투명 전도성 산화물 (Transparent conductive oxide) 박막을 응용한 결정질 실리콘 태양전지에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

ITO(Indium-tin-oxide)는 태양전지에서 주로 반사방지막으로 쓰이는 실리콘나이트라이드(SiNx)를 대체하여 적용되었다. 인 확산 공정의 조절에 의해서 세가지 형태의 Emitter를 제작하였다. Light-deoped emitter의 태양전지는 전자·전공쌍의 재결합이 줄어들어 전자의 이동이 원활하고 단파장 영역에서의 흡수 효율이 좋아져 단락전류가 상승된다. 전기적인 관점에서 ITO(Indium-tin-oxide)는 Light-deoped emitter의 높은 접촉 저항을 완화시켜주고 광학적인 관점에서 공기와 실리콘의 중간값을 가지는 굴절률로 효과적인 반사방지막의 역할을 해준다. 낮은 Junction depth의 Emitter는 쉽게 전면 Ag전극에 의해 뚫려 Junction 부위에 누설 전류가 발생하는데 ITO는 이러한 문제를 효과적으로 방지해준다. 또한 ITO가 증착된 태양전지 전면전극의 간격을 조절하여 최적의 특성을 가지는 태양전지를 제작하였다. ITO가 증착된 태양전지에서 전면 전극의 간격을 넓혀 Shadowing loss를 최대한 감소시켜 빛의 흡수를 증가시켰고, ITO가 보조 전극으로 작동함으로써 각각 유사한 직렬저항 측정값을 얻을 수 있었다. 광학적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가지는 ITO는 태양전지가 더 많은 빛을 흡수 할 수 있도록 전면전극 간격을 넓게 가질 수 있게 도와준다. Transfer length method를 이용해 접촉 비저항 특성 및 전달 길이를 분석하였고, 전면 전극의 Figer 간격이 넓어짐에 따른 누설전류의 증가의 원인을 분석하였다.
앞에서 기술한 여러 장점에도 불구하고 ITO는 표면 Passivation효과가 없어 낮은 개방전압을 가지게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 열산화막을 이용하여 표면을 Passivation하고, ITO를 Line형상으로 국부적으로 Contact하여 Passivation과 Anti-reflection coating, Emitter의 Contact resistance의 감소를 동시에 이루어 내기 위한 연구를 수행하였다. Acid solution에 강하고 Etching 공정에 더욱 적합한 Etching barrier paste를 이용하였고 공정이 간단한 Screen printing 방법을 선택하였다. 이와 같은 방법을 통해 공정비용과 공정시간을 더욱 단축시킬 수 있고 Anti-reflection coating을 동시에 이루어 낼 수 있었다. 그리고 Passvation효과로 인해 상당한 Open circuit voltage(Voc)의 증가로 태양전지 효율의 향상을 가지고 올 수 있었다.
효과적인 빛의 입사를 위해서 3-D 입체구조의 TCO를 연구하였다. 표면으로부터 실리콘 흡수층으로 빛이 입사될 때 입사되는 빛은 변환되었다. 3-D 입체구조의 TCO는 포토리소그래피 공정으로 수행되어졌다. 3-D 입체구조의 TCO는 입사된 빛을 표면에서 실리콘 흡수층으로 효과적으로 Drive하고 낮은 반사도와 전류밀도의 향상을 가져왔다.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차
• 표 목차
• 논문 요약
• 제 1장. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 실리콘 태양전지 변천과 현황 3
• 1.3 논문의 구성 8
• 제 2장. ITO 박막을 응용한 결정질 실리콘 태양전지 9
• 2.1 도핑과 Junction depth 9
• 2.2 TCO를 증착한 Shallow emitter 태양전지의 필요성 12
• 2.3 박막의 성능 평가를 위한 Figure of merit 15
• 2.4 ITO 박막의 최적 두께 계산을 위한 이론적 접근 19
• 2.5 Transfer Length Method 저항 측정 원리 21
• 2.6 확산 공정을 통한 Emitter 깊이 조절 및 실험 방법 23
• 2.6.1 웨이퍼 세정 및 표면 조직화 23
• 2.6.2 Emitter depth를 조절하기 위한 Doping 공정 25
• 2.6.3 Magnetron Sputtering을 이용한 ITO의 증착 26
• 2.7 전면 전극의 Finger 디자인의 최적화 28
• 2.7.1 Transfer Length Method 저항 측정 방법 28
• 2.7.2 전면 전극의 Finger 간격을 가변한 전극 형성 29
• 2.8 ITO를 적용한 태양전지 특성 평가 31
• 2.8.1 Junction depth profiles 측정 분석 31
• 2.8.2 TEM(Transmission Electron microscope)분석 32
• 2.8.3 Finger 간격 가변에 따른 ITO 박막의 광학적 특성 평가 33
• 2.8.4 Transfer Length Method를 이용한 접촉 저항 측정 34
• 2.8.5 태양전지의 변환 효율 측정 및 분석 36
• 제 3장. 높은 면저항의 에미터와 표면 Passivation을 위한 ITO의 Local line contact 태양전지 39
• 3.1 높은 면저항의 에미터의 제작과 재결합 속도의 계산 39
• 3.2 Etch-back 공정 후 Emitter profile과 공정별 Passivation효과 41
• 3.3 ITO를 적용한 전면 Local line contact 태양전지 제작 방법 42
• 3.4 Passivation area에 따른 Carrier lifetime의 변화 45
• 3.5 Local line contact 태양전지의 특성 평가 48
• 제 4장. 3-D 입체구조의 투명전극을 가지는 결정질 실리콘 태양전지 51
• 4.1 FDTD 시뮬레이션을 통한 입사광의 거동 분석 51
• 4.2 3-D 입체구조의 투명전극 제작 및 실험 방법 52
• 4.3 3-D 입체구조의 투명전극을 가지는 태양전지 특성 평가 56
• 제 5장. 결론 59
• 참고문헌 62
• abstract 68