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비정질 Si 및 SiGe 박막태양전지의 광 흡수층 및 투명전도산화막에 관한 연구
김준관 과학기술연합대학원대학교 2011 국내박사
태양전지란 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 광전효과를 이용한 반도체 소자이다. 일반적으로 비정질 Si 기반의 박막태양전지는 Si 소재의 박막특성과 셀 구조의 향상을 통해서 지속적으로 효율향상이 가능하다. 따라서 Si 박막태양전지의 주요 구성 박막들인 고성능의 투명전도막과 고품위 광 흡수층의 성장과 구조에 대한 연구는 고효율 태양전지 제조를 위해 매우 중요하다. 본 학위논문에서는 투명전도막의 특성에 가장 큰 영향을 미치는 증착 조건을 파악하여 고성능 투명전도막을 제조하고, 태양전지 효율에 큰 영향을 미치는 광 흡수층으로서 Si 및 SiGe 박막의 결정 상전이 현상에 대하여 연구하였다. 비정질 Si 박막태양전지 용 투명전도막으로서 갈륨을 도핑한 산화아연(ZnO:Ga) 박막을 rf-magnetron sputter 증착법을 이용하여 연구하였다. 고 투과도와 저 저항성을 가지는 박막을 얻기 위해서 공정변수가 산화아연 박막의 전기적, 구조적, 광학적 특성에 미치는 영향을 연구한 결과, 박막의 비저항은 공정압력과 인가전력에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 인가전력 밀도 2.47 W/cm2, 공정압력이 5 mTorr인 조건에서 비저항이 1.9×10-4 Ω·cm인 박막을 얻을 수 있었다. 투명전도막의 성능을 비교하는 지표인 Figure of Merit은 공정압력, 인가전력 밀도, 박막의 두께가 각각 10 mTorr, 1.85 W/cm2에서, 800 nm로 증착한 ZnO:Ga 박막에서 가장 큰 값인 58000 (Ω·cm)-1이 얻어졌으며, 이때의 비저항과 가시광 영역 (400-800 nm)에서의 평균투과율은 각각 2.1×10-4 Ω·cm와 92.1%이었다. 이러한 결과는 rf-magnetron sputter 증착법으로 제조한 ZnO:Ga 투명전도막에 관해 보고된 연구 결과들 중 가장 우수한 특성에 해당한다. 비정질 Si 박막태양전지의 광 흡수층 용 수소화된 Si 박막은 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)을 이용하여 증착하고, SiH4 가스의 유량 ([SiH4]), 수소희석 비율 (R=[H2]/[SiH4])이 결정 상전이에 미치는 영향을 라만과 투과전자현미경을 이용하여 분석하였다. Crystalline fraction (Xc)은 R 뿐만 아니라 [SiH4]에도 크게 영향을 받는 것으로 나타났으며, 동일한 R에서 [SiH4]이 작을수록 큰 Xc값을 보였다. 또한 기판의 결정성에 대한 의존성도 연구하였다. 박막의 밀도는 R이 4에서 19로 증가할수록 상당히 향상되는 것이 관찰되었다. 비정질 기판 상에 증착한 시편의 경우, R이 19 이상에서 증착된 Si 박막에서만 미세결정질 상이 나타났다. 수소화된 SiGe 층의 비정질에서 미세결정질로의 상전이 현상은 비정질 Si 기반의 박막태양전지의 변환효율과 직결되는 요소임에도 불구하고 기존에 보고된 사례가 없기 때문에 주목할 만한 연구주제이다. 본 연구에서는 [SiH4]과 [GeH4], 그리고 R을 다양화하여 Si 및 SiGe 박막을 PECVD를 이용하여 증착하고 각각의 증착변수가 결정 상전이에 미치는 영향을 라만 분광법을 이용하여 분석하였다. Si 박막의 경우 R이 19-24 사이에서 결정 상전이가 일어나는 반면에 SiGe 박막에서는 R이 40 이상일 때 미세결정질 상이 관찰되었다. [GeH4]과 R이 각각 20 sccm, 46.4로 증착된 SiGe 박막의 Ge의 조성은 9.1%이며, Xc값은 75.8%였다. 이 결과는 Si 격자 내에 Ge원자의 첨가로 인해 SiGe 박막의 결정 상전이가 Si 박막에 비해 높은 R값에서 일어나며, protocrystalline SiGe:H 박막은 Ge 조성이 증가할수록 높은 R값에서 얻을 수 있음을 의미한다. 또한, R과 Ge의 조성 및 [GeH4]에 따른 SiGe:H 박막의 결정 상 다이어그램을 제시하였는데, 이는 광 흡수층의 'Phase engineering'의 측면에서 상당히 중요한 정보를 제공한다.
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