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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최시영.
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
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최근 기존 에너지원의 가격상승과 지구온난화 문제와 같은 에너지, 환경문제가 전 세계적인 문제로 부각됨에 따라 가장 유망한 재생에너지 기술 중 하나로 태양전지가 주목되고 있다. 태양전지 (photovoltaic cell 또는 solar cell)는 태양에너지를 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양전지는 결정질 실리콘 (single crystalline silicon, c-Si) 태양전지와 박막 실리콘 (hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H) 태양전지로 구분할 수 있다.
본 연구에서는 상대적으로 고가인 Si 기판 대신 유리, 금속, 플라스틱과 같은 저가 기판위에 박막 형태로 태양전지를 제조하여 물질 소모량을 최소화한 a-Si:H 박막 태양전지에 대해 연구하였다. a-Si:H 박막 태양전지는 1976년 Carlson and Wronski에 의해 처음으로 만들어진 이후, 현재까지 상당히 발전되어져 왔으며, 기존의 반도체, 디스플레이에서 사용되는 유사 기술을 이용하여 대면적, 대량생산이 가능하므로 생산성 향상 및 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 이동도가 낮고 결함이 많아 전기적 특성이 좋지 못하다. 또한 바이어스나 빛, 혹은 도핑 등에 의하여 준안정상태 (meta-stable state)의 결함들이 나타나므로 특성이 안정하지 않은 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들은 대면적 및 고효율 박막 태양전지의 제작에 있어서 큰 장애요소들이라 할 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 a-Si:H 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 방법으로 단일접합에서의 a-SiC:H/a-SiGe:H 헤테로 구조를 이용한 박막 태양전지와 phosphorus 도핑을 이용한 a-Si:H 박막 태양전지를 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 제작하였으며, 그 특성을 분석하였다.
첫 번째로, a-SiC:H/a-SiGe:H 헤테로 구조를 이용하여 기존의 a-SiGe:H 박막 태양전지가 가지는 낮은 Voc와 낮은 FF 같은 문제점을 개선하여 상대적으로 높은 효율을 가지는 태양전지를 제작하였다.
두 번째로, 광 흡수층인 a-Si:H 박막에 PH3 가스의 유량을 변화시켜 phosphorus 도핑을 함으로써 기존의 a-Si:H 박막에 비해 우수한 특성을 가지는 광 흡수층을 제작함으로써 일반적인 a-Si:H 박막 태양전지보다 상대적으로 높은 효율을 가지는 태양전지를 제작하였다.
본 연구를 통하여 제안한 단일접합에서의 다양한 타입의 a-Si:H 박막 태양전지는 기존의 탠덤 구조의 a-Si:H 박막 태양전지의 성능 향상에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 간단한 공정과 낮은 생산 비용으로 제작이 가능하고 다른 소자와의 호환이 가능하기 때문에 다양한 응용분야에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 상대적으로 고가인 Si 기판 대신 유리, 금속, 플라스틱과 같은 저가 기판위에 박막 형태로 태양전지를 제조하여 물질 소모량을 최소화한 a-Si:H 박막 태양전지에 대해 연구하였다. a-Si:H 박막 태양전지는 1976년 Carlson and Wronski에 의해 처음으로 만들어진 이후, 현재까지 상당히 발전되어져 왔으며, 기존의 반도체, 디스플레이에서 사용되는 유사 기술을 이용하여 대면적, 대량생산이 가능하므로 생산성 향상 및 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 이동도가 낮고 결함이 많아 전기적 특성이 좋지 못하다. 또한 바이어스나 빛, 혹은 도핑 등에 의하여 준안정상태 (meta-stable state)의 결함들이 나타나므로 특성이 안정하지 않은 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들은 대면적 및 고효율 박막 태양전지의 제작에 있어서 큰 장애요소들이라 할 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 a-Si:H 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 방법으로 단일접합에서의 a-SiC:H/a-SiGe:H 헤테로 구조를 이용한 박막 태양전지와 phosphorus 도핑을 이용한 a-Si:H 박막 태양전지를 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 제작하였으며, 그 특성을 분석하였다.
첫 번째로, a-SiC:H/a-SiGe:H 헤테로 구조를 이용하여 기존의 a-SiGe:H 박막 태양전지가 가지는 낮은 Voc와 낮은 FF 같은 문제점을 개선하여 상대적으로 높은 효율을 가지는 태양전지를 제작하였다.
두 번째로, 광 흡수층인 a-Si:H 박막에 PH3 가스의 유량을 변화시켜 phosphorus 도핑을 함으로써 기존의 a-Si:H 박막에 비해 우수한 특성을 가지는 광 흡수층을 제작함으로써 일반적인 a-Si:H 박막 태양전지보다 상대적으로 높은 효율을 가지는 태양전지를 제작하였다.
본 연구를 통하여 제안한 단일접합에서의 다양한 타입의 a-Si:H 박막 태양전지는 기존의 탠덤 구조의 a-Si:H 박막 태양전지의 성능 향상에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 간단한 공정과 낮은 생산 비용으로 제작이 가능하고 다른 소자와의 호환이 가능하기 때문에 다양한 응용분야에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
목차
1. INTRODUCTION 1References 52. BACKGROUND THEORY 82.1 Hydrogenated amorphous silicon 82.1.1 Atomic structure 82.1.2 Density of states 112.1.3 Hydrogenated amorphous silicon bonding structure 142.1.4 Doping of hydrogenated amorphous silicon 172.1.5 Charge transport in hydrogenated amorphous silicon 232.1.6 Alloying of hydrogenated amorphous silicon 262.1.7 Plasma enhanced chemical vapor deposition 282.2 Hydrogenated amorphous silicon thin-film solar cells 302.2.1 Principle and Structure of a-Si:H thin-film solar cells 302.2.2 Device modeling 332.2.3 Characteristics of a-Si:H thin-film solar cells 35References 383. a-Si:H THIN-FILM SOLAR CELLS 413.1 Introduction 413.2 Experimental details 423.2.1 Fabrication of a-Si:H films and a-Si:H thin-film solar cells 423.2.2 Measurement of solar cell efficiency 483.2.3 Measurement of material properties 503.2.3.1 Measurement of optical properties 503.2.3.2 Measurement of electrical properties 523.3 Results and Discussion 543.3.1 Comparison of the films properties of a-Si:H in different conditions for RF power and substrate temperature 543.3.2 Comparison of solar cell performances in different conditions for RF power and substrate temperature 593.4 Conclusions 65References 664. a-SiC:H/a-SiGe:H HETERO JUNCTION THIN-FILMSOLAR CELLS 674.1 Introduction 674.2 Experimental details 694.3 Results and Discussion 724.3.1 Characteristics of a-SiC:H/a-SiGe:H hetero junction thin-film solar cells 724.3.2 Comparison of solar cell performances according to the various thickness ratios of b-a-Si:H/i-a-SiGe:H layer 814.4 Conclusions 83References 845. a-Si:H THIN-FILM SOLAR CELLS BY PHOSPHORUS DOPING OF THE INTRINSIC LAYER 865.1 Introduction 865.2 Experimental Details 885.3 Results and Discussion 915.4 Conclusions 103References 1046. CONCLUSIONS 106Korean Abstract 109
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