플렉서블 실리콘 박막 태양전지용 Ag/ZnO 후면반사막의 광산란 특성 향상

백상훈(Baek, Sanghun),이정철(Lee, Jeong Chul),박상현(Park, Sang Hyun),송진수(Song, Jinsoo),윤경훈(Yoon, Kyung Hoon),왕진석(Wang, Jin-Suk),조준식(Cho, Jun-Sik) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

유연금속기판위에 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Ag/ZnO 이중구조의 후면반사막을 증착하고 Ag 표면조도 변화에 따른 후면반사막의 반사특성 변화와 플렉서블 비정질 실리콘 박막 태양전지의 셀 특성에 미치는 영향을 조사하였다. Substrate구조를 갖는 플렉서블 실리콘 박막 태양전지에서는 실리콘 박막 광흡수층의 상대적으로 낮은 광 흡수율로 인하여 입사광에 대한 태양전지 내에서의 광 산란 및 포획이 태양전지 효율을 증대시키는데 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 플렉서블 실리콘 박막 태양전지에서의 후면반사막은 광 흡수층에서 흡수되지 않는 입사광을 다시 반사시켜 광 흡수를 증대시키며 이때 후면반사막 표면에서 반사 빛을 효율적으로 산란시켜 이동경로를 증대시킴으로써 광 흡수율을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 유연금속 기판위에 Ag와 ZnO:Al(Al₂O₃ 2.5wt%) 타겟을 사용한 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 Ag/AZO 이중구조의 후면반사막을 제조하고, Ag 박막의 표면형상 변화와 이에 따른 후면반사막의 반사도 변화를 비교, 분석하였다. 증착 조건 변화에 따른 표면 형상 및 반사 특성은 Atomic Force Mircroscope(AFM), Scanning electron miroscopy(SEM), UV-visible-nIR spectrometry를 통하여 분석하였다. 서로 다른 표면 거칠기를 갖는 후면반사막 위에 n-i-p구조의 a-Si:H 실리콘 박막 태양전지를 제조한 후 태양전지 동작 특성에 미치는 영향을 조사하였다. n,p층은 13.56MHz PECVD, i층은 60MHz VHF CVD를 사용하여 각각 제조 하였으며, Photo I-V, External Quantum Efficiency(EQE) 분석을 통하여 태양전지 특성을 조사 하였다. SEM 분석결과 공정 온도가 증가 할수록 Ag 박막의 표면 결정립 크기도 증가하였으며, AFM분석을 통한 Root-mean-square(Rms)값은 상온에서 500?C로 증착온도가 증가함에 따라 6.62nm에서 46.64nm까지 증가하였다. Ag 박막의 표면 거칠기 증가에 따라 후면반 사막의 확산 반사도도 함께 증가하였다. 공정온도 500?C에서 증착된 후면반사막을 사용하여 a-Si:H 태양전지를 제조하였을 때 상온에서 제조한 후면반사막에 비하여 단락전류밀도 (Jsc)값은 9.94mA/cm²에서 13.36mA/cm²로 증가하였으며, 7.6%의 가장 높은 태양전지 효율을 나타내었다.

타원편광분광법 및 수소삼출법을 이용한 박막 실리콘의 증착온도 변화에 따른 미세구조 상관관계 연구

김가현 한국물리학회 2019 새물리 Vol.69 No.5

본 연구에서는 타원편광분광법 및 수소삼출법을 이용한 박막 실리콘 재료의 재료물성 분석결과를 다룬다. 비정질 실리콘 계열 박막 실리콘 재료는 결정질 실리콘과 다른 특징적 물성을 보이는데, 대표적으로재료의 밴드갭이 결정질 실리콘의 1.1 eV에 비해 광폭으로 1.7 eV 정도이며, 결정질 실리콘에 비해 높은흡광계수 및 직접천이 반도체와 같은 거동 등이 있다. 타원편광분광분석법은 시편에 조사된 빛의 편광상태변화를 관찰하는 기법으로 재료물성의 관점에서는 간접적인 분석법이다. 이를 재료에 대한 의미있는정보로 변환하기 위해서는 측정결과의 정확한 모델링이 필수적이다. 실리콘 박막의 물성 분석을 위해토크-로렌츠 분산모델(Tauc-Lorentz dispersion model)을 사용하였다. 타원편광분광법을 이용한 박막실리콘 재료의 측정결과를 토크-로렌츠 분산모델을 적용하여 분석하는 방법 및 수소삼출 실험결과와의비교를 통한 분산모델의 적정성 검증에 대한 논의를 다룬다. We analysed the material properties of thin-film silicon materials by using spectroscopic ellipsometry and hydrogen effusion. Hydrogenated amorphous silicon and the related thin film silicon material showed material properties significantly different from those of crystalline silicon, such as a wider band gap of about 1.7 eV, instead of the 1.1 eV in crystalline silicon, an elevated absorption coefficient, and characteristics of a direct bandgap. From a material point of view, an ellipsometry measurement is an indirect measurement because the result is usually given by a change in the polarization state of the probe light, so the ellipsometry measurement result must be transformed into meaningful parameters by modeling the measurement result. We used Tauc-Lorentz dispersion to model the ellipsometry measurement of the thin silicon film. In this paper, we discuss the modeling of spectroscopic ellipsometry data from thin-film silicon materials and the verification of the modeling result by using data from a complementary hydrogen effusion experiment

후열처리에 따른 ZnO:Al 투명전도막 특성 변화 및 HCl 식각 특성 분석

김한웅(Kim, Han-Ung),김영진(Kim, Young-Jin),조준식(Cho, Jun-Sik),박상현(Park, Sang-Hyun),윤경훈(Yoon, Kyung-Hoon),송진수(Song, Jin-Soo),오병성(O, Byung-Sung),이정철(Lee, Jeong-Chul) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

RF 스퍼터링법을 이용하여 유리기판위에 ZnO:Al 박막을 증착하고 다양한 조건 하에서 후 열처리를 실시하여 이에 따른 박막의 구조적, 전기적 및 광학적 특성과 HCl 습식 식각 후의 표면형상 변화를 조사하였다. ZnO:Al 투명전도막은 우수한 전기적, 광학적 특성, 수소 플라즈마 안정성 및 저 비용 등으로 실리콘 박막 태양전지 전면 전극용으로 많은 관심을 받고 있다. 기존의 비정질 실리콘 박막 태양전지용으로 많이 사용되고 있는 상용 Asahi-U형 (SnO₂:F) 투명전도막의 경우는 수소 플라즈마에 대한 안정성이 낮고 입사광의 장파장 대역에서의 낮은 산란특성으로 인하여 실리콘 박막 태양전지의 고효율화를 위한 적용에 한계를 나타내고 있다. 이를 개선하기 위하여 스퍼터링법으로 우수한 전기적 특성을 갖는 ZnO:Al 박막을 제조한 후 습식 식각을 통한 표면형상 변화를 통하여 입사광의 산란특성을 향상시키는 방법이 개발되어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 2.5 wt%의 Al₂O₃가 함유된 ZnO 타겟을 이용하여 ZnO:Al 박막을 RF 스퍼터링으로 증착한 후 N₂ 분위기와 진공 분위기 하에서 다양한 시간과 온도에 따라 후열처리를 하여 열처리 전 박막과의 물질 특성을 상호 비교하고 1%로 희석된 HCl로 습식 식각하여 열처리 전 박막의 구조적 특성이 습식 식각 후의 박막 표면형상 변화에 미치는 영향을 조사하였다. 이로부터 후열처리를 통한 ZnO:Al 투명전도막의 특성을 최적화하고 Asahi-U형 투명전도막과의 특성 비교를 통하여 실리콘 박막 태양전지용 전면전극으로의 적용 가능성을 조사하였다.

박막히터를 사용한 비정질 실리콘의 고상결정화

김병동,정인영,송남규,주승기 한국진공학회 2003 Applied Science and Convergence Technology Vol.12 No.3

유리 기판 위에 증착된 비정질 실리콘 박막의 고상 결정화에 대한 새로운 방법을 제시하였다. 비정질 실리콘 박막의 하부에 패턴 된 다양한 크기의 $TiSi_2$ 박막을 전기저항 가열 방식으로 가열함으로서 비정질 실리콘이 고상 결정화 되도록 하였다. 박막히터를 이용한 열처리는 매우 빠른 열처리 공정으로써, 일반적인 로에 의한 열처리에 비해 매우 낮은 thermal budget을 가지므로, 유리기판 위에서도 고온 열처리가 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 500 $\AA$의 비정질 실리콘 박막을 약 $850^{\circ}C$ 이상의 높은 온도에서 수 초 내에 결정화 할 수 있음을 보였으며, 열처리 조건의 변화에 따른 영향과 지역선택성의 장점을 보였다. Recently, according to the rapid progress in Flat-panel-display industry, there has been a growing interest in the poly-Si process. Compared with a-Si, poly-Si offers significantly high carrier mobility, so it has many advantages to high response rate in Thin Film Transistors (TFT's). We have investigated a new process for the high temperature Solid Phase Crystallization (SPC) of a-Si films without any damages on glass substrates using thin film heater. because the thin film heater annealing method is a very rapid thermal process, it has very low thermal budget compared to the conventional furnace annealing. therefore it has some characteristics such as selective area crystallization, high temperature annealing using glass substrates. A 500 $\AA$-thick a-Si film was crystallized by the heat transferred from the resistively heated thin film heaters through $SiO_2$ intermediate layer. a 1000 $\AA$-thick $TiSi_2$ thin film confined to have 15 $\textrm{mm}^{-1}$ length and various line width from 200 to 400 $\mu\textrm{m}$ was used as the thin film heater. By this method, we successfully crystallized 500 $\AA$-thick a-Si thin films at a high temperature estimated above $850^{\circ}C$ in a few seconds without any thermal deformation of g1ass substrates. These surprising results were due to the very small thermal budget of the thin film heaters and rapid thermal behavior such as fast heating and cooling. Moreover, we investigated the time dependency of the SPC of a-Si films by observing the crystallization phenomena at every 20 seconds during annealing process. We suggests the individual managements of nucleation and grain growth steps of poly-Si in SPC of a-Si with the precise control of annealing temperature. In conclusion, we show the SPC of a-Si by the thin film heaters and many advantages of the thin film heater annealing over other processes

Tandem cell 적용을 위한 narrow band gap을 갖는 a-Si 태양전지 개발

김선호(Kim, Sunho),유동주(You, Dongjoo),안세원(Ahn, Seh-Won),이헌민(Lee, Heonmin),김동환(Kim, Donghwan) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

실리콘 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 밴드갭이 다른 흡수층을 적용한 tandem형 적층 태양전지를 이용하고 있다. 일반적으로 1.7eV이상의 밴드갭이 큰 비정질 실리콘을 이용하여 단파장의 빛을 흡수하고, 상대적으로 낮은 1.1eV 정도의 밴드갭을 갖는 미세결정 실리콘 층으로 장파장을 흡수하게 된다. 이렇게 연결된 tandem형 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 각 태양전지에서 발생하는 전류 밀도를 일치시키는 것이 필요하다. 이를 위해 비정질 실리콘의 두께가 증가되는 경우가 있는데 이러한 경우 비정질 실리콘의 광열화 특성(Lihgt-induced degradation)으로 안정화 효율이 감소하게 된다. 따라서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상 시켜 두께를 최소화하는 것이 매우 중요하다. Tandem형 태양전지에서 비정질 실리콘 태양전지의 전류 밀도를 향상시키기 위해 두 개의 전지사이에 광 반사층을 적용하여 태양전지를 제조하게 된다. 이러한 경우 비정질 실리콘의 전류 밀도는 증가하지만, 광 반사 층의 장파장 흡수로 인하여 하부 태양전지의 전류 밀도 감소가 더 커지게 되어 전체 발생 전류 밀도는 오히려 감소하게 된다. 본 논문에서는 비정질 실리콘의 밴드갭을 제어하여 광 흡수 파장 영역 확대로 전류 밀도를 향상시키는 연구를 진행하였다. PECVD의 RF power 조건을 제어하여 1.75eV에서 1.67eV까지 밴드갭을 변화시켰다. 이와 같은 조건의 박막을 광 흡수층으로 갖는 p-i-n 구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. i층의 밴드갭이 감소됨에 따라 장파장 영역의 흡수가 확대되어 전류 밀도가 증가 하였지만, Voc의 감소가 컸다. 이는 i층의 밴드갭이 좁아짐에 따라 p층과의 불연속성이 커졌기 때문이다. 이러한 악영향을 줄이기 위해 p층과 i층 사이에 buffer층을 삽입하여 태양전지를 제작하였다. 이와 같은 최적의 buffer층 삽입을 통하여 불연속성을 줄임으로써 Voc의 상승효과를 확인하였다. 본 연구의 결과로 좁은 밴드갭을 갖는 광 흡수 층을 적용하여 전류 밀도를 향상시키고, 최적화된 buffer층 삽입으로 Voc를 향상시킴으로써 고효율의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 이를 tandem형 태양전지에 적용할 경우 초기 효율뿐만 아니라 얇은 두께에서 제조할 수 있기 때문에 광열화 특성이 향상되어 안정화 효율의 증가를 가져올 수 있다.

고감도 탈기체분석법을 이용한 비정질 실리콘의 수소 방출특성 연구

권오민,조재령,김가현 한국물리학회 2020 새물리 Vol.70 No.9

We address hydrogen exodiffusion of hydrogenated amorphous silicon thin films by using thermal desorption spectroscopy. Amorphous silicon has a disordered atomic structure and consists of dangling bonds, which work as electronically active defects. These defects can be passivated by hydrogen, and the material is called hydrogenated amorphous silicon. Hydrogen exodiffusion provides information on Si-H bonding and the microstructure of the material. In this work, we fabricated a series of hydrogenated amorphous silicon thin films of different thicknesses and analyzed the Si-H bonding and the microstructure of the films by using hydrogen exodiffusion. In particular, we observed that the 10-nm thin film showed porous microstructure because the film was still in island/channeling stage of film deposition at initial moments, which is premature for uniform film growth. A complementary analysis using Fourier-transform infrared spectroscopy gave consistent results. 본 연구에서는 고감도 탈기체분석장비를 이용한 비정질 실리콘의 수소 방출 특성 관찰결과를 다룬다. 비정질 실리콘의 원자구조는 무질서하게 배열되어 있으며 전기적 결함으로 작용하는 댕글링 본드를함유하고 있는데, 댕글링 본드에 수소를 결합하여 전기적 결함을 부동태화하며, 이와 같은 상태의 물질을수소화된 비정질 실리콘이라 한다. 탈기체분석법을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘의 수소 방출특성을 관찰하면 수소화된 비정질 실리콘 내 Si-H결합과 박막의 미세구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 동일 공정조건으로 두께를 다르게 하여 증착한 수소화된 비정질 실리콘 박막의 수소 방출특성을 관찰하였으며, 박막 두께에 따른 박막의 미세구조의 변화를 관찰하였다. 박막이 10 nm 정도로얇을 경우에는 화학기상증착의 원리에 따라 박막 성장 초기에 아일랜드 상의 미세구조를 취할 것으로유추하였으며 푸리에변환 타원편광분광분석법을 이용한 상보적 분석을 통해 일관성있는 관찰결과를 얻게되었다.

실리콘 박막 태양전지용 ZnO:Al 투명전도막의 미세구조 변화에 따른 표면 식각 특성

김한웅(Kim, Han-Ung),조준식(Cho, Jun-Sik),박상현(Park, Sang-Hyun),윤경훈(Yoon, Kyung Hoon),송진수(Song, Jinsoo),오병성(O, Byung-Sung),이정철(Lee, Jeong Chul) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

Superstrate형 실리콘 박막 태양전지에서 전면전극으로 사용되는 투명전도막의 표면형상은 태양전지내로 입사하는 태양광의 표면산란에 영향을 미치며 표면산란 증가를 통한 광 포획 및 단락전류밀도 향상을 통하여 태양전지 효율을 증대시키는 중요한 역할을 한다. 기존에 실리콘박막 태양전지용으로 많이 사용되는 상용 Asahi-U형 투명전도막은 수소 플라즈마에 대한 안정성이 낮고 입사광의 장파장 대역에서의 산란특성이 낮아 실리콘 박막 태양전지의 고효율화에 한계점이 있었다. 최근에 Asahi-U형 투명전도막을 대신하여 ZnO계 투명전도막을 전면전극으로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며 Al을 토핑원소로 사용하는 ZnO:Al 투명전도막은 우수한 전기적, 광학적 특성과 수소플라즈마 안정성 및 저 비용 등의 우수한 장점을 갖고 있다. 스퍼터링 방식으로 제조된 ZnO:Al 투명전도막의 표면형상은 일반적으로 증착 후 습식식각을 통하여 조절되며 식각 전 박막의 미세구조에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 또한 습식 식각 이후의 표면거칠기에 따라 다양한 광학적, 전기적 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 in-line RF-magnetron sputter 장비를 이용하여 다양한 공정조건하에서 ZnO:Al 투명전도막을 제조하고 증착된 박막의 미세구조 특성에 따른 습식식각 이후의 표면형상 변화 및 전기적 광학적 특성 변화를 조사하였다.

화학적 식각조건에 따른 ZnO:Al 투명전도막 특성분석 및 실리콘 박막 태양전지 효율변화 연구

김정진(Kim, JungJin),조준식(Cho, Jun-Sik),이지은(Lee, Ji Eun),장지훈(Jang, Ji Hun),조용수(Cho, Yong Soo),박주형(Park, Joo Hyung),송진수(Song, Jinsoo),이정철(Lee, Jeong Chul) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

본 연구에서는 RF magnetron sputtering을 이용하여 실리콘 박막 태양전지용 ZnO:Al 전면전극을 제작하고 다양한 식각조건에 따른 ZnO:Al 박막의 표면형상 변화와 함께 전기적 및 광학적 특성 변화를 조사하였다. pin 구조를 갖는 실리콘 박막 태양전지의 효율 향상을 위해서는 입사광의 산란효과에 따른 광포획 증가가 필수적이며 이를 위하여 ZnO:Al 전면전극의 표면텍스처링 형성이 필요하다. 식각용액으로는 HCl과 HF 등을 사용하였으며 식각용액 농도 및 식각시간을 변화시켰다. 식각 후의 ZnO:Al 박막의 표면형상은 SEM(Scanning Electron Microscope)과 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 분석을 하였고, UV-visible-nIR spectrometer를 이용하여 총 투과도 및 산란 투과도를 측정하였다. 이 외에도 four-point probe 및 Hall measurement를 이용하여 전기적 특성 변화를 조사하였다. 다양한 식각조건에 따라 제조된 ZnO:Al 박막 위에 실리콘 박막 태양전지를 제작하여 전면전극의 표면형상에 따른 태양전지 성능변화를 비교 분석하였다.

굴절률 가변에 따른 silicon nitride 박막의 항온/항습 신뢰성 연구

송규완(Song, Kyuwan),장주연(Jang, Juyeun),이준신(Yi, Junsin) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

결정질 실리콘 태양전지의 표면 ARC(Anti-reflection Coating)layer는 반사도를 줄여 광 흡수율을 증가시키고, passivation 효과를 통하여 표면 재결합을 감소 시켜 태양전지의 효율을 높이는 중요한 역할을 한다. Silicon nitride 박막은 외부 stress 요인에 대해 안정성을 담보할 수 있어야한다. 따라서, 본 연구에서는 굴절률 가변에 따른 silicon nitride 박막을 PECVD를 이용하여 증착하고, 항온/항습 stability test를 통해 박막의 안정성을 확인하였다. Silicon nitride 증착을 위해 PECVD를 이용하였고, 공정압력 0.8Torr, 증착온도 450?C, 증착파워 300W에서 실험을 진행하였다 박막의 굴절률은 1.9~2.3의 범위로 가변하였다. 항온/항습에 대한 신뢰성을 test 하기 위하여 5시간동안의 test를 1cycle로 하여 20회 동안 실험을 실시하였다. 증착된 silicon nitride 박막의 lifetime은 firing 이후 57.8us로 가장 높았으며, 항온/항습 test 이후에도 유사한 경향을 확인 할 수 있었다. 또한, 100h 동안의 항온/항습 test 결과 silicon nitride 박막의 lifetme 감소는 8.5%에 불과했다. 본 연구를 통하여 온도와 습도의 변화에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 SiNx 박막의 증착 공정 조건에 대한 신뢰성을 확인 할 수 있었다.

열선 화학 기상 증착법에 의한 실리콘 박막 및 태양전지 특성

김상균(Kim, Sang-Kyun),이정철(Lee, Jeong Chul),전상원(Jeon, Sang Won),임충현(Lim, Chung Hyun),안세진(Ahn, Sae Jin),윤재호(Yun, Jae Ho),김석기(Kim, Seok Ki),송진수(Song, Jinsoo),박성주(Park, S-J),윤경훈(Yoon, Kyung Hoon) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

최근 열선 화학 기상 증착법(HWCVD)은 낮은 온도에서 TFT용 Poly Si 중착을 할 수 있다는 점과 실리콘 박막을 빠른 속도로 증착할 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 HWCVD를 이용하여 태양전지를 제조하고 그 특성을 평가하였다. 조건에 따른 실리콘 박막의 특성 변화를 알기 위해 corning glass 및 실리콘 wafer에 다양한 조건에서 단위 박막(intrinsic layer)을 증착하였고 이 결과를 바탕으로 p/i/n 구조의 태양전지를 제조하였다. Ta 열선 온도는 1700-2000도였고 가스 원료인 SiH₄와 수소의 비율을 조절하면서 그 영향을 관찰하였다. 태양전지의 경우 p충과 n충은 PECVD로 증착하였으며 단위박막 및 태양전지 i충 증착시 기판과 열선간의 거리는 7cm, 기판 온도는 200?C와 250?C로 고정하였고 작업압력은 30mTorr였다. 단위 박막 특성 평가를 위해 암/광 전도도, SEM, Raman Scattering, FT-IR등을 사용하였으며 태양전지 특성 평가를 위해 I-V 및 Spectral response를 측정하였다. 열선 온도가 증가함에 따라 증착속도 및 결정화 분율은 증가하였다. 특히 비정질에서 결정질로 전이되는 구간은 매우 좁았으며 여러 분석 방법에서 일치되는 결과를 보였다. SiH₄ 유량이 늘어날수록 비정질이 결정질로 바뀌는 열선 온도가 증가하였으며 기판 온도가 낮을 경우 또한 결정으로 바뀌는 열선 온도가 증가하였다. 태양전지의 경우 열선 온도가 증가함에 따라 V_{oc} 및 W가 낮아졌으며 J_{sc}, 는 증가하는 경향을 보였으며 결정질 비율이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 경향은 quantum efficiency 결과에서도 확인할 수 있었다.