Surface corrosion on solar cell multilayers is one of major factors that determines the lifetime of commercial solar cell. It is, therefore, important to uncover the molecular mechanism on corrosive chemical interaction between solar cell layers and external environment. We investigated the corrosive chemical interaction on solar cell multilayers with surface analysis techniques; XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), UV-Visible spectrophotometer. In detail, XPS was used to analyze composition and oxidation state of surface before and after corrosion tests. Also, In order to analyze roughness, adhesion and structure of surface, we used AFM. Lastly, UV-Vis spectrophotometer was used to compare the transmittance of samples before and after test. These surface techniques would serve as a contribution to understand of structure, chemical and mechanical properties of slide glass, anti-reflective layers.
These techniques were used to investigate corrosion mechanism of samples after three chemical treatments; acid treatment, salt spray test, and constant temperature and humidity test. First, in acid treatment test, samples were settled in 10% H2SO4 solution for 48 hours. Second, in base treatment test or ‘salt spray test’, 5% NaCl Solution was sprayed on the anti-reflective and glass samples for 21 days. Finally, in ‘Constant Temperature and Constant Humidity Test (CTCH) Test, samples has been kept in the chamber where 85% humidity, 85℃ temperature are maintained. This test would be helpful in checking durability of anti-reflective and glass samples.
We carried out the experiment to investigate the work of adhesion on samples with force-distance curve measurement of AFM. These activities would be helpful to figure out difference of samples before and after reactions more precisely. Furthermore, we investigated the etching rate of anti-reflective layer and glasses by using the cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscopy). Based on these molecular understanding on the corrosive processes, we propose the optimal surface treatment to reduce surface corrosion.
태양 전지 기술은 화석연료 자원을 대체하는 가장 영향력이 큰 기술중의 하나로 포스트 교토 시대를 이끌어 나갈 가장 큰 에너지원중의 하나이다. 그러나 이제까지 태양전지의 개발은 주로 이미 개발된 태양전지의 효율적 측면에만 초점이 집중되어 온 것이 사실이다, 따라서 최근 들어 태양전지의 효율적인 이용을 위한 내구성에 대한 관심이 고조되어 기존의 태양전지 박막 코팅 소재에 대하여 특정 환경에 대한 내구성 연구의 필요성이 고조되게 되었다.
본 연구에서는 태양전지의 박막 층과 외부 환경과의 화학적 부식반응에 대한 분자적 메커니즘을 규명하고자 하였다. 본 실험에서는 3가지의 다층 박막 태양전지 시료를 사용하였다. 또한 각각의 시료는 증착된 layer 수에 따라 각각 1AR(Anti-reflective), 2AR, 4AR layer로 명명되었다.
본 연구에서는 다층 박막 태양전지 시료에 대해 산 처리, 염기 처리, 항온항습 처리 등 세 가지의 부식 test를 실시하였다. 또한 태양전지의 부식에 따른 표면 변화를 AFM, XPS, UV-VIS와 같은 표면 분석 장비들을 통해 분석하였다.
AFM으로는 처리 전과 처리 후의 표면의 거칠기 변화 및 점착력, 그리고 나노인덴터 장비와 병행하여 기계적 물성을 분석하였다. 거칠기를 분석한 결과, 염기 처리에서 가장 큰 거칠기 변화, 산 처리에서 가장 작은 거칠기 변화가 나타났다. 더불어 점착력 측정 결과에서는 1AR이 가장 점착력이 크고, 2AR과 4AR의 경우 유사한 점착력를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이러한 거칠기 및 점착력 분석 결과는 태양전지 위에 증착된TiO2의 화학적, 기계적 특성에 기인한 것으로 여겨진다. 특히 나노인덴터를 통해 측정한 Hardness와 Modulus 결과를 통해 이러한 추정이 합리적임을 증명할 수 있었다.
XPS를 통해서는 표면의 처리 전과 처리 후의 산화 상태를 비교할 수 있었다. 세 가지 처리에서 실리콘과 산소의 비율은 큰 변화를 나타내진 않았으나 전반적인 경향성을 보았을 때, 항온항습 처리에서 가장 큰 Si/O 비율 증가를 보여주었다. 이는 항온항습 처리 후, 다른 처리에 비해 AR 시료 최외곽층에 위치한 실리콘 산화층이 식각되어 산화층 비율이 감소하였기 때문이라고 보여진다.
마지막으로, UV-Vis는 처리 전과 처리 후의 파장에 따른 투과도 변화를 측정하는데 활용되었다. 산 처리의 경우, UV-Vis 측정 결과 역시 투과도의 변화가 크게 없었다, 이는 AFM 측정시, 산에 대해 상대적으로 강한 SiO2의 물성에 의해 거칠기가 가장 작게 변했던 결과와 부합한다고 볼 수 있다. 항온 항습 처리의 경우, 2AR, 4AR 시료에 대해 파장의 전 영역에서 전반적으로 투과도값이 감소 함을 알 수 있었다. 이는 처리로 인해 최외곽층이 over-etching되었기 때문으로 여겨지며, 이 역시 XPS 결과와 부합함을 알 수 있습니다. 염기처리의 경우, 다른 처리와는 달리 IR 영역에서만 투과도 값이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 염수분무 처리로 인해 AR층 표면에서 염기 이온이 부동화(passivation)되었기 때문이라고 여겨진다.
