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APCVD법을 이용한 박막 태양전지용 $SnO_2:F$ 투명전극 특성 연구
A study on characteristics of $SnO_2:F$:F film based on optimum performance Solar cells by APCVD 원문보기

한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집, 2009 June 25, 2009년, pp.65 - 68  

옥윤덕 (홍익대학교) ,  김유승 (홍익대학교) ,  이보람 (홍익대학교) ,  김민경 (홍익대학교) ,  김병국 (비아트론(주)) ,  김훈 (비아트론(주)) ,  이정민 (비아트론(주)) ,  김형준 (비아트론(주))

초록
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본 연구에서는 eagle 2000 glass위에 APCVD(atmospheric CVD)증착법으로 $SnO_2$:F 박막을 제조하였다. 공정 온도, doping 농도, TTC(Tin tetrachloride)와 $H_2O$, $CH_3OH$의 조성비를 공정 변수로 두었으며, 각 변수에 대한 전기적, 광학적 특성 및 결정성을 확인하였다. hall measurement를 이용 제작된 박막의 전기적 특성을 확인 하였고, uv-VIS spectroscopy, hazemeer를 이용 박막의 광학적 특성을 확인 하였다. 또한 XRD, FESEM, AFM을 이용 박막의 결정성 및 표면 특성을 확인 하였다. 박막의 결정성을 결정짓는 증착 온도의 경우 $590^{\circ}C$에서 완벽한 Tetragonal rutile 형태의 결정성을 보였으며 $SnO_2$:F film $1{\mu}m$ thickness에서 $10({\Omega}/{\square})$ 내외의 우수한 면저항값과 $30(cm^2/Vs)$ 이상의 mobility값을 확인 하였으며, 가시광영역대 에서 높은 투과율과 우수한 haze값을 얻었다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 할로겐 램프를 사용하여 380~760nm의 광원으로부터 반사되는 빛의 양을 감지하여 30Å~20μm 사이의 두께를 측정할 수 있는Filmetrics사의 F-20을 사용하여 박막의 두께를 측정하였다. 4-point probe(Chang-Min Ltd. SR-1000)를 통해 면저항 값을 얻고 Hall measurement(Bio-Rad, HL5500)를 이용 캐리어의 농도와 Mobility값을 측정하였다.v-VIS spectroscopy(Scinco Ltd, S-3100)장비를 이용 투과도를 확인 하였고, hazemer(NDH5000)를 통해 박막의 haze를 측정 하였다.
  • 또한 X선 회절기(X'pert MRD)를 사용하여 SnO2:F박막의 결정상을 관찰하였다. CuKɑ1선에 의해 0.04deg/sec의 속도로 20~80도 회절 peak를 JCPDS로 확인 하였다. 또한 표면상태(texuring)를 관찰하기 위해 FESEM(field emission scanning electron microscopy, Hitachi S-4300)을 이용하였다.
  • SnO2 박막을 상압 기상화학증착법으로 제조하고 전기적, 광학적, 표면의 결정성등을 확인하였다. CH3OH을 첨가 하지 않은 조건에서는 증착온도 590℃, scan speed 20mm/s, TTC/H2O mole 비를 1:10으로 했을 때 최적의 특성이 확인되었다.
  • SR-1000)를 통해 면저항 값을 얻고 Hall measurement(Bio-Rad, HL5500)를 이용 캐리어의 농도와 Mobility값을 측정하였다.v-VIS spectroscopy(Scinco Ltd, S-3100)장비를 이용 투과도를 확인 하였고, hazemer(NDH5000)를 통해 박막의 haze를 측정 하였다. 또한 X선 회절기(X'pert MRD)를 사용하여 SnO2:F박막의 결정상을 관찰하였다.
  • 또한 X선 회절기(X'pert MRD)를 사용하여 SnO2:F박막의 결정상을 관찰하였다.
  • 각각 온도에 따른 증기압 계산을 통해 기체상으로 N2 carrier gas를 이용 injector로 주입되었다. 생성된 박막의 조직 및 전기적 특성을 관찰하기 위해 촉매제인 CH3OH의 사용여부에 따라 각각 F doping양을 달리하여 실험을 진행 하였으며 실제 기판의 온도는 590℃로 온도조절장치에 의해 유지 시켰으며 scan speed 또한 20mm/s 로 고정 하고 진행 하였다. H2O/TTC=10:1, CH3OH/H2O=0.
  • 할로겐 램프를 사용하여 380~760nm의 광원으로부터 반사되는 빛의 양을 감지하여 30Å~20μm 사이의 두께를 측정할 수 있는Filmetrics사의 F-20을 사용하여 박막의 두께를 측정하였다.

대상 데이터

  • 반응 원료는 SnCl4(g)와 탈이온수를 사용하였으며 촉매제로 CH3OH(g), doping을 위해 HF(g)을 사용하였다. 각각 온도에 따른 증기압 계산을 통해 기체상으로 N2 carrier gas를 이용 injector로 주입되었다.
  • 시편은 eagle 2000 glass를 사용하였으며 시편의 크기는 10× 10cm 이며 표면의 불순물을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올, 탈이온수를 각 10분간 초음파 세척기를 이용하였다.
  • 장치는 원료 gas 공급부, 반응기, 배기부로 구성되어 있다. 원료 gas 공급부는 전구체인 TTC(Tin tetrachloride)와 H2O, CH3OH, HF의 원료 가스를 MFC(mass flow controller)를 이용 0.1sccm의 오차 범위내에서 공급하였다. 특히 TTC, HF의 경우 위험한 물질로 teflon canister 에 담아서 사용하였다.
  • 1sccm의 오차 범위내에서 공급하였다. 특히 TTC, HF의 경우 위험한 물질로 teflon canister 에 담아서 사용하였다. 반응기는 스테인리스 강으로 제작된 이송형 furnace이고 injecter에서 원료가스의 혼합 및 증착, 배기가 이루어진다.

이론/모형

  • 04deg/sec의 속도로 20~80도 회절 peak를 JCPDS로 확인 하였다. 또한 표면상태(texuring)를 관찰하기 위해 FESEM(field emission scanning electron microscopy, Hitachi S-4300)을 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
투명전극재료는 무엇이 사용될 수 있는가? 투명전극재료는 비저항이 ~×10-3 Ωcm로 낮고 광투과도가 가시광 영역에서 80%이상인 특성을 가져야 한다. 투명전극재료는 금속박막과 산화물 반도체등이 사용될 수 있는데 금속 박막은 낮은 투과도로 인해 사용이 제약된다. 그러나 산화물 반도체의 경우 기계적 특성, 내화학성이 우수하고 막 제조시 공정변수의 제어 및 doping을 통해 전기전도성을 향상 시킬수 있는 장점이 있다.
투명전극재료 중 ZnO의 문제점은? 투명전극재료로 SnO2, ZnO, ITO등이 널리 알려져 있는데 ITO의 경우 생산 원가가 높고 내식 성이 낮은 문제가 있다. 또한 ZnO의 경우도 산,염기에 취약하고 기계적 성질이 우수하지 못하다. SnO2의 전기 전도성은 Tin과 Oxygen 사이의 비화학양론성에 기인하는데 이것을 제어 하기는 쉬운 일이 아니다.
투명전극재료는 어떤 특성을 가져야 하는가? 최근 광(光)과 전기 전자적 성질과의 상호관계를 이용한 photoelectric cell, display device등 다양한 active device의 개발이 가속화됨에 따라 우수한 투명전극재료의 필요성이 대두되었다. 투명전극재료는 비저항이 ~×10-3 Ωcm로 낮고 광투과도가 가시광 영역에서 80%이상인 특성을 가져야 한다. 투명전극재료는 금속박막과 산화물 반도체등이 사용될 수 있는데 금속 박막은 낮은 투과도로 인해 사용이 제약된다.
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