Si based materials are several advantages for thin films solar cells: adjustable band gap, well-developed fabrication techniques, multi-junction device capability-which maximized the utilization of the solar spectrum. But the limitation of low absorption coefficient of Si based materials, the researches of optimization of intrinsic layer and efficient light trapping are critical in the field of thin-film silicon solar cells for a high efficiency, low cost and enhancement of stability of device.
In this thesis, I optimized a-Si:H and a-SiGe:H layer for top and middle cells in multi-junction thin film solar cells, and prepared n-uc-SiO:H layers for interlayer of multi-junction dells and back reflector for uc-Si:H bottom cells.
Chapter 1 introduces basic knowledge in thin film solar cell that includes the electrical optical properties of intrinsic layers, characterization tools for solar cells.
Chapter 2-5 shows experimental results for this dissertation. In Chapter 2, we have optimized the top cell performance by lowing a band-gap of intrinsic layer and introducing intrinsic buffer layer for the high efficiency of tandem sola cell. The intrinsic buffer layer improved not only Voc (from 0.87V to 0.89V) but also Jsc (10.8 mA/cm2 to 11.82 mA/cm2) compared the without buffer layer. By further optimization of the p-layer thickness, we could achieve the initial conversion efficiency of 7.81 % with Jsc of 11.91 mA/cm2 in the thickness of intrinsic absorb layer of 250nm. With this result, we try to achieve higher conversion efficiency of tandem solar cell with the proper current matching condition
In chapter 3, we have improved the tandem cell performance by introducing n-uc-SiO:H interlayer and optimized top cell. The n-uc-SiO:H interlayer is investigated on electrical structural measurements. The n-uc-SiO:H of conductivity - 10-3S/cm was used in tandem solar cell as an interlayer and we confirmed the conductivity of 10-5S/cm is available as the interlayer. We achieve the initial conversion efficiency of 11.2% with n-uc-SiO:H interlayer and intrinsic buffer layer of top cell.
In chapter 4, we optimized the E-shape profiling of i/n graded layer in a-SiGe:H layer based on the U-shape profiling scheme. The E-shape profiling generated a Jsc of single-junction cell as high as U-shape profiling without losses of the Voc. For more improvement of FF of cells, the E-shape was modified by the variation of H2 dilution ratio to improve the electrical properties of the i/n graded layer. The modified E-shape shows the improved properties in Voc and FF without significant reduction of total Jsc in a-Si:H/a-SiGe:H double-junction cells. The a-SiGe:H cell with modified E-shape profiling was successfully adopted as a middle cell of triple junction structure, and initial efficiency of 14.9% was achieved in 1 cm2 triple junction solar cell.
In chapter 5, the multifunctional n-uc-SiO:H layers were successfully adapted in uc-Si:H thin film solar cells as a back reflector, n-doping layer and shunt blocking layer for improvement of solar cell performance. The refractive index of 1.8 and low absorption in the wavelength of above 700nm could be applicable as a back refractor, as a result the Jsc of cell were enhanced by 8.6 % comparing the case of Ag back reflector and by 0.6% comparing that of using both n-layer and n-uc-SiO:H BR. In addition, the anisotropic property in conductivity of n-uc-SiO:H layers (low lateral of ~10-6 S/cm and moderate vertical conductivity) can allow the layer act as a n-doping layer to generate the built-in potential and a shunt blocking layer to reduce the leakage current in the solar cells, furthermore lead to a relative enhancements in the Voc, FF, Jsc and Eff.
After optimizing the component cells, we integrated them to make triple junction cells. The overall structure has been modified to maximize the cell properties and match the current density of the individual cells in the structure. Various element technologies described in the previous chapter were merged for high efficiency triple junction cell development. We achieved initial cell efficiency of 15.1% @ 1cm2 (Voc = 2.17 V, Jsc = 9.43 mA/cm2, FF = 0.74). The EQE spectra indicates balanced current matching between top, middle and bottom cells, and the total current of unit cells was 28.5 mA/cm2
실리콘을 기반으로 하는 태양전지 흡수층 물질은 물질은 밴드갭 조절이 용이하고, 산업적으로 잘 발달된 기반을 가지고 있으며, 태양광을 효과적으로 사용하기 위한 다층 구조 제작이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 반면에 물질의 흡수계수가 낮다는 한계를 가지고 있어, 광 흡수층의 최적화 및 투과된 광을 효과적으로 관리하여, 대부분이 전류를 형성할 수 있도록 하는 것이 매우 중요한 연구 관제 이다.
본 학위 논문에서는 다층 박막 태양전지에 사용되는 비정질 실리콘 흡수층 (a-Si:H) 과 비정질 실리콘 게르마늄 흡수층 (a-SiGe:H)의 최적화에 관한 연구 및 n 형 실리콘 옥사이드 기반 박막을 개발하여, 다중 접합 태양전지의 중간 반사층과 하부 전지의 후면 반사층으로 사용하는 연구를 수행하였다..
제 1장에서는 이 분야의 실리콘 기반 흡수층에 대한 기초 지식과 태양전지 측정에 관련한 기술들을 소개 하였다.
제 2장에서 제 5장 까지는 연구결과를 서술하였다. 제 2장에서는 비정질 실리콘 흡수층의 밴드갭은 낮추고 높은 밴드갭을 가진 버퍼 층을 추가하여 개방전압과 단락전류를 상승시키는 효과를 얻을 수 있었다. 개방전압은 0.87V에서 0.89V로, 단락전류는 10.8 에서 11.82 mA/cm^2로 각각 상승하였다. 추가적인 p층 최적화 공정을 통해 초기 효율 7.81 %를 가지는 태양전지를 제작하였다.
제 3장에서는 n형 실리콘 옥사이드 기반 박막을 개발하고, 이 박막에 대한 전기적, 구조적이 특성을 고찰하였다. 또한 개발된 박막 중 전도도값이 10^{-5}S/cm를 가지는 조건을 2중 적층형 태양전지의 중간 반사층으로 적용하여 전류 정합 특성이 향상되는 것으로 확인 하였다. 제 2장의 결과와 제 3장의 결과를 동시에 적용한 경우 효율 11.2% 의 2중 적층형 태양전지를 제작할 수 있었다.
제 4장에서는 비정질 실리콘 게르마늄 흡수층의 최적화 공정을 진행하였다. 전류를 높이는데 용이한 U-모양의 게르마늄 함량 조절 형상에서, E-모양의 함량 조절 형상 으로 개선/적용하여 개방전압의 저하 없이 단락전류를 유지하는 결과를 얻었으며, 수소 혼합비 최적화를 통해 향상된 태양전지를 제작할 수 있었다. 이렇게 제작된 태양전지는 비정질 실리콘 태양전지와 함께 2중 적층형으로 제작하였을 때, 개방전압과 단락전류 그리고 충진률을 동시에 증가시키는 결과를 얻을 수 있었으며, 3중 접합 태양전지에 적용하여 1 cm^2 면적에서 14.9%의 효율을 달성 할 수 있었다.
제 5장에서는 이미 개발된 n형 실리콘 옥사이드 기반 박막을 나노사이즈 결정형 태양전지의 n 층과 후면 반사층으로 동시에 적용하는 실험을 실시하였다. 이때 사용된 n형 실리콘 옥사이드 기반 박막의 굴절률은 1.8이며, 수평방향 전기 전도도는 ~10^{-6} S/cm 이다. n형 실리콘 옥사이드 기반 박막을 n 층과 후면 전극으로 사용하는 경우, 이 박막이 가지는 이방성 특성으로 인해 전지에서 접합 특성은 유지하면서, 수평방향으로 발생하는 누설전류를 차단하는 효과를 얻을 수 있었다. n 형 실리콘 옥사이드 기반 박막의 낮을 굴절률과 n 형 특성, 누설전류 차단 등 다중 특성을 가지는 후면 전극을 적용하여 개방전류, 충진률, 단락전류를 모두 향상 시킬 수 있었다.
모든 단위 태양전지를 3중 접합 태양전지에 적용한 경우 1cm^2 면적에서 15.1%의 효율을 달성하였으며(V_oc = 2.17 V, J_sc = 9.43 mA/cm^2, FF = 0.74), 이 때 분광 특성 측정을 통해 측정한 단락 전류 밀도는 28.5 mA/cm^2으로 모든 전지에서 전류 정합을 확인하였다.
