In this thesis, the degradation and the thermal annealing behaviors of amorphous silicon (a-Si:H)-based solar cells incorporating stable $H_2-diluted$ i-a-Si:H films as well as the film characteristics and light-soaking behaviors of $H_2-diluted$ i-a-Si:H deposited at several hydrogen dilution ratios $(R = [H_2]/[SiH_4])$, were investigated. The stability of the protocrystalline silicon (pc-Si:H) and the newly observed instability of the silicon films deposited at the onset of the microcrystalline regime were reported, and a reason for the instability was suggested.
Firstly, the characteristics and the light-soaking behaviors of $H_2-diluted$ a-Si:H films prepared at several R values, were investigated. From the investigation, just before the onset of the microcrystalline regime, we found a moderate R = 1.5 where the very stable pc-Si:H was formed. However, for the films deposited at the onset of the microcrystalline regime (R = 2, 2.5), the films were less stable compared with the pc-Si:H (R = 1.5) in spite of the 3 facts: the microcrystallized films have i) more blue-shifted amorphous TO phonon bands in Raman spectrum; ii) microcrystallites; and iii) lower broadening parameters (C), which were suggested as the empirical evidences for the stability of intermediate material between a-Si:H and μc-Si:H. In contrast with these 3 facts, the amplitude parameter A was strongly correlated with the stability of all the H2-diluted silicon films. The film with the highest A, considered as the most dense film, was deposited at R = 1.5, namely the protocrystalline condition, and it exhibited the highest stability. At the onset of the microcrystalline regime where the parameter A decreased, the clustered Si-H bonds were observed. The fact that such bonds enhanced the light-induced degradation supported the instability of the onset regime and the correlation between the parameter A and the stability of the films.
Also, the light-soaking behaviors and the thermal annealing kinetics of a-Si:H-based solar cells incorporating the H2-diluted a-Si:H films as i-layers deposited at several R values, were investigated. From the investigation of the light-soaking behaviors, it was confirmed not only that the pc-Si:H was most stable against light soaking, but also that the film deposited at the onset of the microcrystalline regime, which were known to have the most competent device quality and stability, was less stable. On the other hand, from the TEM micrographs, the homogeneous amorphous phase of R = 1.5 (pc-Si:H) and the mixed phase (a-Si:H + μc-Si:H) of R = 2.5 positioned at the onset regime, were confirmed. From the low thermal annealing activation energy of the solar cell incorporating the film deposited at the onset regime as an i-layer, it was concluded that charged dangling bonds defects caused by the inhomogeneous microstructure of the onset of the microcrystalline regime, was one of reasons for the instability at the onset regime.
Additionally, by using the two step illumination, that is, light-induced annealing under 1-sun illumination after fast degradation under 4-sun light illumination for 6 hours, the 1-sun stabilized efficiencies (1-sun stabilized Eff) of the solar cells incorporating the H2-diluted a-Si:H i-layers, could be obtained within only about 20 hours. The solar cell with 8.17 % 1-sun stabilized Eff, and 9.02 % degradation rate by using the pc-Si:H film as an i-layer, was obtained. Also, the solar cells showed the fastest thermal annealing speed.
본 연구에서는 여러 수소 희석비 $(R = [H_2] / [SiH_4])$ 에서 제작된 비정질 실리콘 박막 (a-Si:H)의 특성 및 빛 조사 시 열화 특성을 조사하였고, 이 박막을 빛 흡수층으로 하는 태양전지의 열화 후 열처리 및 열화 특성을 조사하였다. 본 연구를 통해 프로토크리스털 실리콘 (pc-Si:H)의 빛에 대한 안정성을 확인할 수 있었고, 안정하다고 여겨지던 비정실 실리콘에서 미결정 실리콘 (μc-Si:H)으로의 상변화 영역에서 보다 불안정한 새로운 현상을 관찰하였고, 이 새로운 현상의 근거를 제시할 수 있었다.
1 장에서는 본 연구의 동기와 a-Si:H과 관련된 기본적인 물리현상을 살펴 보았고, 2 장에서는 본 연구에 사용된 광화학 기상 증착법 (photo-CVD)을 소개하였다.
3 장에서는 여러 수소 희석비에서 제작된 수소 희석된 a-Si:H 박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성 및 열화현상 살펴 보았다. 수소 희석비 2, 2.5가 상변화 영역에 위치함을 여러 측정을 통해 확인 했고, 이 상변화 영역 직전의 수소 희석비 1.5에서 안정한 pc-Si:H이 형성되었다.
수소 희석비 2와 2.5에서 증착된 수소 희석된 a-Si:H 박막들은 상변화 영역에 위치하므로 매우 안정하다고 알려져 있고, 빛 조사에 대한 안정성의 실험적 증거들인 1) 미세결정 실리콘 입자 (microcrystallite)의 함유, 2) 유전함수 스펙트럼의 매개 변수 C (broadening parameter C)의 감소, 3) 라만 스펙트럼의 비정질 실리콘 밴드의 높은 주파수로의 이동 등을 만족함에도 pc-Si:H과 비교하여 불안정하다는 새로운 사실을 관찰하였다.
위의 3 가지 실험적 증거들과는 달리 유전함수의 크기 매개변수 A (amplitude parameter A)가 여러 수소 희석비에서 제작된 수소 희석된 실리콘 박막들의 안정성을 잘 표현하고 있었으며, 그 결과 가장 안정한 pc-Si:H 조건인 수소 희석비 1.5에서 가장 높은 A가 관찰되었다.
다른 안정성의 실험적 증거들로는 설명할 수 없는 불안정한 상변화 영역에서 A의 감소를 볼 수 있었고, 또한 이 영역에서 관찰된 포상 실리콘 수소 결합 (clustered Si-H bond)은 빛에 의한 a-Si:H의 열화를 촉진한다고 알려져 있기 때문에, 이 결합의 존재는 상변화 영역의 불안정성을 설명하며, 매개 변수 A가 박막의 안정성과의 밀접한 연관성을 지님을 확신할 수 있다.
4 장에서는 3장에서 살펴 보았던 수소 희석된 실리콘 박막들을 빛 흡수층 (i-layer, active layer, or light-absorbing layer)으로 사용한bh 비정질 실리콘 p-i-n 단일 접합 태양전지를 제작하고 이 태양전지들의 열화 및 열처리 시 회복 특성을 살펴 보았다. Pc-Si:H을 빛 흡수층으로 사용한 태양전지가 가장 안정했으며, 전기적으로나 빛 조사에 대한 안정성에 있어서 우수하다 알려진 상변화 영역의 수소 희석된 실리콘 박막을 사용한 경우는 태양전지에 있어서도 3 장의 결과처럼 불안정함을 확인하였다.
이 상변화 영역의 불균일한 상과 낮은 열처리 활성화 에너지 (Ea)를 근거로 구조적 불균일성 때문에 발생하는 양으로 대전된 결함들이 이 상변화 영역의 한 이유임을 보였다.
마지막으로, 4 suns 의 강한 빛 조사 후, 1 sun 빛에 의한 특성 회복의 2 단계로 구성된 새로운 열화 측정 방법을 이용하여 20 시간이라는 짧은 시간 만에 1 sun 빛 조사에 대한 안정화 효율을 얻을 수 있었다. pc-Si:H을 빛 흡수층으로 사용한 경우 가장 안정한 특성인 9.02 %의 열화율과 8.17 %의 안정화 효율을 지니는 태양전지를 얻었으며, 열처리 시 가장 빠른 회복 속도를 보임을 확인할 수 있었다.
