The protocrystalline silicon (pc-Si:H) multilayer solar cell is very promising owing to its fast stabilization with low degradation against light irradiation. However, the pc-Si:H multilayer have not extensively been investigated in detail on its material characteristics yet. We present the material characteristics of pc-Si:H multilayer using a transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy, Fourier transform infra (FTIR) spectroscopy, phase-modulated spectroscopic ellipsometry (SE) and quantum efficiency (QE) measurement.
A cross-sectional TEM (XTEM) micrograph shows that a pc-Si:H multilayer has a repeatedly layered structure consisting of low hydrogen-diluted $(S_L)$ and highly hydrogen-diluted $(S_H)$ sublayers. The crystalline-like objects (CLOs) embedded in a-Si:H matrix is also shown in a planar TEM image. The analysis of the Raman spectra presents that the medium-range-order (MRO) and short-range-order (SRO) of a pc-Si:H multilayer are improved. Thus, a pc-Si:H multilayer is more specific material than amorphous silicon (a-Si:H) because of its phase and structure. The peculiar material characteristics of a pc-Si:H multilayer is (1) a repeatedly layered structure, (2) an intermediated phase material, (3) the distribution of the CLO embedded in a-Si:H matrix of SH sublayer and (4) the improvement of MRO and SRO. We can also pay attention to the indirect evidence of CLO from the stretching mode at 2100 cm-1 of FTIR spectra, which is ascribed to clustered Si-H bonds at the boundary region between CLO and a-Si:H matrix. Therefore, we suggest a microstructural factor $(R^*)$ as the figure of merit (FoM) for evaluating of the pc-Si:H multilayer. To verify the suggested FoM, we performed the QE measurement of pc-Si:H multilayers with different SH sublayer deposition time $(t_{SH})$ during light illumination. We have observed the strong correlation between the light-induced degradation and the FoM.
We prepared pc-Si:H multilayer solar cells in order to investigate on the light-soaking and thermal annealing behavior. Moreover, we proposed a fixed process-pressure method to fabricate easily a pc-Si:H multilayer solar cells. The fabricated solar cells showed stable metastability against light illumination without any efficiency loss. The cell has high $V_{oc}$ value of 950 mV. Thus it is very promising candidate top cell for the $4^{th}$ generation cell. A two-step long-term light-soaking experiment at high and low intensities provided experimental evidence that defect generation and annealing in pc-Si:H multilayer solar cell are controlled by defect states of different characteristics. Although the phenomenon of a-Si:H based solar cell is already reported, the one of pc-Si:H multilayer solar cell is firstly presented. In addition, we suggested the accelerated degradation method, which consists of two steps. The first is a 4-sun light-soaking step, and the second step is 1-sun light-soaking step. In spite of slight efficiency decrease due to slow metastable defect, it is useful method for rapid prediction of the stabilized efficiency of pc-Si:H multilayer solar cell. We obtained the stabilized efficiency of 8.33%, and the degradation rate of 9.4 %.
본 연구에서는 주기적 수소희석법에 의해 제작된 프로터결정 실리콘 다층막의 특성 분석을 통해 정확한 구조 그림을 제안하였으며, 이를 바탕으로 이 물질이 지닌 우수한 저열화 특성을 설명할 수 있었다. 또한 프로터결정 실리콘 다층막의 열화 특성을 쉽게 평가할 수 있는 성능지수를 제안하였다. 박막 분석을 바탕으로 적층형 박막 실리콘 태양전지의 상층전지로 적용 가능한 저열화, 고 개방전압을 갖는 태양전지를 제작하였다. 또한 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지에서 장시간의 빛 조사시, 두 가지 형태의 열화 현상을 최초로 보고 한다. 장시간 빛 조사 실험에서의 결과를 바탕으로 열화가속법을 제시할 수 있었다.
1장에서는 박막 실리콘 태양전지의 기본적인 배경과 본 연구의 동기에 대해 개략적으로 설명하였다.
2장에서는 박막 실리콘 태양전지의 가장 큰 단점인 열화 현상을 설명하기 위한 물리적 모델에 대해 소개하였다.
3장에서는 프로터결정 실리콘 다층막 및 태양전지 제작에 사용된 광화학 기상 증착법 및 증착 장치에 대해 소개하였다.
4장에서는 주기적 수소희석법에 의해 제작된 프로터결정 실리콘 다층막의 특성 분석을 위해 전자주사현미경 (TEM), 라만 분광법, 적외선 분광법 (FTIR)과 빛조사시간에 따른 양자효율측정법 (QE)을 사용하였다. 단면 전자주사현미경 사진 사진을 통해 주기적 수소희석법에 의해 제작된 박막이 다층막 구조를 가지며, 비정질 실리콘 매트릭스 안에 수 나노미터 크기의 결정질실리콘 입자가 존재함을 보였다. 이로부터 수정, 제안된 구조 그림을 바탕을 비정질 실리콘 매트릭스에서 광-여기된 캐리어가 결정질 실리콘 입자에서 재결합하기 때문에 광-여기된 캐리어들의 비정질 실리콘 매트릭스 안에서의 비-방사성 재결합을 억제함으로서 빛에 의한 결함손 (dangling bond)을 줄일수 있어 우수한 열화 특성을 가짐을 알 수 있다. 결국 프로터결정 실리콘 다층막의 우수한 열화 특성은 주기적 수소희석법에 의해 제작된 박막의 독특한 구조, 즉 다층막 형태의 결정질 실리콘 입자가 비정질 매트릭스 안에 존재하는 다층막 구조에 때문임을 알았다. 또한, 적외선 분광법으로부터 비정질 실리콘 매트릭스 안에 존재하는 결정질 실리콘 입자를 간접적으로 확인할 수 있으며, 이 점을 이용하여 프로터결정 실리콘 다층막의 열화 특성을 쉽게 평가할 수 있는 성능지수 (Figure of merit)를 제안하고 검증했다.
5장에서는 프로터결정 실리콘 다층막을 광흡수층으로 사용한 프로터결정실리콘 다층막 태양전지가 고효율, 저열화 특성을 가짐에도 제작공정의 한계, 즉 공정압력을 고정하는 것이 아니라 자동압력조절기 (throttle valve, APC)의 각도를 고정하여 공정압력이 변화하는 단점이 있다. 이는 박막 증착시 초기상태의 불안정성을 초래하는 문제점을 해결하기 위해 공정압력고정법 (fixed process-pressure method)를 제안, 제작하였다. 4장에서의 특성 분석을 바탕으로 저열화(열화율<10%) 및 고 개방전압(Voc∼950mV)의 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지를 제작하였고, 이를 적층형 태양전지의 상층전지로 적용한다면 12% 이상의 안정화 효율의 안정한 4세대 박막 실리콘 태양전지 제작이 가능하다. 또한 90 시간의 장시간 빛 조사 실험을 통해 기존에 보고된 바 없는 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지에서의 두 가지 형태의 결함(defect)에 의한 열화특성을 알 수 있었다. 마지막으로 장시간 빛 조사 실험에서 사용된 높은 빛 조사 강도와 1-sun 빛 조사 강도 실험을 바탕으로 프로터결정 실리콘 다층막 태양전지의 안정화 효율을 빠른 시간내에 예측할 수 있는 열화가속법을 제안하였고 검증하였다. 열화가속법을 사용하면, 안정화 효율을 예측하기 위해 24시간이상 소요되는 시간을 12시간이하로 단축시킬 수 있다.
