In this thesis, fabrication and performance improvement of p/i/n type a-Si: H based solar cells using photo-CVD method were investigated.
Firstly, characteristics of amorphous and microcrystalline silicon based material such as intrinsic a-Si:H, boron-doped a-SiC:H, intrinsic and p-,n-doped mc-Si:H prepared by photo-CVD method were investigated. It was shown that the obtained films are high quality films to fabricate high performance a-Si:H based solar cells. Then, TCO/p/i/n/metal type a-Si:H solar cells were fabricated using those high quality films. Various new techniques such as post hydrogen treatment on boron doped a-SiC:H p-layer,TCO/p-a-SiC:H/p-μc-Si:H double p-layer configuration, and hydrogen content grading at p/i interface were proposed for the improvement of cell performance as follows.
The post hydrogen treatment on boron-doped a-SiC:H film widely used as a p- layer of p/i/n type a-Si:H based solar cells were proposed to improve the film quality. By measuring the thickness, electrical, structural and optical properties of the films before and after hydrogen treatment, it was found that the boron-doped a-SiC:H film was simultaneously etched and passivated by the treatment. The performance of the cell with the hydrogen treated p-layer was improved by ~7% due to an increase in $V_oc$ and F.F. compared to that of the untreated cell, although the p-layer thickness was nearly identical in both cases. The increase in $V_oc$ and F.F. could be explained by an increase in the built-in potential due to a decrease in the film activation energy. This electrical property improvement was well explained by the passivation effect of a $SiH_oc$/SiH ratio decrease and a hydrogen content increase of the film calculated by FTIR spectra. These film changes by post hydrogen treatment were considered to occur in the bulk of the boron-doped a-SiC:H film.
The TCO/p-a-SiC:H/p-μc-Si:H double p-layer configuration for a-Si:H based solar cells was proposed as a method to prevent the TCO film quality degradation caused by dense hydrogen radicals during the μc-Si:H growth, instead of the conventional $SnO_2$/p-μc-Si(C):H/a-SiC:H or $SnO_2$/ ZnO/p-μc-Si(C):H/a-SiC:H buffer configuration. The cell characteristics such as $V_oc$, F.F. and $J_sc$ were all improved by the double p-layer configuration. It was considered that the built-in potential of the cell was increased due to the highly conductive p-type μc-Si:H layer, resulting in the improvement of $V_oc$ and F.F.. The increase in $J_sc$ was due to the improvement of collection efficiency in the short wavelength region and this improvement was considered to be occurred because the wide bandgap p- μc-Si:H layer diminished electron back diffusion to the SiC:H p-layer. Without using any back reflector such as Ag/Al or ZnO/Ag/Al and buffer layer between the p-type μc-Si:H and intrinsic a-Si:H, fairly high efficiency of 10.1 % in AM 1.5, 100 mW/㎠ irradiation was obtained for the cell with a $SnO_2$/p-a-SiC:H(100Å)/p-μc-Si:H(70Å) double p-layer configuration. By using both post hydrogen treatment and ZnO(0.1㎛)/Al back reflector with the double p-layer configuration, the conversion efficiency of 10.86% was obtained.
The hydrogen content graded layer was proposed as a buffer layer at p/i interface of p/i/n type a-Si:H solar cell instead of conventional widely used carbon content graded bandgap buffer layer. For the case of 100Å-thick a-SiC:H p-layer, 227-second hydrogen content graded buffer layer deposition time in our experimental conditions, highly improved cell performance of $V_oc$=0.893V, $J_sc$=15.8mA/㎠, F.F.=0.727 and 10.27% conversion efficiency was obtained as compared to the performance of $V_oc$=0.848V, $J_sc$=15.4mA/㎠,F.F.=0.708 and 9.3% conversion efficiency without hydrogen content graded buffer layer. Similarly with the previous double p-layer configuration, it was considered that the improvement of $V_oc$ and F.F. was due to an increase in built-in potential of the cell by the hydrogen content graded layer. The increase in $J_sc$ was due to the improvement of collection efficiency in the short wavelength region. By some optimization of i- and n-layer thickness and using the 0.1 μ ZnO back reflector, the maximum conversion efficiency of 11.05% was obtained. This hydrogen content graded buffer layer at p/i interface of a- Si:H solar cell is expected to be useful for the cells which have boron-doped mc-Si:H as a p-layer because gas change between $H_2$ and carbon hydride such as $C_2H_2$ and $C_2H_4$ is unnecessary for a graded bandgap buffer layer deposition in this method.
본 논문에서는 광-CVD법을 이용한 p/i/n 형 비정질 실리콘 태양전지의 제작 및 특성향상에 관하여 연구하였다.
먼저, 광-CVD법으로 무첨가 진성 비정질 실리콘, 붕소 도핑된 비정질 실리콘 카바이드, 그리고, 진성 및 p 또는 n 형으로 도핑된 미결정 실리콘 박막을 제작하고 그 특성을 살펴보았다. 그 결과, 고성능의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하는데 필요한 고품질의 박막이 얻어짐을 알 수 있었다. 다음으로, 그러한 고품질의 박막을 사용하여 TCO/p/i/n/금속 구조의 비정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 그리고, 제작된 태양전지의 특성을 향상시키기 위하여 붕소 도핑된 비정질 실리콘 카바이드 p층에 대한 수소처리, TCO/p-a-SiC:H/p-μc-Si:H 이중 p층 구조, 그리고, p/i 계면에서의 수소 농도 변화에 의한 완충층 등의 새로운 방법이 다음과 같이 제안되었다.
붕소 도핑된 비정질 실리콘 카바이드 박막에 대한 수은 증감 광-CVD법을 이용한 수소처리는 p/i/n형 비정질 실리콘 태양전지의 p층으로 광범위하게 이용되는 이 박막의 특성을 보다 향상시키기 위하여 제안되었다. 먼저, 수소처리 전후의 박막의 두께 및 전기적, 구조적, 광학적 특성을 조사함으로써 붕소 도핑된 비정질 실리콘 카바이드 박막은 수소처리에 의하여 식각되며 동시에 passivation 됨을 밝혔다. 그리고, 이 수소처리 방법을 태양전지 제작에 적용한 결과, 수소처리를 행하지 않은 태양전지와 비교하여 p층의 두께가 같음에도 불구하고, 개방전압 및 충실도의 향상에 의하여 7% 가량 향상된 효율이 얻어졌다. 이러한 개방전압 및 충실도의 향상은 박막의 활성화 에너지 감소에 의한 내부전계 증가에 의하여 설명될 수 있었다. 이러한 전기적 특성의 향상은 FTIR 분광특성으로부터 계산된 $SiH_2$/SiH 비의 감소와 박막내 수소농도 증가라는 passivation 효과로부터 잘 설명되었다. 수소처리 효과에 의한 박막의 변화는 비정질 실리콘 카바이드 박막 전체에서 일어난 것으로 여겨진다.
TCO/p-a-SiC:H/p-μc-Si:H 이중 p층 구조는 기존의 $SnO_2$/p-μc-Si(C):H/a-SiC:H 또는 $SnO_2$/ZnO/p-μc-Si(C):H/a-SiC:H 완충층 구조에 비해 미결정 실리콘 박막을 증착하는 도중 고밀도의 수소 활성화기에 의하여 TCO 박막이 손상되는 것을 방지하는데 유리한 방법으로서 제안되었다. 이러한 이중 p층 구조를 사용할 경우, 태양전지의 개방전압, 충실도, 그리고, 단락전류가 모두 향상되었다. 개방전압 및 충실도는 p형 미결정 실리콘 박막의 높은 전기전도도에 의하여 태양전지의 내부전계가 상승하였기 때문이라고 여겨진다. 단락전류의 상승은 단파장 수집효율의 증가에 기인하고, 이러한 수집효율의 증가는 p형 미결정 실리콘 박막이 bandgap이 크므로, 전자의 비정질 실리콘 카바이드로의 역확산을 방지하기 때문이라고 할 수 있다. $SnO_2$/p-a-SiC:H(100Å)/p-μc-Si:H(70Å)의 이중 p층 구조를 사용하였을 경우, 후면 반사막 구조나 p형 미결정 실리콘과 진성 비정질 실리콘 사이에 완충층을 사용하지 않아도, AM1.5, 100 mW㎠ 의 빛 조사시 10.1%의 상당히 높은 효율을 얻을 수 있었다. 이러한 이중 p층 구조에 앞서의 수소처리를 행하고, ZnO(0.1㎛)/Al 후면 반사막을 사용하였을 경우 10.86%의 보다 향상된 효율이 얻어졌다.
수소농도 grading에 의한 p/i/n형 비정질 실리콘 태양전지의 p/i 계면에서의 완충층은 기존의 광범위하게 사용되는 탄소 농도 감소에 의한 graded andgap 완충층 대신에 새롭게 제안되었다. 0.848 V의 개방전압, 15.4mA㎠의 단락전류, 0.708의 충실도, 그리고, 9.3%의 효율을 나타내는 완충층을 사용하지 않았을 때의 태양전지 특성과 비교하여, 100Å 두께의 비정질 실리콘 카바이드와 제시된 실험조건에서 227초 증착한 수소 농도 graded 완충층을 사용함으로써 0.893V의 개방전압, 15.8mA㎠의 단락전류, 0.727의 충실도, 그리고,10.27%의 효율을 나타내는 매우 향상된 태양전지특성이 얻어졌다. 앞서의 이중 p층 구조와 유사하게 개방전압 및 충실도의 향상은 수소 농도 graded 완충층에 의한 태양전지 내부전계의 증가에 기인한 것이라고 생각된다. 단락전류의 향상은 단파장 영역에서 수집효율이 증가하였기 때문이다. i층과 n층의 두께를 어느 정도 최적화하고,0.1㎛의 ZnO 후면 반사막을 사용할 때, 11.05%의 최고 효율이 얻어졌다. 이러한 수소농도 grading에 의한 완충층은, 붕소 도핑된 p형 미결정 실리콘박막을 p층으로 가지는 태양전지의 제작에서 graded bandgap 완충층을 증착할 때 기존과 같이 수소 $(H_2)$와 아세틸렌 $(C_2H_2)$ 또는 에틸렌$(C_2H_4)$과 같은 탄소 수소화물 사이의 가스 변환이 불필요하므로, 매우 유리한 방법이 될 것으로 기대된다.
위에서 언급한 바와 같이, p/i/n형 비정질 실리콘 태양전지 특성은 본 논문에서 제시된 여러가지 새로운 방법들에 의하여 향상된다. 그러나, 이러한 새로운 방법들이 태양전지 제작에 있어 동시에 사용되고, 장파장 영역에서 반사율이 ZnO /Al 후면 반사막에 비해 높은 ZnO/Ag/Al 후면 반사막을 사용하며, i층 조건을 좀더 최적화 한다면 보다 고효율의 비정질 실리콘 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
