산화 아연 나노구조를 이용한 실리콘 태양전지 개발 = Development of silicon solar cells using nano structured zinc oxide

국문 초록 (Abstract)

최근 태양전지 변환 효율이 높게 나오는 차세대 태양전지 개발을 위해 낮은 반사도와 높은 투과도를 가진 물질 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 최근, 산화아연 (ZnO)을 이용하여 박막을 나노구조를 만들고 도핑을 이용해 고효율 태양전지 개발에 대한 연구 결과가 보고되고 있다. 특히, 다양한 태양전지 중에서 산화아연을 이용한 태양전지 구조는 공정이 간단할 뿐만 아니라 제조 단가가 저렴하여 차세대 태양전지로 많은 관심을 받고 있다. 또한 산화아연은 전기적 특성, 광학적 특성, 광촉매 특성이 우수하여 현재 고효율 태양전지 개발에 많이 응용되고 있다.
본 연구에서는 스핀코터를 이용하여 2000 rpm에서 30초 동안 산화아연 박막을 형성하고, 500℃에서 소성해줌으로써 핵 생성 박막을 제작하였다. 그 뒤 80℃에서 나노구조 성장 시간에 변화를 주며 나노구조를 형성한 후, 나노구조 성장 시간에 따라 빛의 반사도, 전기적 특성, 변환효율을 측정 하였다. 결과적으로 각각 나노구조가 성장된 태양전지를 비교 하였을 때 2회 스핀코팅으로 박막을 형성하고 그 위에 나노구조를 4시간 길렀을 때 0.55 V의 개방전압 (Voc), 29.48 mA/cm2의 전류밀도 (Jsc), 75.53%의 곡선인자 (Fill factor), 12.23%의 변환효율 (PCE)의 우수한 광전 특성을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, many studies on the development of materials having a low reflectivity and high transmission for the next generation of high-efficient solar cells are in progress. Recently, high-efficient solar cells have been prepared by using heteroatom-doped ZnO nanostructures. In particular, the nanostructured ZnO-based solar cells have great attention as a next generation photovoltaic cells due to their inherent advantages, such as low cost, simple fabrication, and relatively high efficiency. In addition, the ZnO is widely used in the current high-efficiency solar cells because of excellent electrical, optical, photo-catalytic properties.
In this study, ZnO seed layers were first deposited on N-P-N Si substrates by a spin-coating method at 2000 rpm for 30 sec, and subsequently annealed at 500℃ for 30 min. The hydrothermal growth was then carried out at 80℃ up to 8h by mounting ZnO seed layers in a Teflon-capped glass bottle filled with the calculated amounts of zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2․6H2O)) and hexamethylenetetramine ((CH2)6N4) in 80 ml of distilled water. Subsequently, surface reflectance and electrical conductivity were measured to understand the relationship between their photovoltaic properties as a function of growth time. As a result, the ZnO-based solar cell, which was fabricated with ZnO nanostructures grown on two-time spin-coated ZnO seed layer for 4 hr, exhibits the highest power conversion efficiency (PCE) of 12.23%, open-circuit voltage (Voc) of 0.55V, short current density (Jsc) of 29.48 mA/cm2, Fill factor (FF) of 75.53%, respectively.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 ZnO 태양전지 연구 목적 1
• 1-1 배경 및 동향 1
• 제 2 절 연구 내용 및 목표 4
• 제 2 장 이론 5
• 제 1 절 태양전지의 제조 기술 5
• 1-1 실리콘 계열 태양전지 6
• 1-2 화합물 태양전지 7
• 1-3 고분자 태양전지 8
• 1-4 염료감응형 태양전지 9
• 제 2절 태양전지 원리 10
• 제 3절 태양전지의 특성 평가 13
• 3-1 태양전지 전류-전압 곡선 13
• 3-2 개방전압 14
• 3-3 단락전류 15
• 3-4 곡선인자 16
• 3-5 변환효율 17
• 3-6 등가회로 17
• 제 3 장 실험 19
• 제 1 절 ZnO의 이해 19
• 1-1 ZnO의 구조적 특성 19
• 1-2 ZnO의 광학적 특성 21
• 1-3 ZnO의 전기적 특성 23
• 1-4 ZnO의 광촉매 특성 26
• 제 2 절 ZnO 태양전지 제작 30
• 2-1 실리콘 웨이퍼 세정 32
• 2-2 ZnO 박막 제작 34
• 2-3 ZnO 나노구조 35
• 2-4 Al 후면 전극 형성 38
• 2-5 전극 증착 39
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 41
• 제 1 절 ZnO 태양전지 특성평가 41
• 1-1 실리콘 웨이퍼의 세정과정 42
• 제 2 절 ZnO 박막분석 43
• 2-1 ZnO 스핀코팅 횟수에 따른 박막분석 43
• 2-2 성장 시간에 따른 ZnO 나노구조의 표면 길이 44
• 제 3 절 ZnO 나노구조 태양전지의 반사도, 투과도 측정 46
• 3-1 UV-VIS 분석 결과 46
• 제 4 절 ZnO 태양전지의 전기적 특성 측정 48
• 4-1 ZnO 나노구조 성장 시간에 따른 태양전지 성능 분석 결과 48
• 제 5 절 ZnO 태양전지의 양자효율 측정 50
• 제 5 장 결 론 51