This thesis focuses on amorphous silicon (a-Si) solar cell which is deposited at low temperature around 130°C to use cheap substrate such as polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate and polycarbonate. Due to the low doping efficiency of low deposition temperature, a-Si solar cell which is depos-ited at low temperature shows low fill factor and low conversion efficiency. This thesis, also, focuses on per-formance improvement to achieve high conversion efficiency.
In order to achieve this object, very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (VHF-PECVD) system was introduced instead of PECVD and solar cell was fabricated by using that PECVD and VHF-PECVD. With VHF-PECVD system, the thinner plasma sheaths and the lower RF-voltage directly related to the sheath potential can be obtained. Due to this, higher electron densities and better SiH4 dissocia-tion in the bulk plasma, as well as increased radical and ion flux onto the growing surface, can be achieved. A consequence of all this is a net increase in the deposition rate and the film quality especially at low tempera-ture.
Also, tungsten oxide (WOx) film was developed and solar cell was fabricated by using that film. Using the WOx film as a buffer layer at the interface of n-a-Si/ZnO is a new approach to make amorphous silicon based thin film solar cell because all these methods which improve the solar cell efficiency are concerning the front-side, that is, window-side structures. WOx buffer layer have advantages compared to conventional amorphous silicon (a-Si:H) solar cell which has no WOx buffer layer .
Firstly, the optical band gap of the WOx film is 3.35 eV. This wide optical band gap property is very useful for not only a window layer of a-Si solar cells but also a buffer layer of a-Si solar cells. WOx films pro-vides high transparency, which leads to open the way of the window layer and buffer layer.
Secondly, the resistance of the materials determines the series resistance, and thereby affects the fill factor (FF). For the WOx layer, a smaller contact resistance results in lower series resistance and a higher FF. I fabricated two kinds of HJ structures using the same fabrication processes as those of A and B: glass/Al/n-a-Si/ZnO/Al (A”) and glass/Al/n-a-Si/WOx (3 nm)/ZnO/Al (B”). There are three contacts and two materials (n-a-Si and ZnO) in A” between the front and back Al electrodes, while there are four contacts and three materials (n-a-Si, WOx, and ZnO) in the B”. The total resistance (R) between the two Al electrodes in each configuration consists of the sum of the Rs of the bulk materials in each HJ and the contact resistance (Rc) due to the sev-eral contacts in it. In fact, the I-V characteristics of A” and B” measured at room temperature showed a near-ohmic property. The Rs for B” is reduced compare to Rs for A”.
Thirdly, the deposition method and condition of the WOnotx film is very simple and independent with temperature. In general, the fabrication of the buffer layer such as a-Si:H, μc-Si film was performed using many gases such as SiH4, CH4, B2H6, PH3 and H2. To obtain the optimum condition, I has mixed the proper proportions of these gases. Moreover, I has considered the process pressure, the substrate temperature, total flow rate, substrate dependence, and plasma power and so on. On the other hands, the characteristics of the thermal evaporated WOx film are seldom changed, but the oxygen content in the WOx film change the work function of the WOx film.
Fourthly, the WOnotx film decreased the defeat density at the interface n-a-Si/ZnO. The electrical con-duction mechanisms of WOx films were attributed to variable range hopping through the localized states. When the WOx layer inserted at the n-a-Si/ZnO interface, the obtained density of the hopping states from the hopping conduction term in the reverse saturation current density decreased from 3.6 × 1016 to 2.2 × 1016 eV-1cm-3. This reflects that the defect density of the interface decreased by WOx buffer layer. In fact, the Rsh of a-Si solar cell with WOx buffer layer determined from the slope of the photo J-V curve near 0 V was 1360 Ωcm2, while the Rsh was 824 Ωcm2 for the a-Si solar cell without WOx buffer layer. Therefore, I can conclude that the remarkable FF enhancement originated partly from the increase of the Rsh due to the WOx buffer layer.
In summary, I developed low temperature a-Si solar cell for using cheap substrate and reducing prod-uct cost. With intrinsic a-Si deposited with VHF-PECVD system, the a-Si solar cell which deposited at low temperature shows lower FF than conventional high temperature solar cell (7.37% on commercial Asahi U-type substrate, 4.81% on flexible PEN substrate). By introducing WOx buffer layer at the interface n-a-Si/ZnO, the a-Si solar cell which deposited at low temperature shows higher FF, Jsc than a-Si solar cell without WOx buffer layer. As a result, improved conversion efficiency was observed compared to the bufferless a-Si:H solar cell deposited at 121°C (8.05% on commercial Asahi U-type substrate, 5.37% on flexible PEN sub-strate).
Also, an amorphous tungsten oxide (WOx) were utilized for the amorphous silicon solar cell process with an aim at modifying the ZnO/p-a-SiC and the n-a-Si/ZnO interface property. As experimental results, remarkable improvements on Voc and FF have been achieved with the incorporation of the WOx buffer layer at the ZnO/p-a-SiC interface. WOx layer could efficiently prevent the atomic hydrogen in the plasma from affecting the ZnO surface in a-Si-based cells fabricated at a low substrate temperature of around 120 °C, resulting in decreasing depletion width and Schottky barrier. Moreover, WOx layer at the interface n-a-Si/ZnO reduced Ddef and series resistance at the interface increased shunt resistance. A maximum conversion effi-ciency of 8.22% was obtained with sandwich WOx buffer layers on glass substrate.
본 논문은 130도 근처의 저온에서 증착된 비정질 실리콘 태양전지에 관한 연구이다. 이러한 저온은 값싼 기판인 PI, PEN, PET 와 PC등을 기판으로 사용할 수 있게 하기 때문에 태양전지의 단가를 획기적으로 낮출 수 있다. 하지만, 낮은 온도에서의 증착은 실리콘 박막에 불순물의 주입 효율이 떨어지게 되어서 충실도가 낮아지게 되고 그로 인하여 낮은 효율의 비정질 실리콘 태양전지를 얻게 된다. 이러한 낮은 효율을 개선하기 위한 연구를 본 논문은 포함하고 있다.
이러한 낮은 온도에서 증착된 비정질 실리콘 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위해서, VHF-PECVD방식이 적용되었다. VHF-PECVD방식은 기존의 RF-PECVD보다 좁은 쉬스영역과 낮은 RF-전압을 갖고 있게 되고, 그로 인하여 높은 전자 농도와 높은 SiH4 분해능력을 갖게 될 뿐만 아니라 표면에서의 증가된 라디칼과 이온의 흐름을 얻게 된다. 그로 인하여 높은 증착율과 높은 박막 질을 얻게 되어 낮은 온도의 증착에서 특히 유용하다.
또한, 텅스텐 옥사이드 박막에 대한 연구를 진행하였다. 텅스텐 옥사이드 박막을 n 형 박막과 산화 아연 박막 사이에 삽입하는 새로운 시도를 하였다. 보통, 박막과 박막 사이의 계면 특성을 향상시키고자 할 경우 빛이 들어오는 쪽에 연구를 많이 하게 되지만, 텅스텐 옥사이드 박막을 빛이 들어오는 반대편에 삽입함으로써 새로운 연구를 진행하였고, 이러한 텅스텐 옥사이드 박막은 많은 장점을 갖게 된다.
첫째, 텅스텐 옥사이드 박막의 광학적 밴드갭이 크다. 이러한 큰 밴드갭은 비정질 실리콘 박막 태양전지에서 창층으로 사용되기 적합할 뿐 아니라 도움층으로써도 적합하다. 높은 투과율을 갖는 텅스텐 옥사이드 박막으로 창층과 도움층의 가능성이 충분하다.
둘째, 비정질 실리콘 박막 태양전지에 삽입되는 물질의 저항성분은 직렬저항과 관련되어 있고 그로 인하여 태양전지의 충실도가 영향을 받게 된다. 텅스텐 옥사이드 박막은 계면에서의 접촉 저항을 줄이게 되어 비정질 실리콘 박막 태양전지에 창층이나 도움층으로 삽입되었을 경우 저항을 줄여주는 효과를 갖게 되고 그로 인하여 직렬저항이 감소되고 결국 높은 충실도를 갖게 된다.
셋째, 텅스텐 옥사이드 박막의 증착 방법이 간단하다. 보통, 비정질 실리콘 태양전지의 도움층으로 사용되는 박막은 비정질 실리콘이나 미세 결정질 실리콘 박막이다. 이러한 박막의 경우 여러 가스의 혼합으로 증착하며, 증착 압력, 증착 온도, 가스 유량, 플라즈마의 파워 등등이 박막의 질에 영향을 주게 된다. 하지만, 텅스텐 옥사이드 박막의 경우, 열 증발법으로 증착을 하기 때문에 제막이 쉽고 경사증착이 가능하다. 본 연구실에서는 경사 증착 기술을 접목하여 레이저 스크라이빙을 하지 않는 새로운 집적화 기술을 고안하였고, 이를 개발하고 있다. 기존의 도움층들의 경우 경사증착이 가능하지 않지만 텅스텐 옥사이드 박막의 경우 적용이 가능하다.
넷째, 텅스텐 옥사이드 박막을 n 형 박막과 산화아연 막의 사이에 삽입하였을 경우 결함 밀도가 감소하게 된다. 텅스텐 옥사이드 박막의 전도 방식은 국부적인 준위를 통하여 variable range hopping 이다. 역방향 포화전류의 호핑에 의한 공식을 이용하면 이러한 결함 밀도는 3.6 × 1016 에서 2.2 × 1016 eV-1cm-3로 낮아지게 된다. 텅스텐 옥사이드 박막을 도움층으로 갖는 비정질 실리콘 태양전지에서의 병렬저항 값이 824에서 1360Ωcm2으로 증가했다. 이러한 결과로써 텅스텐 옥사이드 박막이 비정질 실리콘 태양전지에서의 결함 밀도를 줄여주는 도움층으로 작용하며 이로 인하여 충실도가 높아지게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 태양전지의 생산 단가를 낮추게 되는 값싼 기판에 적용할 수 있는 낮은 온도인 121도에서의 비정질 실리콘 태양전지를 개발하였다. 높은 태양전지의 효율을 얻기 위하여 사용된 VHF-PECVD 시스템으로 인하여, 121도의 낮은 온도임에도 불구하고 상용화된 Asahi U-type 기판에서 7.37%의 높은 비정질 실리콘 태양전지의 효율을 얻었으며 값싼 기판인 PEN기판에서는 4.81%의 효율을 얻었다. 상대적으로 높은 온도(210~250도)에서 증착된 비정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 충실도를 극복하기 위하여 텅스텐 옥사이드 박막이 n형 박막과 산화아연막 사이에 삽입되었다. 그로 인하여 낮은 충실도를 갖는 낮은 온도의 박막 실리콘 태양전지의 효율이 향상되었다. (상용화된 Asahi U-type 기판에서 8.05%, 값싼 유연한 플라스틱 PEN기판에서 5.37%)
또한, 유리 기판 위해서 제작된 박막 실리콘 태양전지의 경우 산화아연막을 전면 전극으로 사용하고 그 위에서의 산화 텅스텐 박막의 특성을 평가하였다. 그 결과 전면 전극 위의 산화텅스텐 박막은 수소의 공격을 막아주고 공핍층을 줄어주어 저항성분을 감소시켜주었다. 그로 인하여 8.22%의 박막 실리콘 태양전지의 효율을 얻을 수 있었다.