The purpose of this work is to develop thin film silicon solar cell with molybdenum oxide (MoO3) film as a window layer. In order to achieve this object, MoO3 film was developed and solar cell was fabricated by using that film. Using the MoO3 film as a window layer is a new approach to make amorphous silicon based thin film solar cell. MoO3 film have some advantages compared to conventional amorphous silicon (a-Si:H) solar cell with p type hydrogenated amorphous silicon carbide (p-a-SiC:H) as a window layer.
Firstly, the optical band gap of the MoO3 film (3.15 eV) is wider than that of the p-a-SiC:H film (2.0 eV). This wide optical band gap property is very useful for a window layer of a-Si:H solar cells as it provides higher transparency, which leads to enhancement of the short circuit current density (JSC) due to reduced absorption losses in the window layer. Consequently, the JSC of the MoO3 solar cell is improved than that of the p-a-SiC:H solar cell. This improvement of JSC is mainly attributed to the enhancement of quantum efficiency (QE) in the short wavelength region due to the wide band gap property of MoO3 film which is confirmed by the QE spectra. An enhanced QE in the short wavelength spectra is very useful for tandem solar cells, because the thickness of the top a-Si:H solar cell where light degradation is occurred can be reduced. Thus, stabilized efficiency of a tandem solar cell can be improved.
Secondly, the conductivity of the window layer determines the series resistance, and thereby affects the fill factor (FF). For the window layer, a higher conductivity results in lower series resistance and a higher FF. The conductivities of the MoO3 and p-a-SiC:H film are almost the same at the thickness of 150 nm. However, as the p-a-SiC:H thickness is decreased from 150 nm to 10 nm, conductivity is dramatically reduced by a factor of ~103. The conductivity of the MoO3 film, on the other hand, is less affected by its thickness. This also is indicative of the MoO3 film’s potential as a window layer, because the thickness of the window layer in actual devices is generally about 10 nm. In the solar cell, The FF of the MoO3 solar cell (0.709) is also higher than that of the p-a-SiC:H solar cell (0.680). The improvement in the FF is attributed to reduced series resistance. The series resistances obtained from dark current density-voltage are 2.42 Ω??cm (MoO3 solar cell) and 3.14 Ω??cm (p-a-SiC:H solar cell). The improvement of the dark conductivity of the window layer leads to reduced series resistance and an enhanced FF.
Thirdly, the deposition method and condition of the MoO3 film is very simple. In general, the fabrication of the p-a-SiC:H film was performed using many gases such as SiH4, C2H4, and H2. To obtain the optimum condition, we have mixed the proper proportions of these gases. Moreover, we have considered the process pressure, the substrate temperature, total flow rate, substrate dependence, plasma power and so on. The performance of the p-a-SiC:H film is dependent in all these things. On the other hands, the characteristics of the thermal evaporated MoO3 film are seldom changed, but the oxygen content in the MoO3 film change the work function of the MoO3 film so that the performance of the MoO3 solar cell is varied. The change of the work function leads to the change of the Open circuit voltage (VOC) because The VOC is mainly determined by the built-in potential imposed by the doped layers, that is, the work function difference between the p- and n- layers. In this paper, the VOC is decreased from 0.860V (p-a-SiC:H solar cell) to 0.803V (MoO3 solar cell) at the best efficiency, because the work function of the MoO3 (5.35 eV) film is lower than that of the p-a-SiC:H film (5.46 eV). However, we expect that there remains room for improvement of the conversion efficiency in the MoO3 solar cell using a MoO3 film without air exposure, because the MoO3 film in our study shows a lower work function than that of other groups.
In summary, we have employed a MoO3 film instead of a p-a-SiC:H film for the window layer within a-Si:H solar cell, and the MoO3 solar cell exhibited higher FF and larger JSC. As a result, improved conversion efficiency was observed compared to the conventional a-Si:H solar cell (5.97 % → 6.21 %).
본 논문은 비정질 실리콘 박막 태양전지의 창층에 관한 연구이다. 일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지의 창층으로는 p형 비정질 실리콘 카바이드 막이 사용되는데 이는 기존에 창층으로 사용되던 p형 비정질 실리콘에 비해서 광학적 밴드갭이 크기 때문에 창층에서의 광 흡수에 의한 손실을 줄이고 전류를 증가시킬 수 있어 널리 사용되어 왔다. 이러한 맥락에서 p형 비정질 실리콘 카바이드보다 더 큰 광학적 밴드갭을 가지는 물질을 태양전지의 창층으로 적용할 수 있다면 태양전지의 전류 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 광학적 밴드갭이 큰 산화 몰리브덴 막에 대해서 연구하고 그 막을 비정질 실리콘 박막 태양전지의 창층으로 적용해 보았다. 그 결과 다음과 같은 장점을 얻을 수 있었다.
첫째, 산화 몰리브덴 막은 p형 비정질 실리콘 카바이드에 비해 광학적 밴드갭이 크기 때문에 태양전지의 창층으로 적용했을 때 단락전류가 증가하였다. 이는 창층의 광학적 밴드갭이 클수록 창층에서의 불필요한 광흡수를 줄여 발전층으로의 광투과도를 증가시키고 발전층에서 보다 많은 전자를 생성하게 하여 태양전지의 전류를 증가시키게 된다. 이러한 증가는 단파장에서 양자 효율이 향상하는 것으로도 확인해 볼 수 있었다.
둘째, 실제 태양전지 창층 두께인 10 nm의 얇은 두께에서 산화 몰리브덴 막은 p형 비정질 실리콘 카바이드에 비해서 전기적 전도도가 우수하였다. 100 nm 이상의 두꺼운 막에서는 비슷한 전기전도도를 보였으나, 그 두께가 얇아지면서 p형 비정질 실리콘 카바이드는 점점 감소한 반면에 산화 몰리브덴 막은 거의 일정하게 유지하였다. 산화 몰리브덴 막의 우수한 전기전도도 특성은 태양전지에서 직렬저항 값을 줄일 수 있었고, 이에 충실도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
셋째, 산화 몰리브덴 막은 열 증발법으로 증착하기 때문에 제막이 쉽고 경사증착이 가능하다. 본 연구실에서는 경사 증착 기술을 접목하여 레이저 스크라이빙을 사용하지 않는 새로운 집적화 기술을 고안하였고, 이를 개발하고 있다. 기존의 p형 비정질 실리콘 카바이드는 경사증착이 가능하지 않기 때문에 새롭게 고안한 집적화 기술에 적용이 불가능하지만 산화 몰리브덴 막을 사용하면 적용이 가능해진다.
하지만 산화 몰리브덴 막을 창층으로 적용한 태양전지는 다른 산화금속(p형 비정질 실리콘 카바이드에 비해 큰 밴드갭을 가지는)인 산화 주석이나 산화 텅스텐을 사용한 태양전지에 비해 개방 전압이 높으나 p형 비정질 실리콘 카바이드를 적용한 태양전지의 개방 전압보다는 낮은 단점을 가지고 있다. 개방전압은 창층과 n층의 일함수 차이에 의해서 형성되는 내부 전위장벽과 비례관계에 있다. 그러므로 산화 주석이나 산화 텅스텐보다 큰 일함수를 가지는 산화 몰리브덴은 태양전지의 창층으로 적용했을 때 큰 개방전압을 가지게 되지만, p형 비정질 실리콘 카바이드에 비해서는 작은 일함수를 가지기 때문에 개방전압이 감소하게 된다.
결국, 산화 몰리브덴 막을 p형 비정질 실리콘 카바이드 대신에 비정질 실리콘 태양전지의 창층으로 적용하면 개방전압이 감소하지만 단락전류와 충실도가 증가하여 그 효율이 5.97 %에서 6.21 %로 증가하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 창층으로 적용된 산화 몰리브덴 막은 비정질 실리콘 박막 태양전지 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하였다. 앞으로 산화 몰리브덴 막은 적층형 박막 태양전지와 새로운 집적화 기술을 적용한 모듈에 응용되어 보다 우수한 효율을 가지는 태양전지를 만들 수 있을 것으로 기대된다.
