Zinc oxide (ZnO) as a transparent conducting oxide (TCO) for thin film solar cells has been intensively investigated in recent years because it has low fabrication cost, high scattering characteristic and low fabrication temperature. In amorphous silicon (a-Si:H) pin-type solar cells, p-type amorphous silicon carbide (p-a-SiC:H) is most commonly used as a window layer. It results in higher open circuit voltage (Voc) and short circuit current density (Jsc), having a wide optical band-gap (Eg) of ~2.0 eV. However, in a ZnO/p-a-SiC:H/intrinsic a-Si:H(i-a-Si:H)/n-type a-Si:H(n-a-Si:H) structure solar cell, the contact problem between the p-a-SiC:H and ZnO has been reported. As a result, the fill factor (FF) of the cell becomes lower, thus resulting in cell performance deterioration. To overcome this problem, a microcrystalline silicon (μc-Si:H) layer is introduced in the p-a-SiC:H/ZnO interface. This thin μc-Si:H layer decreases the depletion region adjacent to the p-a-SiC:H or the Schottky barrier height existing at the TCO/p-a-SiC:H interface. However, μc-Si:H layer is sensitive to substrate properties such as morphology or kinds of substrate. Therefore, optimization of μc-Si:H is difficult.
In this thesis, new buffer layer for ZnO/p-a-SiC:H interface was studied. Amorphous tungsten oxide (a-WO3) was introduced to ZnO/p-a-SiC:H interface.
First, ZnO TCO film was fabricated by radio frequency magnetron sputtering system. Optimum deposition conditions for ZnO TCO film were studied. Deposition pressure of 2.3 mTorr, substrate temperature of 200 °C and thickness of 800 nm was optimal condition. Also, optimal wet-etching time in 0.5% HCl solution was 30 sec. ZnO film obtained from optimal condition has sheet resistance < 10 ohm/?? and resistivity < 1 Χ 10-3 ohm??cm. Smooth U-shape surface texture was achieved in this condition. Root mean square roughness was 66 nm and this value is higher than that of SnO2 (ASAHI-U) substrate. Total transmittance of ZnO film showed poor value than SnO2 in the range of 900 ?? 1200 nm. However, ZnO film showed better scattering properties than SnO2.
Next, new buffer layer was introduced to ZnO/p-a-SiC:H interface for superstrate-type solar cell. By inserting an a-WO3 layer, Voc and FF are enhanced without Jsc reduction. Series resistance extracted from dark current ?? voltage characteristics showed that the a-WO3 insertion reduced series resistance. It is anticipated that hydrogen plasma during p-a-SiC:H deposition is blocked by the WO3 layer.
To improve the solar cell performance more, additional hydrogen plasma treatment was carried out on the a-WO3 layer. By hydrogen plasma treatment, the dark conductivity (σd) of a-WO3 increased to ~10 S/cm which is comparable to the σd of μc-Si:H. Since the σd of inserted a-WO3 was increased, the FF of solar cell was also enhanced. Although Jsc reduction was shown slightly, comparing to the enhancement of other parameters, that reduction is negligible. By introducing a-WO3 in the p-a-SiC:H/ZnO interface and subsequent hydrogen plasma treatment (HPT) on it, the conversion efficiency was remarkably improved from 7.34 to 8.22%.
Finally, substrate-type solar cell was fabricated and a-WO3 buffer layer was inserted to ZnO/p-a-SiC:H with additional HPT. To enhance the performance of solar cell, buffer layer was introduced at the p/i interface. By inserting buffer layer, defect density was reduced and recombination at the p/i interface was decreased. As a result, Voc, Jsc and FF were improved. The optimal deposition time of the buffer layer was 3 min. The thickness of ZnO was also optimized. When the thickness of ZnO layer was 660 nm, solar cell showed the best performance. Although, when the surface of ZnO was not textured by 0.5% diluted HCl, solar cell with 500 nm thick ZnO showed better performance, the surface texture of ZnO was not formed. Considering the surface texture of solar cell, 660 nm is optimal thickness for ZnO as a front electrode. Then, a-WO3 layer was inserted to ZnO/p-a-SiC:H interface of substrate-type solar cell. As a result, conversion efficiency was increased from 6.8% to 7.0%. After surface texturing process, conversion efficiency was 7.83%.
ZnO 투명전극은 박막 실리콘 태양전지에서 널리 쓰이는 SnO2 투명전극에 비하여 높은 산란 특성을 가지고 있으며 증착 온도가 상대적으로 낮기 때문에 널리 연구되고 있다. 실제로 이를 이용하여 태양전지가 제작되고 있으며 낮은 증착 온도 때문에 최근 많이 연구되는 플렉서블(flexible) 태양전지에도 쓰이고 있다. 본 연구에서는 이러한 ZnO 투명전극이 형성된 기판 위에 p-a-SiC:H/i/n 구조의 비정질 실리콘을 바탕으로 한 태양전지를 제작할 시 태양전지의 특성이 저하되는 문제를 해결하여 에너지 변환효율을 향상시키기 위한 것이다. 이러한 문제는 ZnO 표면 위에 p-a-SiC:H막을 증착하면서 생기는 수소 플라즈마가 ZnO 표면을 변화시켜 ZnO와 p-a-SiC:H사이에 저항층을 형성시키기 때문이다. 결과적으로 태양전지의 특성 평가 항목 중 하나인 충실도 (fill factor)를 감소시키는 문제를 야기시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 미결정 실리콘 막을 ZnO/p-a-SiC:H 사이에 삽입하는 기존의 방법이 제안되었지만 미결정 실리콘막은 증착되는 기판 표면의 모양 및 종류에 영향을 받으며 불균일하게 증착되는 문제가 있다. 이는 조건 확립에 어려움을 줄 뿐만 아니라 현재 널리 연구되고 있는 기판형(substrate-type) 태양전지에 적용될 수 없다는 문제점을 야기시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 비정질 산화 텅스텐 막을 ZnO/p-a-SiC:H 사이에 삽입하고 그 막을 수소 플라즈마 처리하는 새로운 방법을 제안하였으며, 태양전지를 실제로 제작하여 그 특성을 측정 평가하였다.
우선 RF-magnetron sputtering법을 이용하여 투명한 유리 기판 위에 ZnO 투명전극을 증착하여 그 특성을 확인해보았다. Sputtering을 통해서 얻어지는 ZnO 박막의 경우 0,5%로 희석된 HCl 용액에 식각함으로써 표면 요철이 얻어진다. ZnO 박막의 전기적 특성 및 표면 요철 형성을 고려했을 때, 공정 압력 2.3mTorr에서 제작된 500 nm 이상의 박막이 투명전극으로써 적합하며 전기적인 특성은 면저항이 5 ohm/square, 비저항이 ~ 5 ?? 10-4 ohm??cm이었으며, 표면 요철을 나타내는 RMS (Root Mean Square) roughness는 ~65 nm이었다. 그리고 투명전극의 산란특성을 나타내는 haze ratio는 600 nm 파장의 빛에 대하여 0.3이었다. 이는 SnO2 투명전극의 0.08에 비하면 확실히 높다.
다음으로는 비정질 산화 텅스텐막(amorphous WO3, a-WO3)을 ZnO/p-a-SiC:H 계면에 삽입시켜 태양전지의 특성 향상을 확인하였다. 본 연구에 사용된 산화 텅스텐 막은 넓은 밴드갭(3.35 eV)을 갖기 때문에 단파장 영역의 빛의 흡수손실이 적다. 그렇기 때문에 다소 두껍게 증착이 된다고 할지라도 태양전지 효율이 급격하게 떨어지지 않는다. 이는 공정 조건을 확립함이 좀 더 쉽다는 것을 의미한다. 또한, 산화 텅스텐 막은 증발(evaporation)법으로 증착하기 때문에 박막의 증착이 매우 쉬우며 기판의 종류와 상관없이 막이 증착되게 된다.
산화 텅스텐막을 상판형(superstrate-type) 태양전지의 ZnO/p-a-SiC:H 계면에 적용시켰을 때 7.3%에서 7.9%로의 태양전지 효율 향상을 확인할 수 있었다. 이는 p-a-SiC:H 막이 증착되면서 생기는 수소 플라즈마의 영향을 산화 텅스텐막이 막아주었기 때문이다. 또한 산화 텅스텐막의 경우, 일함수(work function)이 ZnO막에 비하여 높기 때문(a-WO3: 4.9 eV, ZnO: 4.5 eV)에 ZnO와 p-a-SiC:H 사이의 일함수 차이를 완화시켜 주는 역할도 해준다. 이러한 이유로 태양전지 특성이 향상되었다. 또한 산화 텅스텐막의 경우 수소 플라즈마에 의해서 환원되는 특성을 가지고 있기 때문에 수소 플라즈마 처리를 해줌으로써 산화 텅스텐막의 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 이러한 특성을 적용시킨 결과 태양전지 효율을 더욱 증가시킬 수 있었다. ZnO 투명전극에 수소 플라즈마 처리를 해주었을 경우 태양전지의 특성이 저하되었지만 산화 텅스텐막이 증착된 ZnO 투명전극의 경우 수소 플라즈마 처리를 해줌으로써 더욱 태양전지의 특성이 향상되었다. 수소 플라즈마 처리를 통해서 태양전지의 변환효율이 7.9%에서 8.2%로 향상되었다. 결과적으로 산화 텅스텐 막을 적용하고 추가적으로 수소 플라즈마 처리를 해 준 결과 7.3%에서 8.2%로 특성 향상이 나타났다.
마지막으로 기판형 태양전지 제작 조건을 확립하고 기판형 태양전지 구조에서 ZnO/p-a-SiC:H 계면에 산화 텅스텐 막을 적용시켰다. 기판형 태양전지를 제작함에 있어서 p/i 계면에 수소 희석된 실리콘막을 삽입해줌으로써 태양전지의 특성을 향상 시킬 수 있었다. ZnO전면전극을 적용함에 있어서 표면 요철 형성을 고려하며 660 nm 두께의 ZnO 막이 적합함을 확인할 수 있었다. 그리고 이러한 기판형 구조에 산화 텅스텐 막과 수소 플라즈마를 적용시켰을 때 태양전지의 특성이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 이는 미결정막과는 다르게 산화 텅스텐막이 기판형 태양전지에서도 ZnO/p-a-SiC:H 계면에 완충층(buffer layer)으로써 태양전지 특성을 향상시키는 역할을 해준다는 것을 의미한다. 이러한 결과가 나타나는 이유는 산화 텅스텐막이 미결정 실리콘 막과는 다르게 증착되는 표면의 특성에 영향을 받지 않기 때문이다.
위의 결과들을 통해서 상판형 구조 태양전지에서 산화 텅스텐막은 기존의 미결정 실리콘 완충층보다 더 효과적인 ZnO/p-a-SiC:H 계면 완충층 역할을 해준다는 것을 알 수 있었다. 또한 미결정 실리콘 완충층과는 다르게 기판형 태양전지 구조에도 적용될 수 있으며 이러한 구조에서도 태양전지 특성을 향상시킴을 확인할 수 있었다.
