본문내용
1. Schottky 장벽 크기에 따른 M-S 접합 태양전지의 특성
1.1. 서론
에너지 통계 연보에 따르면 OECD 국가의 총 전기 소비량의 비율은 원자력 22.2%, 석탄 2.7%, 천연가스 20%, 석유 47.3%, 신재생 5.6%(2016년 기준)이다. 전기 소비량의 70%이상을 화석연료에 의지하여 지구온난화, 대기오염, 산성비, 수질 오염, 토양 오염, 열오염 등의 환경오염과 자원 고갈로 인한 단가 상승의 문제가 심해지고 있다. 또한, 20%를 차지하는 원자력은 가장 낮은 발전원가로 꼽히지만 원전사고의 피해가 막대하기 때문에 시민들의 불안감과 안전상의 문제가 일어나고 있다. 때문에, 친환경적이고 안전한 신재생 에너지에 대한 필요성이 늘어가고 있다. 특히 태양광발전은 발전원가가 하락하는 유일한 전력원이고, 어떠한 신재생에너지 보다 유지보수가 쉽고 보수비용도 매우 적다는 등의 이유로 각광을 받고 있다. 현재 태양광발전이 이러한 장점을 갖고 있지만 아직까지는 발전원가가 가장 비싸다는 문제점이 있어 제작비용을 낮추면서 태양광 변환효율을 높이는 태양전지 개발의 필요성이 커지고 있다.
1.2. 이론적 고찰
1.2.1. Si 웨이퍼 종류
실리콘(Si)은 지각의 약 1/3을 차지할 만큼 풍부한 물질이다. 실리콘은 반도체 산업에 안정적으로 공급되어 상당한 발전이 이루어져 왔다. 또한 실리콘은 독성이 없어 환경적으로 우수하고, 비교적 고온에서도 소자가 동작할 수 있는 장점이 있다.
실리콘 웨이퍼의 종류는 크게 단결정 웨이퍼와 다결정 웨이퍼로 나뉜다.
단결정 웨이퍼는 폴리실리콘을 석영 도가니에 넣고 불순물(B, P)을 함께 넣어 고온으로 용융시켜 원주 형태의 단결정질 실리콘 잉곳을 만든 후 이를 얇게 절단한 것이다. 실리콘의 원자 배열이 규칙적이며 배열 방향이 일정하여 전자 이동에 걸림이 없어 변환 효율이 높다.
다결정 웨이퍼는 폴리실리콘을 석영 도가니에 넣고 높은 온도로 가열하여 녹인 다음 정제한 후 일정한 틀에 부어 응고시키는 방법으로 잉곳을 만든다. 결정립 경계에 의해 전자의 이동에 방해를 받아 다결정 웨이퍼보다 효율이 떨어지지만, 제조 공정 방법이 비교적 간단하여 대량생산이 가능하다.
실리콘 웨이퍼에는 불순물 첨가에 따라 p형과 n형이 존재한다. p형은 3족 원소인 붕소(B)를, n형은 5족 원소인 인(P)을 첨가하여 제작한다. n형 웨이퍼는 p형보다 이동도가 높다는 장점이 있다.
또한 실리콘 웨이퍼는 결정 방향에 따라 분류되는데, 주로 <100>과 <111> 방향이 사용된다. <100> 방향 웨이퍼는 화학적으로 비교적 안정하여 전기적 특성이 오랫동안 변하지 않는 반면, <111> 방향 웨이퍼는 화학적 활성도가 높다. 전자는 <111>면에서 <111>면으로 갈수록 이동도가 향상되고, 홀은 <100>면에서 <100>면으로 갈수록 이동도가 향상된다.
본 연구에서는 단결정 n형 <100> 방향 웨이퍼를 사용하였다. 이는 효율이 좋고 긴 수명을 유지하는 태양전지를 제작하기 위함이다.
1.2.2. M-S 접합
M-S 접합이란 금속과 반도체가 접합된 구조이다. 금속과 반도체의 접합은 Schottky 접합이라고 불리는데, 이 때 생성되는 Schottky 장벽이 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 된다.
금속과 반도체가 접합되면 서로 다른 페르미 준위를 맞추기 위해 전자가 이동하게 된다. 이 때 반도체 쪽에 고갈층이 형성되며, 이 고갈층 내부에 내부 전위 장벽인 Schottky 장벽이 생성된다. Schottky 장벽의 높이는 금속의 일함수와 반도체의 전자 친화도 차이에 의해 결정된다.
Schottky 장벽이 높으면 전자가 금속에서 반도체로 주입되기 어려워져 순방향 전압이 높아지고 역방향 전류가 작아진다. 반대로 Schottky 장벽이 낮으면 전자 주입이 용이해져 순방향 전압이 낮아지고 역방향 전류가 증가한다.
따라서 M-S 접합 소자의 특성은 Schottky 장벽의 크기에 많은 영향을 받게 된다. Schottky 장벽의 크기는 금속과 반도체의 선택을 통해 조절할 수 있으며, 이는 곧 M-S 접합 소자의 성능 향상으로 이어질 수 있다.
1.2.3. 태양전지 특성
태양전지는 반도체 p-n 접합 구조에서 광 발전 현상을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 소자이다. 광 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 내부 전계에 의해 분리되어 전류를 발생시키는 원리를 이용한다.
태양전지의 대표적인 특성으로는 광 흡수, p-n 접합 다이오드 특성, M-S 접합 다이오드 특성 등이 있다.
먼저, 광 흡수 특성을 살펴보면, 태양전지 소자는 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 이때 생성된 전자-정공 쌍은 태양전지 내부의 내부 전계에 의해 분리되어 전류를 발생시킨다. 이러한 광 발전 효과는 태양전지의 핵심 작동 원리라고 할 수 있다.
다음으로 p-n 접합 다이오드 특성이다. 태양전지는 반도체 p-n 접합 구조로 되어 있어, 다이오드의 전기적 특성을 가진다. 즉, 태양전지는 p-n 접합 다이오드와 유사한 전류-전압 (I-V) 특성을 나타낸다. 태양전지에 빛이 조사되면 광 생성 전류 IL이 흐르게 되고, 이 전류가 다이오드 전류와 합해져 태양전지 전류가 된다. 이때 태양전지의 전압-전류 특성은 다이오드 방정식으로 표현될 수 있다.
한편, M-S 접합 태양전지는 금속-반도체 접합 구조로 이루어져 있다. 금속과 반도체의 접합에 의해 Schottky 장벽이 형성되며, 이 Schottky 장벽의 크기에 따라 태양전지의 전기적 특성이 달라진다. Schottky 장벽이 클수록 개방 회로 전압 Voc가 높아지고, 단락 회로 전류 Isc는 상대적으로 작아지는 경향을 보인다. 따라서 Schottky 장벽 크기 조절은 M-S 접합 태양전지의 성능 향상에 중요한 요인이 된다.
이처럼 태양전지는 광 흡수, p-n 접합 다이오드, M-S 접합 다이오드 등의 다양한 전기적 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성들이 태양전지의 동작 원리와 성능에 중요한 영향을 미친다.
1.3. 실험
1.3.1. 큰 Schottky 장벽을 형성하는 전극 밴드모형
본 연구에서는 Au와 n-type Si를 접합하여 큰 Schottky 장벽을 형성하는 전극 밴드모형을 살펴보았다. Au의 일함수가 5.10 eV이고 Si의 전자 친밀도가 4.05 eV이기 때문에, 두 물질이 접합하면 1.05 eV의 Schottky 장벽이 생성된다.
금속인 Au는 전자가 자유롭게 움직이므로 접합 후에도 페르미 준위가 변하지 않는다. 반면 반도체인 Si(n-type)은 상대적으로 낮은 페르미 준위를 가지고 있는 Au로 전자가 이동하면서 이온화가 되어, 결과적으로 밴드모형이 휘어지게 된다.
접합 후에는 1.05 eV의 Schottky 장벽과 1.75 x 10^4 V/cm의 전계가 생성된다. 이 전계 아래에서 Si(n-type)에 입사된 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 분리되어 광전류가 흐르게 된다.
또한 하부전극으로 Ag-Al을 사용하였는데, Ag와 Si(n-type)의 접합부에서는 0.17 eV의 내부 전위장벽이 형성되지만 이는 무시할 수 있는 수준이다. 상부전극 Au와 하부전극 Ag-Al이 모두 Si(n-type) 웨이퍼에 증착되면, 생성된 전자-정공 쌍이 각각 하부전극과 상부전극으로 나뉘어 전류가 흐르게 된다.
이와 같이 큰 Schottky 장벽을 형성하는 Au 전극 사용은 태양전지의 개방회로전압 향상에 기여할 것으로 기대된다.
1.3.2. 작은 Schottky 장벽을 형성하는 전극 밴드모형
작은 Schottky 장벽을 형성하는 전극 밴드모형은 본 연구에서 상부전극으로 Mo를 사용한 경우의 에너지밴드 모형이다.
Mo의 일함수가 4.60 eV이고, Si(n-type) 전자친밀도가 4.05 eV이므로 접합 시 0.55 eV의 Schottky 장벽이 형성된다. 금속인 Mo는 전자가 자유롭게 움직이기 때문에 접합 후에도 페르미 준위가 변하지 않는다. 하지만 반도체인 Si(n-type)은 Mo와 접합하면서 상대적으로 낮은 페르미 준위를 가지고 있는 Mo로 전자가 이동하면서 이온화되어 밴드모형이 휘어지게 된다.
접합 후 에너지밴드 모형을 보면 0.55 eV의 Schottky 장벽이 형성되고, 1.24 x 10^4 V/cm 크기의 전계가 생성된다. 이 전계에 의해 광생성된 전자-정공 쌍이 분리되어 광전류가 흐를 수 있게 된다.
상부전극으로 Au를 사용했을 때에 비해 Mo의 Schottky 장벽이 상대적으로 작기 때문에, 개방회로전압 등의 태양전지 특성이 저하되는 것으로 나타났다. 이에 대한 결과는 4.2장에 자세히 기술되어 있다.
1.3.3. 산화층 제거
'산화층 제거'는 태양전지를 제작하는 과정에서 매우 중요한 부분이다. 자연 상태의 웨이퍼는 공기 중의 이물질에 의해 웨이퍼가 산화되어 있기 때문에, 산화층을 제거하지 않으면 전극을 입혀도 태양전지가 작동하지 않는다. 산화층은 9eV에 해당하는 밴드 갭을 가지고 있어 모든 전기적 영향을 무시할 수 있기 때문이다. 따라서 태양전지를 동작시키기 위해서는 전극을 입히기 전에 반드시 산화층부터 제거해야 한다.
본 연구에서는 웨이퍼 표면에 생긴 표면산화층을 습식식각 공정으로 제거하였다. 사용된 용액은 H2O(192mL)와 HF(8mL)를 섞어 희석한 불산(HF(48%))이다. 웨이퍼를 2분간 불산에 담그면 표면에 있는 산화층이 제거된다.
또한 웨이퍼 하부에 부동화용으로 인위적으로 두껍게 입혀놓은 산화층도 제거해야 한다. 이는 사포로 제거하는 방식을 사용하였다.
산화층 제거를 완료하면 완벽히 제거했는지 확인하기 위해 금속을 입혀 저항을 측정해야 한다. 본 연구에서는 Ag를 사용하여 전극을 만들었고, 이 전극 간의 저항을 측정하였다. 측정 결과 웨이퍼 상부 저항은 37Ω, 웨이퍼 하부 저항은 20Ω으로 나왔다. 이를 비저항으로 환산해보면 각각 15.4Ω·cm, 10Ω·cm로, 오염되지 않은 웨이퍼의 비저항 5-10Ω·cm와 오차 범위 내에 있는 것을 확인하였다. 따라서 산화층이 완벽히 제거되었다고 판단할 수 있었다.
이렇게 산화층을 제거한 후에는 본격적으로 상하부 전극을 증착할 수 있게 된다.
1.3.4. 상·하부 전극 증착
M-S 접합 태양전지에서 Si(n-type) 웨이퍼 상부와 하부에는 전극이 증착되어야 한다. 상부전극은 Schottky 장벽을 생성시키는 역할을 하며, 하부전극은 생성된 다수캐리어를 효과적으로 축적시키는 역할을 한다. 따라서 상·하부 전극 증착은 M-S 접합 태양전지 제작에 있어 매우 중요한 공정이라고 할 수 있다.
상부전극은 빛을 최대한 많이 받을 수 있도록 웨이퍼 상부에 증착되며, 이를 위해 1mm 두께의 Al 판에 손가락 모양으로 절단한 마스크를 사용하였다. 하부전극은 면적이 최대한 넓게 증착되어야 하므로 사각형 모양의 마스크를 사용하였다.
전극 증착 과정은 다음과 같다. 우선 하부전극을 증착할 때는 Evaporator를 이용하여 진공도 10^-5 torr까지 낮춘 후 Ag-Al을 증착하였다. 그리고 상부전극 증착 시에는 진공도 4x10^-5 torr까지 낮춘 후 Au 또는 Mo를 증착하였다. 이와 같이 진공도를 충분히 낮추어 증착을 진행한 이유는 상부 및 하부전극 물질이 쉽게 산화되기 때문이다.
상부전극 증착 시 빛의 투과를 최대화하기 위해 1mm 두께의 Al 판에 손가락 모양으로 절단한 마스크를 사용하였다. 하부전극의 경우 면적이 넓을수록 효율이 좋으므로 사각형 모양의 마스크를 사용하였다.
이렇게 상·하부 전극을 증착함으로써 M-S 접합 태양전지의 Schottky 장벽 형성과 다수캐리어 축적이 가능해졌다. 결과적으로 이를 통해 태양전지의 전기적 특성 향상을 기대할 수 있다.
1.4. 결과 및 고찰
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