두 측정결과가 거시적으로 유사한 경향을 보이지만 일부 구간에서 상이한 결과를 보였으며, 향후 좀더 구체적인 분석과 보완이 필요함을 알 수 있었다. 이러한 연구를 통해 PC-AFM 분석법이 기존의 solar simulator 분석과 일정한 상관관계를 유지하고 있으며, 특히 나노스케일의 특정 국소영역에서 일어나는 광전효과를 직접 관찰하고 비교 분석할 수 있는 유일한 방법으로서 장점을 가지고 있음을 확인하였다. 이는 향후 태양광 소자 기술의 발전을 위해 필수적인 새로운 광전 재료의 개발과 공정최적화를 위한 광전 메커니즘 분석에 PC-AFM이 필수적으로 활용될 수 있음을 의미한다.
- 우리는 이 소자의 광전 특성을 solar simulator와 PC-AFM 측정법으로 분석하였다. 조사되는 빛의 세가가 증가할 때 Voc 값과 PC-AFM 결과인 VPC-AFM 값의 변화 거동을 비교하여 PC-AFM 측정 시 tip과 시료 표면의 contact resistance와 전류에 의한 산화막 생성이 특성 분석에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 빛의 파장이 300 nm에서 1100 nm까지 변할 때 두 측정결과가 거시적으로 유사한 경향을 보이지만 일부 구간에서 상이한 결과를 보였으며, 향후 좀더 구체적인 분석과 보완이 필요함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 두 측정결과의 거동 차이에 대한 원인은 아직 확실히 규명되지 않았다. 그 원인이 tip이 contact되는 국소 영역(local area)에 따른 전기, 광학적 특성 차이에서 기인한 것인지 아니면 기계적 진동 또는 광학적 불안정한 요인이 반복적인 I-V 특성 곡선 측정 과정에 영향을 미친 것인지는 좀 더 자세한 연구가 필요한 부분이다. 이를 극복하기 위해서는 시료에 조사되는 빛의 파장을 일정범위 sweep하면서 직접적으로 VPC-AFM 값을 추출할 수 있는 측정방법을 개발할 필요가 있다.
- 조사되는 빛의 세가가 증가할 때 Voc 값과 PC-AFM 결과인 VPC-AFM 값의 변화 거동을 비교하여 PC-AFM 측정 시 tip과 시료 표면의 contact resistance와 전류에 의한 산화막 생성이 특성 분석에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 빛의 파장이 300 nm에서 1100 nm까지 변할 때 두 측정결과가 거시적으로 유사한 경향을 보이지만 일부 구간에서 상이한 결과를 보였으며, 향후 좀더 구체적인 분석과 보완이 필요함을 알 수 있었다. 이러한 연구를 통해 PC-AFM 분석법이 기존의 solar simulator 분석과 일정한 상관관계를 유지하고 있으며, 특히 나노스케일의 특정 국소영역에서 일어나는 광전효과를 직접 관찰하고 비교 분석할 수 있는 유일한 방법으로서 장점을 가지고 있음을 확인하였다.
- 이러한 연구를 통해 PC-AFM 분석법이 기존의 solar simulator 분석과 일정한 상관관계를 유지하고 있으며, 특히 나노스케일의 특정 국소영역에서 일어나는 광전효과를 직접 관찰하고 비교 분석할 수 있는 유일한 방법으로서 장점을 가지고 있음을 확인하였다. 이는 향후 태양광 소자 기술의 발전을 위해 필수적인 새로운 광전 재료의 개발과 공정최적화를 위한 광전 메커니즘 분석에 PC-AFM이 필수적으로 활용될 수 있음을 의미한다.
- 그 원인이 tip이 contact되는 국소 영역(local area)에 따른 전기, 광학적 특성 차이에서 기인한 것인지 아니면 기계적 진동 또는 광학적 불안정한 요인이 반복적인 I-V 특성 곡선 측정 과정에 영향을 미친 것인지는 좀 더 자세한 연구가 필요한 부분이다. 이를 극복하기 위해서는 시료에 조사되는 빛의 파장을 일정범위 sweep하면서 직접적으로 VPC-AFM 값을 추출할 수 있는 측정방법을 개발할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, 본 실험결과를 통해 PC-AFM 측정결과가 거시적으로 EQE 분석결과와 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있었으며, 향후 나노스케일에서 일어나는 빛의 파장 변화에 따른 광전 특성 측정 및 분석에 매우 유용한 분석기법으로 활용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
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