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Kerfless si and ge wafer technique for a thin single crystal solar cell = 단결정 박막 태양전지 형성을 위한 Si 및 Ge 박막 전이 기술 개발
서명 / 저자 Kerfless si and ge wafer technique for a thin single crystal solar cell = 단결정 박막 태양전지 형성을 위한 Si 및 Ge 박막 전이 기술 개발 / Sang hyun Park.
저자명 Park, Sang hyun ; 박상현
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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Sunlight is by far the most plentiful and ultimate renewable energy because it can be converted into electrical energy without emitting carbon dioxide which is the main cause of the current global warming. However, the high cost and low mechanical properties of solar cell products have limited its usage, and it currently supplies only 0.04 % of our energy needs. Therefore, cost reduction and improving the mechanical properties of solar cells are important issues for broadening its application area. Ultra-thin single crystal silicon films attract intensive attention for use in solar cell devices due to their low production costs as well as excellent electrical and mechanical properties. The empty space in silicon (ESS) technology is promising to form few micrometer-thick single crystal Si films on wafer scale substrates. In the ESS technology, thin single crystal Si films are formed on large voids and empty plates by annealing vertically aligned pores on a Si substrate in hydrogen environment, driven by surface energy minimization. The thickness of the Si film is then determined by the pore morphology such as pore pitch, diameter as well as aspect ratio. Currently, however, the Si porous layer is often fabricated using a photolithography, which limits reduction of the Si film thickness below a micrometer. Here, we developed a novel kerfless silicon wafer technique based on ESS technique and nanoporous Si in order to fabricate ultra-thin (i.e., 100 - 350 nm thick) single crystal Si layer. Vertically aligned nanopores with aspect ratio upto 5 were fabricated by the nanosphere lithography (NSL) and reactive ion etching (RIE) on a Si wafer. The pore pitches were varied from 200 to 600 nm using different polystyrene (PS) particle sizes for the NSL and the pore diameters were controlled by trimming PS particle before RIE. Then, we investigated the formation of the ESS structures and thicknesses of single crystal layers from various nanoporous Si structures upon annealing at 1100 oC for 10 minutes in H2 ambient. With this methods, we successfully fabricated single crystal Si films with thickness of 100 - 350 nm on empty voids. In addition, we investigated the formation and removal of oxygen-related defects such as pits and surface roughening during annealing in hydrogen ambient with extremely low oxygen partial pressure. By modifying sample loadings to control gas flow to obstruct oxygen to reach the sample surface, we successfully removed oxygen-related defects on ultra-thin Si films. Kerfless germanium wafer technique was also investigated to fabricate high efficiency and low cost multi-junction solar cells (MJSCs). Thick Ge substrate that typically used as templates for III-V epitaxy are very expensive; its cost accounts for around half of the overall cell cost. Therefore, kerfless germa- nium wafer technique is promising technology for cost reduction of III-V solar cells and broadening its application area. In this thesis, we successfully fabricated 100 nm thick ultra-thin single crystal Ge on spherical voids. We investigated the relationships between the pore reorganization and various annealing conditions such as annealing ambient and substrate orientations. As a result, It is found that hydrogen ambient promotes shape evolution process, similarly to Si. In addition, spherical empty space in Ge can be formed when the nanopores were fabricated on (100) and (111) Ge substrates.

태양에너지는 환경오염을 야기하는 이산화탄소의 배출없이 전기에너지를 생산할 수 있는 풍족하면서도 궁 극적인 재생에너지이다. 하지만 태양전지의 높은 가격과 낮은 기계적 물성은 태양전지 산업의 활성화에 제약을 주고 있으며, 현재 전체 에너지 생산량의 단 0.04% 의 비중을 차지하고 있다. 따라서 태양전지의 가격을 낮추는 것은 태양전지의 활용범위를 넓히는데 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에 활발히 연구되고 있는 단결정 박막층 생성 기술은 저렴한 생산 비용과 더불어 뛰어난 기계적·전기적 성질을 갖고 있어 이러한 태양전지의 문제점을 해결할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다. Empty Space in Silicon (ESS) 기술은 1 마이크로 미터 두께의 단결정 박막층을 형성할 수 있는 기술로, 규칙적으로 배열된 다공 구조를 고온에서 열처리하여 얇은 실리콘 박막과 그 아래에 분리층 역할을 하게되는 구 혹은 평판 형태의 기공을 형성하는 기 술이다. 이러한 다공구조의 재조직화는 표면에너지를 최소화하려는 움직임으로 인해 발생하게 되며, 박막의 두께는 다공구조의 지름, 간격, 종횡비에 의해서 결정되게 된다. 그러나, 일반적으로 다공 구조를 형성하는 데 사용되는 포토리소그래피는 비용이 비쌀 뿐만 아니라 다공구조의 크기를 감소시키는데에 한계를 갖고 있어, 박막의 두께를 1 마이크로 미터 이하로 줄이는데 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 ESS 기술과 나노 다공구조를 이용한 단결정 초박막 실리콘을 제작할 수 있는 차세대 커프리스 박막 제작 기술을 연구하였다. 이를 위해 실리콘 기판 표면에 나노리소그래피와 건식 식각 공정을 이용하여 육방정계로 배열된 나노다공 구조를 형성하였으며, 다공구조의 간격은 다양한 크기의 PS 입자 를 이용하거나 PS 입자의 후처리를 통하여 200 에서 600 나노 미터로 제어하였다. 이렇게 제작된 다양한 형태의 다공구조를 수소분위기의 1100oC 에서 10분간 열처리를 해주면서 다공구조의 재조직 화현상과형성된박막의두께를제어할수있는기술을연구하였다. 그결과,100-350나노미터의두께를 갖는초박막단결정실리콘및구형태의기공을성공적으로형성할수있었다. 또한매우낮은산소부분 압력을가진공기조성에서열처리를할때발견된결함의생성원리와제거방법을연구하였다. 그결과, 산소와 시료가 접촉하는 것을 원천적으로 차단할 수 있는 새로운 열처리 방법을 개발하였으며, 산소에 의한 결함의 생성을 차단할 수 있었다. 이 논문에서는 저비용·고효율의 다중접합 태양전지 형성을 위한 커프리스 박막 제작 기술 또한 개발하 였다. 일반적으로 다중접합 태양전지에 사용되는 III-V족 박막을 에피타시하기 위해서는 고가의 게르마늄 기판이 사용되는데, 이러한 기판 가격은 태양전지 가격의 약 절반을 차지할 정도로 많은 비중을 갖고 있다. 따라서 다중접합 태양전지의 활용 범위를 넓히기 위해서는 기판의 사용량을 매우 효과적으로 감소시킬 수 있는커프리스박막제작기술이매우필요하다고할수있다. 연구결과,약100nm의두께를갖는단결정 초박막 게르마늄을 구 형태의 기공 위에 형성하는데 성공하였다. 게르마늄 박막 형성에 최적화된 열처리 조건을 찾기위해 열처리 분위기와 기판의 결정을 변화시킨 결과, 게르마늄의 열처리 분위기 역시 실리콘과 마찬가지로 수소분위기에서 가장 효과적이었으며, (100)과 (111) 기판 위에 형성된 다공 구조를 이용하여 단결정 게르마늄 박막으로 형성할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEEW 15007
형태사항 vi, 47 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박상현
지도교수의 영문표기 : Ji hun Oh
지도교수의 한글표기 : 오지훈
Including Appendix
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원,
서지주기 References : p.
주제 Silicon
Germanium
Thin film
Solar cell
Layer transfer
실리콘
게르마늄
박막
태양전지
박막 전이 기술
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