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문제 정의
- 본 연구에서는 그라파이트 기판에 제작된 박막 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위해 미세 결정 구조인 nc-Si으로 태양전지를 제조 하여 비정질 실리콘 구조로 제작된 태양전지에 비해 개선된 효율을 얻었다. 또한 미세결정 구조의 태양전지를 그라파이트 시트(graphite sheet)에 적용하여 유연(flexible) 태양전지 제작 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 그라파이트 기판에 제작된 박막 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위해 미세 결정 구조인 nc-Si으로 태양전지를 제조 하여 비정질 실리콘 구조로 제작된 태양전지에 비해 개선된 효율을 얻었다. 또한 미세결정 구조의 태양전지를 그라파이트 시트(graphite sheet)에 적용하여 유연(flexible) 태양전지 제작 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 그라파이트 기판의 높은 표면거칠기를 제어와 탄소 입자에 의한 오염 방지를 위해 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 SiOx/SiNx의 적층 구조로 배리어 층을 쌓았다. 광흡수층으로는 미세 결정 실리콘을 H2와 SiH4의 비율 조절을 통해 PECVD로 증착하였다.
- 유연 태양전지 제작에 사용된 그라파이트 시트는 25 μm의 상용 시트가 사용되었다. 그라파이트 시트는 polyimide tape로 고정하여 진공 박막을 증착하였다. Fig.
- 공정 순서는 그라파이트 기판에 배리어 층으로 SiOx/SiNx을 적층하고 후면 전극으로 Ag/투명전극(Al doped ZnO, AZO)층을 형성하였다. 다음으로 광흡수층과 전자-정공 수집을 위해 N(phosphorus doped Si, N-layer), I(intrinsic silicon, I-layer), P(boron doped silicon, P-layer) 층을 PECVD로 각각 30 nm, 2,000 nm, 30 nm 두께로 쌓았다. 전면 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 층과 Al 전극 패턴을 형성하여 태양전지를 제작 하였다.
- 1에 나타내었다. 라만 분석은 514 nm 파장의 레이저를 사용하였으며 비정질 실리콘과 미세 결정실리콘에 대하여 분석을 진행 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 비정질 실리콘 대신 미세 결정 실리콘 구조의 태양전지를 제작하였다. 미세 결정 실리콘 태양전지의 특성 분석을 위해 전류-전압 측정과 양자 효율 분석을 진행하였고 Fig. 4에 정리하였다. 양자 효율 곡선에서 배리어 층이 850 nm 적층 구조일 때 21.
- 유연(flexible) 태양전지 제작을 위해 그라파이트 시트에 미세 결정구조의 태양전지를 적용 시켰다. 유연 태양전지의 특성 분석은 Fig.
- 유연(flexible) 태양전지에 응용하기 위해 그라파이트 시트에 같은 박막 실리콘 증착 공정(미세 결정 구조)을 진행하였다. 유연 태양전지 제작에 사용된 그라파이트 시트는 25 μm의 상용 시트가 사용되었다.
- 다음으로 광흡수층과 전자-정공 수집을 위해 N(phosphorus doped Si, N-layer), I(intrinsic silicon, I-layer), P(boron doped silicon, P-layer) 층을 PECVD로 각각 30 nm, 2,000 nm, 30 nm 두께로 쌓았다. 전면 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 층과 Al 전극 패턴을 형성하여 태양전지를 제작 하였다. 탄소 기판의 거칠기를 제어하기 위해 PECVD로 증착된 배리어 층 적층막은 순서에 상관없이 비슷한 효율을 보이지만 산화막(SiOx film) 내부의 산소로부터 전극으로의 혼입을 막기 위해서 SiOx/SiNx 순으로 적층하였다.
- 전면 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 층과 Al 전극 패턴을 형성하여 태양전지를 제작 하였다. 탄소 기판의 거칠기를 제어하기 위해 PECVD로 증착된 배리어 층 적층막은 순서에 상관없이 비슷한 효율을 보이지만 산화막(SiOx film) 내부의 산소로부터 전극으로의 혼입을 막기 위해서 SiOx/SiNx 순으로 적층하였다.
대상 데이터
- 의 적층 구조로 배리어 층을 쌓았다. 광흡수층으로는 미세 결정 실리콘을 H2와 SiH4의 비율 조절을 통해 PECVD로 증착하였다. 증착 조건에 대한 미세 결정 구조는 지난 연구에서 확인하였으며15) 증착된 실리콘층의 라만 분석을 Fig.
- 미세 결정 구조의 실리콘 태양전지의 제작에 탄소 기판(graphite plate - Nippon Carbon Co. Ltd, “CCM-400C”)과 유연(flexible) 태양전지에 적용 하기 위해 그라파이트 시트(graphite sheet - Panasonic, “EYGS121803”)가 사용되었다.
- 를 가지고 있어 태양전지 효율 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 비정질 실리콘 대신 미세 결정 실리콘 구조의 태양전지를 제작하였다. 미세 결정 실리콘 태양전지의 특성 분석을 위해 전류-전압 측정과 양자 효율 분석을 진행하였고 Fig.
- 유연 태양전지 제작에 사용된 그라파이트 시트는 25 μm의 상용 시트가 사용되었다.
- 태양전지는 5 cm × 5 cm의 크기로 제작하였다.
성능/효과
- 8 %로 최고 효율을 보였다.9) 실리콘 태양전지의 낮은 효율의 원인 중 하나는 비정질 실리콘이 구조상 많은 dangling bond를 가지고 있어 그로 인해 생긴 재결합이 태양전지의 효율에 영향을 미친다.10-12) 재결합을 낮추어 캐리어 수집 확률을 향상시키기 위한 방법으로는 비정질 실리콘에 수소를 첨가하거나(a-Si:H), 나노 또는 마이크로 결정구조를 가지는(nc-Si, µc-Si) 형태로 증착하여 재결합 수를 줄이는 방법이 있다.
- 89 %의 효율로 배리어 층 두께에 따른 표면 거칠기 제어에 따라 효율에 영향을 보였다. 결과적으로, 이전 실험에서 배리어 층 두께에 따라 rms 표면 거칠기 값을 제어함으로써 850 nm의 배리어 층에서 가장 좋은 효율을 보였고 효율을 조금 더 개선하기 위해 비정질이 아닌 미세 결정 구조를 택함으로써 8.45 %의 최고 효율을 확인할 수 있었다. 또한 탄소 기판의 특성상 고온에서도 기판의 변형없이 공정을 진행 할 수 있기 때문에, 실리콘층의 구조와 전극 형성에 대한 추가 연구를 통해 고온공정에서 실리콘 결정화를 진행 한다면 효율 향상이 가능할 것이다.
- 이전 실험 결과에서, 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)을 이용하여 실리콘 산화막과 질화막 계열의 배리어 막을 증착하여서 표면 거칠기를 100 nm 미만으로 감소 시킬 수 있었다. 그 결과, 박막 실리콘을 균일하게 증착할 수 있었고, 비정질 박막 실리콘 구조의 태양전지에서 배리어막 850 nm 적층 구조에서 7.3~7.8 %로 최고 효율을 보였다.9) 실리콘 태양전지의 낮은 효율의 원인 중 하나는 비정질 실리콘이 구조상 많은 dangling bond를 가지고 있어 그로 인해 생긴 재결합이 태양전지의 효율에 영향을 미친다.
- 9) 마찬가지로 본 연구에서 제작된 미세 결정 실리콘 구조의 태양전지 에서도 같은 경향을 나타내었다. 배리어 층이 850 nm의 두께를 갖을 경우 8.45 %로 최고 효율이 나타났으며, 800 nm의 배리어 층 두께에서는 약간 낮은 7.89 %의 효율로 배리어 층 두께에 따른 표면 거칠기 제어에 따라 효율에 영향을 보였다. 결과적으로, 이전 실험에서 배리어 층 두께에 따라 rms 표면 거칠기 값을 제어함으로써 850 nm의 배리어 층에서 가장 좋은 효율을 보였고 효율을 조금 더 개선하기 위해 비정질이 아닌 미세 결정 구조를 택함으로써 8.
- 본 연구에서는 탄소 기판을 이용한 박막 실리콘 태양전지 제작에 있어 비정질 실리콘 대신 미세 결정 구조의 실리콘을 PECVD로 증착하여 개선된 효율 8.45 %를 달성하였다. 얇은 그라파이트 시트를 이용하여 제조된 미세 결정 박막 실리콘 태양전지는 단단한 그라파이트 기판을 이용했을 때와 유사한 8.
- 45 %를 달성하였다. 얇은 그라파이트 시트를 이용하여 제조된 미세 결정 박막 실리콘 태양전지는 단단한 그라파이트 기판을 이용했을 때와 유사한 8.42 %의 효율을 확보하여 유연(flexible) 태양전지로의 응용 가능성을 확인하였다.
- 그라파이트 기판을 이용하여 제작한 박막 실리콘 태양전지의 특성을 확보하기 위해서는 기판 표면의 탄소 입자에 의한 높은 표면거칠기를 제거할 필요가 있다. 이전 실험 결과에서, 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)을 이용하여 실리콘 산화막과 질화막 계열의 배리어 막을 증착하여서 표면 거칠기를 100 nm 미만으로 감소 시킬 수 있었다. 그 결과, 박막 실리콘을 균일하게 증착할 수 있었고, 비정질 박막 실리콘 구조의 태양전지에서 배리어막 850 nm 적층 구조에서 7.
- 5에 나타내었고 그라파이트 기판과 그라파이트 시트에 적용된 미세 결정 태양전지 특성 값들을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 제작된 유연 태양전지의 최고 효율은 8.42 %로 큰 효율 감소 없이 잘 제작 된 것을 알 수 있다. 유연 태양전지의 제작은 얇은 두께의 그라파이트 시트를 사용하기 때문에 찢어질 위험이 있어 핸들링이나 진공 장비 사용에 다루기 어렵다는 단점이 있다.
후속연구
- 유연 태양전지의 제작은 얇은 두께의 그라파이트 시트를 사용하기 때문에 찢어질 위험이 있어 핸들링이나 진공 장비 사용에 다루기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 유연 태양전지의 제작에는 기판의 유연성과 더불어 내구성이 요구되며 안정적인 공정 방법과 모듈 패키징에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 45 %의 최고 효율을 확인할 수 있었다. 또한 탄소 기판의 특성상 고온에서도 기판의 변형없이 공정을 진행 할 수 있기 때문에, 실리콘층의 구조와 전극 형성에 대한 추가 연구를 통해 고온공정에서 실리콘 결정화를 진행 한다면 효율 향상이 가능할 것이다.
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