[논문]V2O5 기반의 금속 산화물 투명 광전소자

김상윤; 최유림; 이경남; 김준동

doi:10.5370/kiee.2018.67.6.789

V2O5 기반의 금속 산화물 투명 광전소자
V2O5 Embedded All Transparent Metal Oxide Photoelectric Device 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.6, 2018년, pp.789 - 793

김상윤 (Photoelectric and Energy Device Application Lab, Multidisciplinary Core Institute for Future Energies, Incheon National University) , 최유림 (Photoelectric and Energy Device Application Lab, Multidisciplinary Core Institute for Future Energies, Incheon National University) , 이경남 (Photoelectric and Energy Device Application Lab, Multidisciplinary Core Institute for Future Energies, Incheon National University) , 김준동 (Department of Electrical Engineering, Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

All transparent metal oxide photoelectric device based on $V_2O_5$ was fabricated with structure of $V_2O_5/ZnO/ITO$ by magnetron sputtering system. $V_2O_5$ was deposited by reactive sputtering system with 4 inch vanadium target (purity 99.99%). In order to achieve p-n junction, p-type $V_2O_5$ was deposited onto the n-type ZnO layer. The ITO (indium tin oxide) was applied as the electron transporting layer for effective collection of the photo-induced electrons. Electrical and optical properties were analyzed. The Mott-Schottky analysis was applied to investigate the energy band diagram through the metal oxide layers. The $V_2O_5/ZnO/ITO$ photoelectric device has a rectifying ratio of 99.25 and photoresponse ratios of 1.6, 4.88 and 2.68 under different wavelength light illumination of 455 nm, 560 nm and 740 nm. Superior optical properties were realized with the high transmittance of average 70 % for visible light range. Transparent $V_2O_5$ layer absorbs the short wavelength light efficiently while passing the visible light. This research may provide a route for all-transparent photoelectric devices based on the adoption of the emerging p-type $V_2O_5$ metal oxide layer.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

sputtering system은 대면적 증착에 용이하고 안정성이 높은 고품질 금속 산화물 반도체를 간단한 공정으로 증착 가능한 장점을 가지고 있다. glass기판 위에 금속 산화물 반도체인 V₂O₅, ZnO 그리고 ITO를 증착하여 p-V₂O₅/n-ZnO/ITO 이종접합(heterojunction) 투명 광전소자를 제작하고 광학적, 전기적 특성을 분석하였다.

대상 데이터

glass기판 위에 투명 전극으로 사용된 ITO는 ITO target을 사용하여 아르곤(Ar) 30 sccm과 산소(O₂) 0.3 sccm 상태에서 DC sputtering을 통해 100 nm의 두께로 증착하였고 ZnO target을 이용하여 아르곤(Ar) 50 sccm를 상태에서 RF sputtering을 통해 ZnO를 50 nm 두께로 증착하였으며 V₂O₅는 순도 99.99%의 vanadium target을 사용하여 아르곤(Ar) 30sccm과 산소(O₂)2sccm 주입하여 reactive sputtering을 통해 50nm 두께로 증착하였다. reactive sputtering는 증착 공정 중 산소를 주입하여 금속원자와 산소를 반응시켜 산화물을 생성하는 방법으로 간단한 공정으로 우수한 금속 산화물 반도체를 생성하는 방식이다.

데이터처리

그림 6에서는 455 nm, 560 nm, 740 nm의 파장의 LED를 이용하여 외부전압을 가하지 않은 상태에서 1Hz의 주파수로 on-off를 반복하여 광응답을 측정하였다. V₂O₅/ZnO/ITO/glass 구조의 광전소자는 세가지 파장에서 모두 동작함을 확인하였고 455 nm, 560 nm, 740 nm의 파장에서 각각 0.
본 연구의 광전소자 표면과 구조를 가시적으로 확인하기 위해 전계 방출 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 사진을 촬영하였으며, Keighley 2400, UVvis-spectrophotometer를 사용하여 광전소자의 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. 또한 Potentiostat/galvanostat (ZIVE SP-2, WonA Tech, Korea)를 이용해 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 분석하였다.
본 연구의 광전소자 표면과 구조를 가시적으로 확인하기 위해 전계 방출 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 사진을 촬영하였으며, Keighley 2400, UVvis-spectrophotometer를 사용하여 광전소자의 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. 또한 Potentiostat/galvanostat (ZIVE SP-2, WonA Tech, Korea)를 이용해 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)을 분석하였다.

성능/효과

광전소자의 투과도는 가시광에서 평균 70% 이상의 수치를 보였고 가시적으로도 투명함이 보였다. 흡수도 또한 단파장에서 급격히 증가함을 확인하였고 V₂O₅가 단파장 흡수층으로서 역할을 한다는 것을 보였다.
흡수도 또한 단파장에서 급격히 증가함을 확인하였고 V₂O₅가 단파장 흡수층으로서 역할을 한다는 것을 보였다. 또한 I-V특성 그래프에서 정류비가 99.25이므로 뚜렷한 정류 특성을 지닌 광전소자임을 알 수 있고, 빛의 파장에 따른 전류응답 그래프를 통해서 넓은 파장 영역에 대한 광전소자의 감도가 우수하다는 것이 보였다.
광전소자의 투과도는 가시광에서 평균 70% 이상의 수치를 보였고 가시적으로도 투명함이 보였다. 흡수도 또한 단파장에서 급격히 증가함을 확인하였고 V₂O₅가 단파장 흡수층으로서 역할을 한다는 것을 보였다. 또한 I-V특성 그래프에서 정류비가 99.

후속연구

V₂O₅/ZnO/ITO/glass 구조의 투명 광전소자의 광전류의 수치가 nA 단위의 매우 작은 수치를 보였지만 추후 연구를 통해 광전류의 수치와 더 나아가 전압의 수치를 개선시킨다면 투명 광전소자로서 충분한 가치를 가질 것으로 보인다. 우수한 광학적 특성을 가지는 V₂O₅기반의 광전소자는 향후 투명 광전소자의 개발에 있어서 기초 기술로서 많은 이점을 제공 할 것으로 예상된다.
/ZnO/ITO/glass 구조의 투명 광전소자의 광전류의 수치가 nA 단위의 매우 작은 수치를 보였지만 추후 연구를 통해 광전류의 수치와 더 나아가 전압의 수치를 개선시킨다면 투명 광전소자로서 충분한 가치를 가질 것으로 보인다. 우수한 광학적 특성을 가지는 V₂O₅기반의 광전소자는 향후 투명 광전소자의 개발에 있어서 기초 기술로서 많은 이점을 제공 할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전의 장점	친환경 에너지원인 풍력, 수력, 바이오매스, 태양광 등의 개발이 중요시되는 이유이다. 태양광 발전은 친환경적이며 특히 다른 신재생 에너지원에 비해 적용범위가 넓다는 장점이 있다. 태양전지는 지금까지 Si을 기반으로 하여 연구되고 상용화되어 왔으나 불투명하다는 단점 때문에 Roof-Top 태양광 설비와 같이 시각적으로 방해가 되지 않는 장소에 한정되어있다.
	친환경 에너지원은 무엇이 있는가?	현대에 들어 화석연료 사용에 따른 환경적 문제, 에너지 고갈 등의 문제들이 대두됨에 따라 새로운 에너지원의 개발은 세계적인 이슈이다. 친환경 에너지원인 풍력, 수력, 바이오매스, 태양광 등의 개발이 중요시되는 이유이다. 태양광 발전은 친환경적이며 특히 다른 신재생 에너지원에 비해 적용범위가 넓다는 장점이 있다.
	태양광 발전에 필요한 태양전지의 한계점은?	태양광 발전은 친환경적이며 특히 다른 신재생 에너지원에 비해 적용범위가 넓다는 장점이 있다. 태양전지는 지금까지 Si을 기반으로 하여 연구되고 상용화되어 왔으나 불투명하다는 단점 때문에 Roof-Top 태양광 설비와 같이 시각적으로 방해가 되지 않는 장소에 한정되어있다. 최근에는 시각적으로 문제가 되지 않으며 색상을 조절하여 심미적인 부분까지 장점을 가진 투명 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하였다.

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