This thesis discusses about the “doping-free” structured a-Si:H based solar cells. In the conventional tructured a-Si:H based solar cells, the doping is used in the p-type window layer and the n-type back contact ayer. Starting from the replacement of the p- and n-layer, respectively, several methods are adopted in order o improve the efficiency of the solar cells. Finally, using MoO3 window layer and LiF/Al back contact together, he “doping-free” structured amorphous Si based solar cells are implemented.
In chapter 1, a social and economic background of photovoltaic is reviewed. Also, advantages and imits of the amorphous silicon based thin film solar cell are mentioned. From this background, fundamental tudies of other researchers’ are introduced. Furthermore, the motivation of this work subjected “doping-free” solar cell is appealed. The “doping-free” scheme is cost effective, safe and environmentally not harmful, and easily adoptable for various substrates.
In chapter 2, the fabrication and measurement systems for the amorphous Si based thin-films and the solar cells using those films are explained.
In chapter 3, it is discussed about the effect of UV irradiation on MoO3 window layer. Using UVtreated MoO3 film as a window layer of the cell, the Voc is increased. It was confirmed from UV photoelectron spectroscopy measurements that the UV irradiation increased the work-function of the MoO3 window layer, resulting in drastically increasing the open circuit voltage of the cell by 52 mV (about 7 %) for the optimized UV treatment time of 60 minutes. The best conversion efficiency of 6.11 % was obtained. The cell performance
improvement is due to the enhanced Voc by the UV treatment on the window layer.
In chapter 4, a MIS Schottky structure for glass/SnO2:F/n-MoO3/SiOx insulator/i-a-Si:H/n-a-Si:H/Al solar cell structure is proposed. It is investigated about the effect of the thickness of the SiOx insulator. The Voc was enhanced in the cells with a 0.9-nm-thick SiOx layer, however, the FF was degraded. For further improvement of the Voc, UV treatment was performed on the MoO3 window layer in order to enhance the work function. The best conversion efficiency of 6.41 % was obtained with cells incorporating a MoO3 layer that was UV irradiated for 60 minutes together with the optimized SiOx thickness (0.9 nm).
In chapter 5, using MoO3 window layer and LiF/Al back contact together, the “doping-free” amorphous silicon based solar cells are fabricated. The fabricated doping-free a-Si:H-based solar cells have the structure of glass/SnO2/n-MoO3/i-a-Si:H/LiF/Al. Using this doping-free structure, less fabrication costs was anticipated because the doping-free structure doesn’t need any safety facilities for toxic doping gas such as B2H6 and PH3. However, it showed relatively low Voc and FF values resulted from low work function of
MoO3 window layer and large tunneling resistances of the LiF/Al rear electrode. In order to compensate these drawbacks of doping-free structure, MoO3 window layers were subjected to UV irradiation and the best conversion efficiency of 6.42 % was obtained.
In chapter 6, a ZnO:Al/LiF and a SiOx/LiF double interlayer used a-Si:H-based solar cells are fabricated and improved light trapping effect. The spectral response of the fabricated solar cell having an n-type a-Si:H (n-a-Si:H)/ZnO/LiF/aluminum (Al) back structure was remarkably enhanced in the wide wavelength range of 500-750 nm because of the refractive index grading, reduced plasmonic absorption, and efficient tunneling of photogenerated electrons through the ultrathin LiF interlayer, resulting in the impressive shortcircuit current of 15.2 mA/cm2(21.6% enhanced). Consequently, the highest conversion efficiency of 8.5% was achieved. In the SiOx/LiF double interlayer employed cells, there was no FF drop because of eliminating wet-etching process. The Jsc was also enhanced by 11.5% in the SiOx/LiF interlayer used cell, but the amount of enhancement was lower than the case of the ZnO/LiF interlayer. It might be originated from the thinner layer (20 nm) was used in the SiOx/LiF interlayer used cell. Besides, from the ellipsometry measurement, the refractive index n of SiOx film was higher (2.33 at 550 nm) than ZnO. Nevertheless, the conversion efficiency was higher (9.0%) than the case of the ZnO/LiF interlayer, because the FF drop was not shown.
Although the doping-free a-Si:H-based thin-film solar cells used low cost fabrication method without the facilities managing toxic gases and contained the merits of low temperature process, the conversion efficiency was not sufficient. The best efficiency of the cell was 6.4 %, thus, there would be rooms for further mprovement.
본 학위논문에서는 일반적으로 반도체 공정에서 자주 사용되는
다이보레인(B2H6)이나 포스핀(PH3)과 같은 독성 불순물 가스 주입이 없는 새로운
구조의 비정질 실리콘 박막 태양전지를 제작하고 효율 향상을 꾀하였다. 이러한 독성
불순물 가스가 필요한 공정에서는 안전이나 환경문제가 야기될 위험이 크고, 또한
그러한 위험성을 유지하고 관리하는 데 필요한 시설, 시설이 점유하는 공간 등에
들어가는 비용은 제품 가격을 상승시키는 요인이다. 본 논문에서는 기존의 비정질
실리콘 태양전지 구조에서 사용되는 불순물 주입된 p 층과 n 층 대신 산화 몰리브덴
(MoO3)과 플루오르화 리튬(LiF) 박막을 사용하여 태양전지를 제작하였다.
제 3 장에서는 자외선 조사 처리를 통한 산화 몰리브덴의 특성 향상을 꾀하였다.
산화 몰리브덴 박막은 태양전지의 창층(window layer)로 사용되는데, 이것의
일함수(work function)이 크면 클수록 태양전지의 개방전압 특성을 향상시키게 된다.
산화 몰리브덴 박막의 일함수가 기존 불순물 주입된 p 층에 비해 좋지 않았기 때문에
추가적으로 특성 향상이 필요하였다. 그 결과 자외선 처리를 통해 태양전지의
개방전압 특성이 52 mV (약 7 %) 정도 향상되었다.
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제 4 장에서는 산화 실리콘 (SiOx) 박막을 이용한 금속-유전체-반도체 (Metal-
Insulator-semiconductor) 구조를 적용하여 태양전지의 개방전압을 향상시켰다.
추가적인 향상을 위하여 자외선 조사 처리도 병행하였다. 또한 삽입한 산화 실리콘
박막의 두께를 가변시켜 가면서 최적의 두께를 찾는 실험을 수행하였다. 그 결과
개방전압이 0.84 V 까지 향상되었으며 6.4 %의 최고 효율을 얻을 수 있었다.
제 5 장에서는 전면 산화 몰리브덴 박막과 후면 플루오르화 리튬 박막을 동시에
적용하여 불순물 가스를 완전히 배제하였다. 그러나 새로운 구조에서 태양전지의
효율이 충분하지 않았기 때문에 제 3 장의 산화 몰리브덴에 자외선 처리를 하는
방법을 통해 태양전지의 개방전압과 충실도 특성을 향상시켰다. 그리하여 얻은 불순물
주입 없는 태양전지의 최고 효율은 6.4 %를 기록하였다.
제 6 장에서는 추가적인 실험으로 산화 아연 (ZnO) 박막과 플루오르화 리튬
박막의 다층 구조 및 비정질 산화 실리콘 (SiOx)과 플루오르화 리튬 박막의 다층
구조를 후면 전극의 중간층 (interlayer)으로 적용하여 태양전지의 장파장 흡수효율을
증가시켰다. 이를 통하여 태양전지의 단락전류가 크게 증가하였다.
제 4 장과 제 6 장에서 사용된 산화 실리콘, 산화 아연 박막은 모두 독성 불순물
가스가 주입되지 않는 박막으로, 본 논문에서 제안하고 있는 불순물 없는 태양전지
구조에 적합한 물질들이다. 이상의 실험들을 통하여 불순물 주입 없는 태양전지
구조를 새롭게 시도하는 데는 성공하였으나 효율이 인상적이지 못하였다. 박막
태양전지 분야에서 각광받는 소자 구조가 되기 위하여 추후 효율 향상을 위한 노력이
필요할 것이다.
