에피택셜 리프트 오프 공정 과정을 통한 만든 GaAs 플렉서블 태양전지의 광학적 특성 연구

소모근,김민석,이상조,조현준,김종수,Thuy Thi Nguyen,김영호,이상준,김희대,이창열 한국진공학회 2019 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2019 No.2

플렉서블 GaAs 태양전지에서 에픽택셜 리프트 오프 공정 중 형성되는 결함에 대한 연구

소모근,이상조,조현준,김종수,Thuy Thi Nguyen,김영호,이상준,김희대 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.8

We have to investigate the optical and the electrical properties of flexible GaAs solar cells fabricated by using the epitaxial lift-off (ELO) process. Used the photoluminescence (PL) and J-V measurements. The as-grown GaAs solar cells were transferred onto Au/polyimide (ELO-layer/Au; ELA) and polydimethylsiloxane (PDMS) (ELO-layer/PDMS; ELP) flexible substrates. At 300 K, we observed PL emission bands caused by defects below the GaAs band edge transition energy (1.425 eV) for both the ELA and the ELP samples. The PL intensities for the ELA and the ELP samples, which were due to the defects in those samples, were higher than that for the as-grown sample. Moreover, the interference effect due to the internal multireflection (IMR) of PL light is lead that the PL peak by the defects is observed as the PL with several peaks. The PL intensity of the ELA sample was enhanced by the reflection effect at the GaAs/Au interface. In the J-V characteristics, the short-circuit current density and the efficiency of ELA sample were reduced by about 2.13 mA/cm2 and 1.7%, respectively, compared to the corresponding values for the GaAs-ref sample, because photo-generated carriers were trapped by the defect states generated during the ELO process. 본 연구에서는 에피텍셜 리프트 오프 (Epitaxial lift-off; ELO) 공정이 적용된 GaAs 태양전지의 특성을광발광 (photoluminescence; PL) 과 전류밀도-전압 (J-V) 측정으로 조사하였다. 성장된 GaAs 태양전지 시료(As-grown)를 Au/polyimide (ELO-layer/Au; ELA) 및 polydimethylsiloxane (PDMS)/glass (ELO-layer/PDMS; ELP) 기판들 위에 전사하였다. 300 K에서 ELA와 ELP시료들은 GaAs 띠 간 전이에너지(1.425 eV) 보다 낮은 에너지에서 As-grown 시료와 비교하여 결함에 의한 PL 신호가 상대적으로강하게 관측되었다. 이 때 결함에 의한 PL 신호들은 다수의 봉우리를 갖는 신호로 관측되었으며, 이는내부 다중 반사(internal multi-reflection; IMR)에 의한 간섭 효과 때문이었다. ELA 시료의 경우에는GaAs/Au 계면에 의한 반사 효과로 인하여 GaAs 띠 간 전이와 결함에 의한 PL 신호의 세기가 As-grown 보다 증가하였다. 1 sun 에서 J-V 측정결과 ELA시료는 GaAs-ref 시료보다 단락전류와 태양전지 효율이각각 2.13 mA/cm2, 1.7% 저하되었다. 이는 광 생성 운반자가 ELO 공정 중에 발생하는 결함에 의해포획되기 때문이다.

p+-n-n+ GaAs 태양전지의 에미터층 도핑 농도에 따른 내부 전기장 변화

소모근,조현준,문영희,김종수,김영호,김준오,이상준 한국물리학회 2018 새물리 Vol.68 No.4

The internal electric field ($F$) of GaAs solar cells (SC) with different doping concentrations of the emitter layers has been investigated by using photoreflectance (PR) spectroscopy. At room temperature, the $F$ of the highly doped SC (HDSC) is 91.5 kV/cm, which is lower than the 6.3 kV/cm for the low-doping SC (LDSC). From the excitation-light-intensity ($I_{ex}$)-dependent PR, the drop in $F$ is about 20 kV/cm, which is larger than the theoretical value. The large drop in $F$ in the HDSC is confirmed to have been caused by an enhancement of the field screening effect resulting from the higher potential barrier effect of the window layer. Also, in the case of the LDSC, the rapid decrease in $F$ with decreasing temperature can be explained by a change in the height of the potential barrier. 본 연구에서는 GaAs 태양전지의 에미터층의 도핑 농도에 따른 내부 전기장($F$)의 변화를 반사변조분광법(photoreflectance, PR)으로 조사하였다. 상온에서 관측된 $F$의 세기는 도핑농도가 높은 태양전지(high doping solar cell, HDSC)에서 91.5 kV/cm로 도핑농도가 낮은 태양전지(low doping solar cell, LDSC)보다 6.3 kV/cm 낮았다. 여기광세기에 따른 PR 실험결과 $F$의 변화폭은 약 20 kV/cm로서 이론적인 값보다 크게 관측되었다. 이는 도핑농도가 높은 경우 윈도층의 전위장벽이 상대적으로 높아져서 전기장 가림 효과가 증가하였기 때문으로 판단되었다. 또한 도핑농도가 낮은 경우, 시료의 온도가 낮아질수록 $F$가 더 빠르게 감소하는 것은 도핑농도의 변화에 의한 전위장벽 높이의 변화 때문으로 설명하였다.

Evaluation of the Photo-generated Carrier Density of GaAs Solar Cells by Using Electrical and Optical Biased Electroreflectance Spectroscopy

소모근,조현준,한임식,김종수,이상준,노삼규,임재영 한국물리학회 2015 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.67 No.4

In this work, to investigate the optical and the electrical properties of GaAs solar cells, we adopted optical/ electrical biased electroreflectance spectroscopy (ER) and current-voltage (J-V) measurements. The p-n junction’s electric fields were evaluated through an analysis of the Franz- Keldysh oscillations (FKOs) in the ER spectra. By comparing the electrical and the optical biased ER and optical biased J-V results, we calculated the carrier densities contributing to the photovoltage (pv) and the photocurrent (J ). We confirmed that the pv could affect the field screening for the p-n junction’s electric field. With increasing number of incident photons (ph), the ratio of pv to J was almost constant. From these results, for a concentrated photovoltaic device, we propose that the photovoltaic effect can affect the solar cell’s efficiency in the relatively high excitation intensity region.

p+-n-n+ 및 n+-n-p+ GaAs 태양전지의 내부 전기장 세기 비교

박경두,소모근,조현준,김종수,김준오,김영호,이상준 한국진공학회 2019 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2019 No.8

p+-n-n+ 및 n+-n-p+ GaAs 태양전지의 내부 전기장 세기 비교

박경두,소모근,조현준,김종수,김준오,김영호,이상준 한국진공학회 2020 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2020 No.2

InAs/GaAs 양자점 태양전지에서 양자점 크기 및 온도에 따른 Photovoltage 효과

윤수진,소모근,손창원,한임식,노삼규,이상준,김종수 한국진공학회 2013 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2013 No.8

InAs/GaAs 양자점 태양전지에서 광기전력 효과의 온도의존성 연구

최유호,소모근,김종수,이상준 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.5

To investigate the influence of a quantum dot (QD) structure and a defect state on the photovoltaic effect of QD solar cell (QDSC), we performed temperature-dependent photoreflectance spectroscopy (PR). We fabricated two QDSC by using molecular beam epitaxy (MBE) with the Stranski-Krastanov (S-K) QD and the sub-monolayer (SML) QD growth modes. Temperature-dependent PR spectra showed Franz-Keldysh oscillation (FKO) at energies above the GaAs band gap energy due to the presence of p-n junction electric fields. The p-n junction electric fields were evaluated through an fast Fourier Transform (FFT) of the FKO in the PR spectra. We confirmed that the change in the photovoltaic effect caused by the QD structures was related to the temperature-dependent quantum-confinement effect, the carrier generation rate, and the presence of defect states in the QD region. 본 연구에서는 양자점(quantum dot, QD)의 성장 구조에 따른 결함 발생이 양자점 태양전지(QD solar cell, QDSC)의 광기전력효과(photovoltaic effect)에 미치는 영향을 온도의존성 반사 변조 분광법(photoreflectance, PR)으로 조사하였다. 시료는 GaAs p-n 접합 계면에 Stranski-Krastanov (S-K) 방법과 sub-monolayer (SML) 방법으로 InAs 양자점을 분자선 박막 성장 장치(Molecular Beam Epitaxy, MBE)으로 제작하였다. 온도의존성 PR 신호에서 각 시료는 띠틈(band gap) 에너지 이상의 영역에서 p-n 접합 전기장에 의한 Franz-Keldysh oscillation (FKO)를 보여 주었다. 주기성을 갖는 진동신호인 FKO 신호는 고속 푸리에 변환(fast Fourier Transform, FFTs)을 이용하여 광기전력 효과에 의해 변화된 p-n 접합 전기장을 계산하였다. 양자점의 성장구조에 의한 광기전력 효과는 광기전력에 기여하는 운반자의 거동이 온도에 따른 양자구속효과, 운반자 생성율, 그리고 결함의 존재에 의해 다르게 나타남을 확인하였다.

분자선 박막 성장 장치로 성장된 GaSb 박막의 성장 온도에 따른 특성 평가

박진희,조현준,소모근,신재철,김종수,구대현,김준오,이상준 한국물리학회 2018 새물리 Vol.68 No.3

In this work, the structural and the optical properties of GaSb epilayers were investigated by using X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL), and photoreflectance (PR) measurements. All sample were grown by using molecular beam epitaxy, but at various growth temperatures ($T_s$) from 485 to 540 $^\circ$C. The XRD results showed that the full width at half maximum (FWHM) of the XRD curves increased with increasing growth temperature due to the formation of defects in the epilayer. The PL results indicated that V$_{Ga}$, Ga$_{Sb}$ and related defects were formed in the epilayer due to the effects of the growth temperature. The PR spectra of the GaSb epilayers clearly exhibited Franz-Keldysh oscillations (FKOs) caused by the interface electric fields. The inter face electric field between the p-GaSb epilayer and the n$^+$-substrate decreased from 78.4 to 65.6 kV/cm with increasing $T_s$. We confirmed that the change in the interface electric field was due to the change in the p-type carrier concentration caused by the formation of defect states with increasing $T_s$ from 485 to 540 $^\circ$C. 본 연구에서는 분자선 박막 성장 장치(molecular beam epitaxy)를 이용하여 성장된 GaSb 박막의 성장 온도($T_s$ 485 $\sim$540 $^\circ$C)에 따른 특성을 X-선 회절 (X-ray diffraction, XRD), 광발광 (photoluminescence, PL) 및 광변조반사 (photoreflectance, PR) 방법으로 조사하였다. XRD 결과에서는 성장 온도가 증가할수록 반치폭(full width at half maximum, FWHM)의 증가는 성장 중 결함 발생에 기인한 것으로 판단하였다. PL 결과에서는 성장 온도에 따라 박막에 V$_{Ga}$와 Ga$_{Sb}$에 관련된 결함 준위의 발생과 거동을 확인하였다. PR 신호에서 시료 계면 전기장 효과에 의한 Franz-Keldysh oscillation (FKO)이 관측되었다. 각 시료의 PR 신호에서 관측된 FKO신호로부터 성장 온도에 따른 시료의 계면 전기장 세기($F$) 변화를 확인 하였다. 상온에서 GaSb 박막의 계면 전기장 세기는 성장 온도가 증가할수록 78.4에서 65.6 kV/cm로 변함을 관측하였다. 성장 온도 485 $\sim$ 540 $^\circ$C 범위에서 박막의 계면 전기장 세기의 변화는 성장 온도에 따른 결함의 발생으로 p-형 운반자 농도의 변화에 기인한 것으로 확인되었다.

Investigation of Internal Electric Fields in GaAs Solar Cell under Highly-concentrated Light

이승준,조현준,소모근,손창원,한임식,김종수,배인호,이상준,노삼규,최현광,임재영 한국물리학회 2015 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.66 No.4

The temperature and the excitation-intensity dependences of the junction electric fields in theGaAs p-i-n solar cell structure have been investigated by using photoreflectance (PR) spectroscopy. In the p-i-n solar cell structure, two different electric fields are observed. The fast Fourier transform(FFT) analysis implies that the two electric fields can be assigned to the p-i and the i-n interfaces. The strengths of the electric fields at the p-i and the i-n interfaces are 38 and 44 kV/cm, respectively. The electric fields gradually increase due to the temperature-dependent photovoltage effect withincreasing sample temperature. With increasing excitation intensity, the electric field at the p-iinterface gradually decreases due to the photovoltage effect caused by carrier screening while thatat the i-n interface is insensitive to the light’s intensity. This abnormal behavior can be explainedby the anisotropy carrier dynamics at the p-i and the i-n interfaces., The relation between theopen-circuit voltage (VOC) and the ideality factor in concentration photovoltaic (CPV) devices isdiscussed.