[논문]산화물구리 기반 이종접합형 태양전지의 후열처리효과

김상모; 정유섭; 김경환

산화물구리 기반 이종접합형 태양전지의 후열처리효과
Effect of Post-annealing Treatment on Copper Oxide based Heterojunction Solar Cells 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.2, 2020년, pp.55 - 59

김상모 (가천대학교 전기공학과) , 정유섭 (씨앤아이테크놀러지) , 김경환 (가천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Copper Oxide (CuO) films were deposited on the n-type silicon wafer by rf magnetron sputtering for heterojunction solar cells. And then the samples were treated as a function of the annealing temperature (300-600℃) in a vacuum. Their electrical, optical and structural properties of the fabricated heterojunction solar cells were then investigated and the power conversion efficiencies (PCE) of the fabricated p-type copper oxide/n-type Si heterojunction cells were measured using solar simulator. After being treated at temperature of 500℃, the solar cells with CuO film have PCE of 0.43%, Current density of 5.37mA/㎠, Fill Factor of 39.82%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

하지만 낮은 공정압력으로 인하여 이온충돌효과도 증가 하여 박막이 성장하는 동안 막 내부에 잔류 응력 (Residual stress)이 발생하고 팽창하게 되고, 스퍼터링이 끝난 후에도 내부에 응력이 남아있어서 박막은 본래 상태로 돌아 가려고 하면서 막이 휘어지게 되고, 기판에서 떨어지는 현상이 발생된 것으로 사료된다[14]. 따라서 후열처리는 공정압력 30 mTorr에서 증착된 CuO박막에서 진행하였다.
CuO 박막은 RF 스퍼터링 장치를 이용하여 실리콘 기판(n-type) 위에 증착하였다. 로터리펌프와 터보 분자펌프를 이용하여 10^-6 Torr 이하의 고진공 상태를 유지한 상태 에서 아르곤과 산소 가스를 주입하여 100W 입력 파워 상태에서 박막을 증착하였다. CuO 박막 증착 전, 아르곤 분위에서 10분간 Pre-sputtering를 실시한 후에 박막을 증착하였다.
박막의 두께는 Surface profiler α-step을 이용하여 측정하였다.
본 연구에는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 p-type 산화물구리(CuO)를 증착하여 이종접합 태양전지를 제작하였다. 제작된 샘플의 후열 처리에 따른 영향을 분석하기 위해서 다양한 온도에 따라서 열처리후 특성을 분석하였다.
제작된 박막의 구조적 특성은 X-ray Diffraction (Rigaku D/MAX-2200, λ = 1.54056 Å, 40 kV, 20 mA와 Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM, Hitachi S-4700)을 통해서 분석하였다.
본 연구에는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 p-type 산화물구리(CuO)를 증착하여 이종접합 태양전지를 제작하였다. 제작된 샘플의 후열 처리에 따른 영향을 분석하기 위해서 다양한 온도에 따라서 열처리후 특성을 분석하였다.
박막의 두께는 Surface profiler α-step을 이용하여 측정하였다. 제작된 태양전지 셀의 광에너지 변환 특성은 Current-voltage (J-V) solar simulator (McScience Company K3400, AM 1.5G)에 측정하였다.
본 연구는 p-type CuO가 적용된 n-type Si 구조의 이종접합 태양전지를 스퍼터링법을 이용하여 제작하였다. 제작된 태양전지 셀의 후열처리에 따른 특성을 분석하였다. 증착된 CuO가 적용된 태양전지는 후열처리 후 단락전류가 증가하였다.

대상 데이터

CuO 박막은 RF 스퍼터링 장치를 이용하여 실리콘 기판(n-type) 위에 증착하였다. 로터리펌프와 터보 분자펌프를 이용하여 10^-6 Torr 이하의 고진공 상태를 유지한 상태 에서 아르곤과 산소 가스를 주입하여 100W 입력 파워 상태에서 박막을 증착하였다.
1(a)에 나타내었다. 하부전극은 Ti 금속(~20 ohm/sq)을 사용 하였다

이론/모형

본 연구는 p-type CuO가 적용된 n-type Si 구조의 이종접합 태양전지를 스퍼터링법을 이용하여 제작하였다. 제작된 태양전지 셀의 후열처리에 따른 특성을 분석하였다.

성능/효과

XRD 분석결과, 후열처리 상관없이 모든 CuO 박막에서 회절 피크는 36.16°와 38.46°각 각(ICDD No. 98-062-8614) (002)와 (111) 방향의 회절피크를 확인하였다.
광조사시 후열처리가 온도가 증가할수록 개방전압도 같이 낮아지는 현상이 발생함을 확인하였다. 또한 후열처리 온도가 높아질수록 포화되는 순방향 전류(Forward current)의 값도 상승함을 알 수 있다.
광조사시 후열처리가 온도가 증가할수록 개방전압도 같이 낮아지는 현상이 발생함을 확인하였다. 또한 후열처리 온도가 높아질수록 포화되는 순방향 전류(Forward current)의 값도 상승함을 알 수 있다. 이는 셀 내부의 내부 저항이 감소되었기 때문으로 사료된다.
이러한 전위차를 확산전위차라고 하고, 다수 캐리어의 확산을 방해 한다[13]. 셀의 후열처리 후 CuO 박막의 결정성 향상과 계면사이의 결함이 감소하면서 전위차가 감소하여 효율이 증가한 것으로 사료된다.
특히, 후열처리 온도 500°C에서 1분간 열처리된 p-CuO/n-Si 이종접합 태양전지의 개방전압 0.204V, 단락 전류 밀도 5.37 mA/cm2 , Fill Factor 39.82 % 및 광 변환 효율 0.43 %를 나타내었다.
이는 셀 내부의 내부 저항이 감소되었기 때문으로 사료된다. 후열처리 온도가 증가할수록 개방전압이 감소하고, 특히 500도 일 때, 가장 높은 전류밀도값을 가졌다. 일반적으로 셀에 조사된 광으로부터 발생된 엑시톤으로부터 전자-정공쌍(Electron-hole pair)이 각각 Acceptor와 Donor로 이동하여 전극에 수집되어 전기가 생산된다[15,16].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지란 무엇인가?	신재생에너지란, ‘신에너지’와 ‘재생에너지’ 두 가지 에너지를 합한 단어로, 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지라고 정의할 수 있다[3,4]. 신에너지에는 연료전지, 수소에너지가 있고, 재생에너지는 태양광, 태양열, 지열, 풍력 바이오 매스 등이 있다.
	태양전지의 기능은 무엇인가?	태양전지는(Photovoltaics Cell or Solar cell)는 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜준다. 일반적으로 pn접합구조 를 가진 태양전지(solar cell)로서 태양로부터 광자(photon)가 전지의 내부로 흡수되면 광자가 지닌 에너지에 의해 내부에서 전자 (electron)-정공(hole) 쌍이 생성된다[7].
	전 세계적으로 화석 연료 기반의 에너지원의 고갈 및 지구온난화로 인해 노력하고 있는 것은 무엇인가?	전 세계는 현재까지 사용한 화석 연료 기반 (석탄, 석유, 원자력 등)의 에너지원의 고갈과 이산화탄소와 같은 온실기체에 의한 지구온난화에 직면에 있다. 이를 해결하기 위해서는 전 세계는 신재생에너지를 이용하기 위한 에너지 변환, 저장, 전달 기술를 개발하기 위해서 노력하고 있다[1,2].

참고문헌 (16)

Lincot, D., "The new paradigm of photovoltaics: From powering satellites to powering humanity," C.R. Phys., Vol. 18, pp.381-390, 2017.
Saidi, K. and Omri, A., "The impact of renewable energy on carbon emissions and economic growth in 15 major renewable energy-consuming countries" Environ. Res., Vol. 186, No. 109567, pp.1-11, 2020.
Pareek, A., Dom, R., Gupta, J., Chandran, J., Adepu, V., and Borse, P. H., "Insights into renewable hydrogen energy Recent advances and prospects", Mater. Sci. Energy Technol. Vol. 3, pp. 319-327, 2020.
Lee, T. D. and Ebong, A. U., "A review of thin film solar cell technologies and challenges," Renewable Sustainable Energy Rev., Vol. 70, pp. 1289-1297, 2017.
Renewables 2018 Global Status Report, http://www.ren21.net/gsr-2018/.
Giannakopoulou, E., "The Power Transition-Trends and the Future", 3rd HAEE Conference, 2018.
Nelson, J. "Polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells," Mater. Today, Vol. 14, No. 10, pp. 452-470, 2011.
Acher, M.D., "Photovoltaics and photoelectrochemistry - similarities and differences," Phy. E, Vol. 14, pp. 61-64, 2002.
Olsen, L.C., Bohara, R.C., and Urie, M.W., "Explanation for low-efficiency $Cu_2O$ Schottky-barrier solar cells," Appl. Phys. Lett., Vol. 34, pp. 47-49, 1979.
Ohta, H., Nomura, K., Hiramatsu, H., Ueda, K., Kamiya, T., Hirano, and Hosono, H., "Frontier of transparent oxide semiconductors," Solid-State Electron., Vol. 47, pp. 2261-2267, 2003.

상세보기
Kim, K.H., "Fabrication and Properties of Silicon Solar cells using Al2O3/Si/Al2O3 Structures", J. of Semicond. Disp. Technol., Vol. 14, No.4, pp.45-49, 2015.
Choi, J.-H., Roh, S.-C., and Seo, H., "A Study on the Application of Ag Nano-Dots Structure to Improve the Light Trapping Effect of Crystalline Silicon Solar Cell", Vol. 18, No.3, pp.19-24, 2019.
Alajlani, Y., Placido, F., Chu, H.O., Bold, R.D., Fleming, L., and Gibson, D., "Characterisation of Cu2/CuO thin films produced by plasma-assisted DC sputtering for solar cell application," Thin Solid Films, Vol. 642, pp. 45-50, 2017.
Jiang, C., Moniz, S.J.A, Wang, A., Zhang, T., and Tang, J. "Photoelectrochemical devices for solar water splitting-materials and challenges," Chem. Soc. Rev., 46, 4645-4660, 2017.

상세보기
Narayan, M. R., and Singh, J., "Study of the mechanism and rate of exciton dissociation at the donor-acceptor interface in bulk-heterojunction organic solar cells," J. Appl. Phys., Vol. 114, pp. 073510/1-7, 2013.

상세보기
Bergmann, R. B., "Crystalline Si thin-film solar cells- a review," Appl. Phys. A, Vol. 69, pp. 187-194, 1999.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증