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문제 정의
- 본 연구에서는 in-line RF-magnetron sputte ring법으로 증착온도 및 증착압력에 따라 유리기판위에 ZnO:Al박막을 제조하고, 식각 전 박막의 공정조건에 따른 식각 후 박막의 표면형상 변화 및 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 2 × 10-4Ω∙㎝의 비저항값을 나타내었다. 1% HCl 습식 식각 후의 ZnO:Al 박막은 본 연구의 증착조건 내에서 모두 crater 형태의 표면형상을 갖으며 crater의 높이와 분포 균일성은 박막의 증착조건에 따라 변화하였다. 낮은 증착압력 및 높은 증착온도에서 제조한 박막일 수 록, 습식 식각 후 높이가 증가하고 분포 균일성이 향상됨을 관찰할 수 있었다.
- 박막의 두께는 α-step(Tencor 2000, USA)을 이용하여 측정하였으며, 박막의 표면형상 변화는 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitach, Japan) 분석을 통하여 관찰하였다. UV-visible-nIR Spectrophotometer (UV 3101, Shimadzu, Japan)를 이용하여 가시광 영역에서의 총 투과도와 산란 투과도를 측정하였다. 식각된 ZnO:Al 박막의 산란각에 따른 intensity 측정은 자체 제작한 ADF(Angular Distribution Function) 측정기를 사용하였다.
- ZnO:Al 박막의 결정성은 XRD (X-ray diffraction, Rigaku, Japan)분석을 통하여 조사하였으며, 박막의 비저항은 four-point probe를 통하여 측정하였다. 박막의 두께는 α-step(Tencor 2000, USA)을 이용하여 측정하였으며, 박막의 표면형상 변화는 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitach, Japan) 분석을 통하여 관찰하였다.
- ZnO:Al 박막을 증착시키기 위한 공정조건을 Table 1에 간략히 나타내었다. ZnO:Al 박막의 표면형상 특성을 개선시키기 위하여 1% HCl 용액에 Dipping 시간에 따라 습식 식각을 진행하였으며, 식각시간은 최대 60초까지 변화시켰다.
- 박막의 두께는 α-step(Tencor 2000, USA)을 이용하여 측정하였으며, 박막의 표면형상 변화는 SEM(Scanning Electron Microscopy, Hitach, Japan) 분석을 통하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 in-line RF magnetron sputte ring법으로 유리기판위에 증착온도 및 증착압력을 변화시켜 ZnO:Al 박막을 제조하고, 식각 전 공정조건에 따른 식각 후 박막의 표면형상 및 광학적 특성 변화를 조사하였다. 이를 통하여 상용 Asahi-U glass와의 상호 특성 비교를 통하여 실리콘 박막 태양전지 전면전극으로써의 특성을 조사하였다.
- 5는 증착온도 변화에 따라 제조된 ZnO:Al 박막의 60초 식각 후의 ADF 특성을 나타낸 것이다. 상대적인 비교를 위하여 Asahi-U glass와 ground glass diffuser의 특성을 함께 나타내었다. ADF (Angular Distribution Function)는 식각된 ZnO:Al 박막의 산란각에 따른 산란광 intensity를 정의하기 위하여 사용되었다.
- UV-visible-nIR Spectrophotometer (UV 3101, Shimadzu, Japan)를 이용하여 가시광 영역에서의 총 투과도와 산란 투과도를 측정하였다. 식각된 ZnO:Al 박막의 산란각에 따른 intensity 측정은 자체 제작한 ADF(Angular Distribution Function) 측정기를 사용하였다. 5)
- 본 연구에서는 in-line RF magnetron sputte ring법으로 유리기판위에 증착온도 및 증착압력을 변화시켜 ZnO:Al 박막을 제조하고, 식각 전 공정조건에 따른 식각 후 박막의 표면형상 및 광학적 특성 변화를 조사하였다. 이를 통하여 상용 Asahi-U glass와의 상호 특성 비교를 통하여 실리콘 박막 태양전지 전면전극으로써의 특성을 조사하였다.
- 증착 압력은 일정량의 아르곤 가스를 주입하여, 스로틀밸브로 가스흐름을 조절하였다. 증착온도는 R.T ~350℃로 변화시켰으며, 히터 부근에 K-type thermocouple을 고정하여 증착온도를 측정하였다. ZnO:Al 박막을 증착시키기 위한 공정조건을 Table 1에 간략히 나타내었다.
대상 데이터
- ZnO:Al 박막을 증착하기 위하여 Al2O3를 2.5wt% 함유한 100 × 400mm2 크기의 ZnO target (99.99%, Cerac, USA)을 이용하여 in-line RF magnetron sputtering법으로 증착하였다.
- 유리기판 (Corning glass 1737)의 불순물을 제거하기 위하여 아세톤과 메탄올, DI water를 이용 하여 세정하였다. ZnO:Al 박막을 증착하기 위하여 Al2O3를 2.
성능/효과
- 1) 그러나 Asahi-U glass는 수소 플라즈마에 노출되면 열화되는 문제와 함께 상대적으로 낮은 광 산란 특성으로 인하여 실리콘 박막 태양전지의 효율 향상에 한계점을 나타내고 있다.2) 따라서 실리콘 박막 태양전지의 효율을 향상시키고 Asahi-U glass를 대체하기 위한 다양한 종류의 투명전도막이 개발되고 있으며, 그 중 Al 도핑된 ZnO박막은 우수한 전기적, 광학적 특성과 수소 플라즈마내에서의 화학적 안정성, 그리고 저 비용 등의 장점으로 인하여 가장 많은 연구가 이루어지고 있다.
- 또한 증착된 모든 ZnO:Al 박막은 상용 Asahi-U glass보다 우수한 산란특성을 나타낸다. Fig. 3의 SEM 결과와 Fig. 4의 투과도 분석결과에서 알 수 있듯이 습식 식각 후 ZnO:Al 박막의 표면에서 높고 균일한 crater가 형성되는 경우에 가장 우수한 광 산란특성을 나타냄을 알 수 있다. 이는 hill 형태의 표면형상을 갖는 상용 Asahi-U glass보다 crater 형태의 ZnO:Al 박막표면이 광 산란에 유리한 특성을 보여줌을 의미한다.
- ADF (Angular Distribution Function)는 식각된 ZnO:Al 박막의 산란각에 따른 산란광 intensity를 정의하기 위하여 사용되었다. Fig. 5에서 보는 바와 같이, 식각 후 ZnO:Al 박막은 증착온도가 증가할 수 록 산란광의 산란각도가 증가하여 표면에서 산란된 빛이 넓게 퍼짐을 알 수 있으며 대부분의 산란광은 45˚이내의 산란각을 갖는 것을 확인할 수 있다. Asahi-U glass의 경우는 본 장비내에서 산란각의 측정이 거의 어려울 정도로 산란각도가 매우 작고 입사한 대부분의 빛은 수직으로 통과함을 알 수 있다.
- 1% HCl 습식 식각 후의 ZnO:Al 박막은 본 연구의 증착조건 내에서 모두 crater 형태의 표면형상을 갖으며 crater의 높이와 분포 균일성은 박막의 증착조건에 따라 변화하였다. 낮은 증착압력 및 높은 증착온도에서 제조한 박막일 수 록, 습식 식각 후 높이가 증가하고 분포 균일성이 향상됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 습식 식각 후 박막의 표면형상 변화는 박막의 산란 특성에 큰 영향을 미치며 높고 균일한 crater가 형성된 표면에서 높은 산란 투과도와 넓은 산란각 특성을 나타내었다.
- 4(b)에서 보는 바와 같이, 증착온도가 증가할 수 록 습식 식각된 박막의 Haze값은 증가하며 이는 산란투과도 (Tdiffused)가 향상되었기 때문이다. 식각된 ZnO:Al 박막의 Haze값은 상용 Ashai-U glass에 비하여 상대적으로 높은 값을 나타내며 이로부터 식각된 ZnO:Al 박막의 산란특성이 Asahi-U glass보다 우수함을 알 수 있다.
- 증착온도가 200℃로 낮은 경우는 불균일하며 높이가 낮은 crater들이 형성되고 온도가 증가할 수 록, crater의 높이가 증가하고 분포가 균일해짐을 알 수 있다. 식각에 따른 표면형상의 특성은 식각 전 박막의 결정성 및 미세구조에 따라 달라지며, 본 연구에서는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 높은 증착온도에서 증착된 결정성이 우수한 박막일수록, 식각 후에 균일하고 높은 crater 형태의 표면형상을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들은 O.
- Asahi-U glass의 경우는 본 장비내에서 산란각의 측정이 거의 어려울 정도로 산란각도가 매우 작고 입사한 대부분의 빛은 수직으로 통과함을 알 수 있다. 이러한 ADF 결과로부터 균일하고 높은 crater 형태의 표면형상을 갖는 ZnO:Al 박막이 hill 형태의 표면형상을 갖는 Asahi-U glass에 비하여 입사한 빛을 보다 넓고 많이 산란시키는데 유리함을 알 수 있다.
- 낮은 증착압력 및 높은 증착온도에서 제조한 박막일 수 록, 습식 식각 후 높이가 증가하고 분포 균일성이 향상됨을 관찰할 수 있었다. 이러한 습식 식각 후 박막의 표면형상 변화는 박막의 산란 특성에 큰 영향을 미치며 높고 균일한 crater가 형성된 표면에서 높은 산란 투과도와 넓은 산란각 특성을 나타내었다. 본 연구에서 제조한 ZnO:Al 박막의 전기적, 광학적 특성은 상용 Asahi-U glass에 비하여 우수한 값을 나타내며 이를 실리콘 박막 태양전지의 전면 전극으로 적용할 경우 직렬저항 감소를 통한 Fill Factor 개선과 더불어 태양전지 내에서의 입사광의 산란경로를 증대시켜 실리콘 박막 태양전지의 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
- 증착된 ZnO:Al 박막은 (002)면의 c-축 우선배향성을 나타내며 증착온도가 증가할 수 록 결정성이 향상되었으며 1 mTorr의 증착압력과 350℃의 증착온도에서 가장 낮은 5.2 × 10-4Ω∙㎝의 비저항값을 나타내었다.
- 증착압력에 따른 실험결과 증착된 ZnO:Al 박막은 증착압력 1 mTorr의 낮은 압력에서 가장 우수한 특성을 나타내었다. 따라서 증착압력은 1 mTorr의 조건으로 고정하여 다음 실험을 진행하였다.
후속연구
- 이러한 습식 식각 후 박막의 표면형상 변화는 박막의 산란 특성에 큰 영향을 미치며 높고 균일한 crater가 형성된 표면에서 높은 산란 투과도와 넓은 산란각 특성을 나타내었다. 본 연구에서 제조한 ZnO:Al 박막의 전기적, 광학적 특성은 상용 Asahi-U glass에 비하여 우수한 값을 나타내며 이를 실리콘 박막 태양전지의 전면 전극으로 적용할 경우 직렬저항 감소를 통한 Fill Factor 개선과 더불어 태양전지 내에서의 입사광의 산란경로를 증대시켜 실리콘 박막 태양전지의 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
- 5 × 10-3 Ω·cm 보다 우수한 값을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 ZnO:Al 박막이 갖는 낮은 비저항값은 실리콘 박막태양전지의 직렬 저항값을 낮추어 Fill Factor (F.F) 개선과 더불어 태양전지 효율 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
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