Highly conductive boron-doped nanocrystalline silicon-carbide (p-nc-SiC:H) films were successfully prepared by the mercury-sensitized photo-CVD using ethylene gas as a carbon source. A dark conductivity as high as $5×10^{-1} S/cm^{-1}$, together with an $E_{04}$ bandgap of 2.1 eV, was obtained. From TEM image and Raman spectrum, it is considered that this nanocrystalline film consists of ~ 10 nm-sized crystalline silicon grains embedded in amorphous silicon-carbide matrix. Considering the low $H_{2}$ dilution ratio of 15 ~ 30, this high conductivity shows the possibility of producing higher quality p-nc-SiC:H thin films with this method.
Each effect of the film thickness, hydrogen dilution, ethylene addition, boron doping, substrate temperature variation, and mercury bath temperature variation on the formation of nc-SiC:H films was investigated by inspecting the electrical, optical, and structural properties. By virtue of these efforts, we found that the hydrogen, carbon, and boron atoms introduced to the growing surface play important roles on the film properties, respectively. Hydrogen atoms introduced to the growing surface improve the crystallinity of the SiC:H films. High carbon and/or boron content suppress the nucleation of nanocrystallites.
The electronic study on the nc-SiC:H films was performed for the first time: The paramagnetic spin density is directly proportion to the crystallinity due to surface-related DB states under the constant carbon content. However, the effect of C-DB states surpass that of surface-related DB states with the carbon content variation.
Also, it was found that two temperature parameters, the substrate temperature and mercury bath temperature, influence strongly the characteristics of the films. It was found that the surface diffusion of precursors, which contributes to the nanocrystalline growth, depends considerably upon the substrate temperature. A considerable high quality nanocrystalline growth at 120℃ suggests a low temperature fabrication of a-Si:H based solar cells onto low-cost flexible plastic substrates. Adjusting the mercury bath temperature, the deposition rate can be improved without any severe decrease in the dark conductivity.
We proposed a novel constant bandgap p-nc-SiC:H buffer for amorphous silicon based pin-type solar cell. The employment of a lightly boron-doped (~ 1000 ppm) p-nc-SiC:H buffer layer with a high $σ_D$, low defect density and low absorption reduces successfully the recombination in the buffer layer and at the p/buffer/i interfaces, resulting in a good buffering effect of improving $V_{oc}$ and $J_{sc}$ values.
We optimized a p-a-SiC:H/p-nc-SiC:H double p-layer structure to achieve high performances for a-Si:H based solar cells. As a result, we could achieve the 11.2 % initial-efficiency for conventional a-Si:H solar cell and 10.4% for alternately hydrogen diluted a-Si:H multilayer solar cell without using any back reflector. Since the a-Si:H multilayer solar cell shows the excellent light-soaked behavior, a 8.98% stabilized-efficiency (degradation ratio: 13.4%) is obtained.
에틸렌 가스를 탄소원료로 사용하여 수은증감 광화학기상증착법 (photo-CVD)으로 수소화된 붕소 첨가 나노결정 실리콘카바이드 (p-nc-SiC:H) 박막 제작을 세계 최초로 시도하여 암 전도도 0.5 S/cm 및 광학적 밴드갭 2.1 eV 정도의 양질의 박막을 증착하는데 성공하였다.
주사전자 현미경 사진 및 라만 스펙트럼 분석을 통하여 비정질 실리콘카바이드 (p-a-SiC:H) 조직 안에 실리콘 나노 결정들이 박혀 있는 구조임이 밝혀졌다.
박막 두께, 붕소 도핑, 수소 희석, 탄소 함량, 기판 온도, 수은조 온도 등의 다양한 증착 요인들이 나노 결정 실리콘카바이드 성장에 미치는 영향을 전기적 광학적 구조적인 특성 관찰을 통하여 체계적으로 분석하였다. 이를 통해, 수소 희석은 나노 결정 성장을 증대하고 붕소 불순물이나 탄소는 나노 결정 성장을 억제한다는 것을 알았다.
기존에는 나노 결정 실리콘카바이드 물질에 대한 ESR 분석이 없었기 때문에 이 물질에 대한 체계적인 ESR 분석을 최초로 시도하였다. Si-DB 및 C-DB 뿐만 아니라, 결정성이 향상되면서 형성되는 요철이 심한 표면에서 나노 결정을 둘러싼 경계에서의 결함 밀도가 전체 DB 결함 밀도에 영향을 미치는 중요한 요인임을 알게 되었다.
이를 바탕으로 비정질 실리콘 태양전지의 비정질 실리콘 카바이드 광층 (window layer)과 진성 비정질 실리콘 (i-a-Si:H) 흡수층 사이에 p형 나노 결정 실리콘카바이드 박막을 완충층 (buffer layer)으로 삽입하여 p/i 계면에서의 구조적인 미스매치를 줄임으로써 재결합 손실을 효과적으로 줄일 수 있었다. 단락전류와 개방전압의 상승으로 인하여 효율이 2% 이상 향상되었다. 특히, 주파수 400nm에서 0.7 이상의 우수한 수집효율을 나타내었다. P층 구조를 최적화하여 초기 효율 11.2%의 고 효율 태양전지를 제작하였고, ZnO/Ag 후면 반사 구조를 적용한다면 12.5% 이상의 초기 효율이 예상된다.
또한, 주기적으로 수소 희석한 비정질 실리콘 다층막 태양전지의 완충층으로 사용하여 안정화 효율 향상을 도모하였다. 그 결과, 초기 효율 10.4%, 안정화 효율 8.98% (1-sun, 10시간)의 특성을 얻었다. 다층막 태양전지의 단점인 장파장 수집효율을 향상시키기 위해 ZnO/Ag 후면 반사 구조를 적용한다면 단일 접합 비정질 실리콘을 바탕으로 한 태양전지의 세계 최고 안정화 효율인 9.2 %을 능가하는 우수한 결과가 기대된다.
한편, 비정질 실리콘을 바탕으로 한 태양전지의 p/i 계면을 개선하기 위하여 Ar 분위기에서의 비정질 실리콘 카바이드 광층에 대한 in situ UV 처리를 새롭게 시도하였다. 이를 통해, 광층 두께를 그대로 유지하면서 개방전압과 충실도의 향상을 통해 효율을 1.3 % 정도 향상 시켰다.
