열 증발 및 원자 층 증착에 의해 기록 효율 SNS 태양 전지 만들기

이 절차의 전반적인 목표는 새로운 재료 기반의 태양전지를 개발하기 위한 신뢰할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것입니다. 이는 먼저 깨끗한 전기 절연 기판을 준비함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 후면 정공 선택적 전기 접점을 위해 스퍼터링된 몰리브덴 두 층을 증착하는 것입니다.

다음으로 원자층 증착법 또는 열 증착법을 이용하여 P형 황화주석 흡수층을 증착합니다. 마지막 단계는 화합물 산화황화아연 버퍼층, 투명 전도성 산화물, 그리고 전하 수집을 돕기 위해 증착된 금속 핑거로 구성된 N형 층 스택을 증착하여 PN 접합을 완성하는 것입니다. 최종적으로, 완성된 태양전지는 모사 태양광 아래에서 전류-전압 곡선을 측정하고 단색광 조사 하에서 양자 효율을 측정하여 테스트합니다.

이 방법은 황화주석 태양전지 개발을 위해 시연되었지만, 다른 신소재를 기반으로 한 무기 박막 기판 방식의 태양전지 개발에도 활용될 수 있습니다. 원자층 증착법을 이용한 황화주석의 증착은 하버드 대학교 Gordon 그룹의 대학원생인 Schwan Yang이 시연할 예정입니다. MIT 광전지 연구소의 박사후 연구원인 Steinman이 열 증착법을 이용한 황화주석의 증착을 시연할 것입니다.

이 영상은 실리콘 웨이퍼 기판 준비 이후 단계부터 시작됩니다. 300 nm 이상의 두께를 가진 열 산화막이 형성된 1평방 인치 크기의 연마된 500 µm 두께 실리콘 웨이퍼를 사용하십시오. 먼저 360 nm 두께의 몰리브덴 접착층을 스퍼터링한 후, 두 번째로 360 nm 두께의 maum 전도층을 증착합니다.

원자층 증착을 위해 기판을 준비하려면, 황화주석을 증착할 때까지 준비된 기판을 질소 글로브 박스에 보관하십시오. 먼저, 유기 입자를 제거하기 위해 기판을 UV 오존 세정기로 옮깁니다. 기판을 5분 동안 세척하십시오.

세척이 진행되는 동안 증착 챔버용 기판 홀더를 가까이 준비해 둡니다. 준비가 되면 기판을 회수하여 샘플 홀더에 배치합니다. 이제 기판이 장착된 이 샘플 홀더를 증착 챔버에 넣을 준비가 되었습니다.

홀더를 가열로에 넣은 다음, 러핑 진공 펌프를 사용하여 가열로 내부를 진공 상태로 만듭니다. 그다음, 가열로 온도를 200 °C로 안정화합니다. 이어서 전구리 상태를 확인합니다.

주석 황화물 증착을 위해 95 °C의 오븐에서 tin ate 전구체를 유지합니다. 주석 ate 증기의 전달을 돕기 위해 고순도 질소 가스가 공급되도록 가스 배관을 배치합니다. 두 번째 전구체는 질소 가스 내 4% Hydrogen sulfide 혼합 가스이며, 사이클당 0.33 angstroms의 성장 속도로 증착을 진행합니다.

각 원자층 증착 주기 동안, 10 ate를 3회 공급하여 총 1.1 tor second의 노출량을 확보합니다. 그 후 질소 가스로 챔버를 퍼지합니다. 다음으로, 질소 가스에 포함된 황화수소를 주입하여 1.5 tor second 동안 노출시킵니다.

마지막으로, 질소로 다시 퍼지합니다. 대체 증착 방법으로는 열 증착법이 있습니다. 공정 챔버의 압력이 2 × 10⁻⁷ tor 이하인지 확인하십시오.

기질을 안정적으로 고정하기 위해 적절한 크기의 포켓이 있는 샘플 홀더를 사용하십시오. 이전과 마찬가지로 몰리브덴 두 층이 형성된 미리 준비된 기질을 사용합니다. 여기에는 도식적으로 표시되어 있습니다.

홀더에 이 기판과 이후 특성 분석을 위한 소량의 추가 CYS 기판을 적재하십시오. 로드락을 통해 샘플 홀더를 열 증착기에 적재하십시오. 로드락을 진공 펌핑한 후, 기판을 성장 챔버로 이송하십시오.

전사 암(transfer arm)이 제자리에 위치했을 때, 성장 속도 1 Å/s 및 기판 온도 240 °C를 달성하도록 소스 및 기판 히터를 램프 업(ramp up)합니다. 이제 석영 결정 모니터(quartz crystal monitor)로 증착 속도를 측정하기 위해 기판을 상승시킵니다. 선형 이동 암(linear translation arm)을 작동시켜 석영 결정 모니터를 프로세스 챔버 내부로 이동시킵니다.

설치가 완료되면, 소스 셔터를 열어 측정을 시작합니다. 성장 속도는 Crystal Monitor 컨트롤러의 전면 패널에 표시됩니다. 측정이 완료되면 셔터를 닫고 챔버에서 쿼츠 모니터를 제거합니다.

그 다음 기판을 성장 위치로 내리고 소스 셔터를 열어 증착을 시작합니다. 목표 박막 두께인 1000 nanometers를 얻기 위해 증착은 약 3시간 동안 진행됩니다. 증착이 완료되면 소스 셔터를 닫습니다.

수정 진동자 모니터를 사용하여 성장 속도 측정을 반복합니다. 측정이 끝나면 소스 셔터를 닫고 히터를 끈 다음, 기판을 로드락으로 옮기기 전에 식을 때까지 기다립니다. 락을 대기로 벤트하고 기판을 꺼냅니다.

시료 홀더에서 신속하게 분리하여 질소 글로브 박스 내의 보관 장소로 운반합니다. 원자층 증착 또는 열 증착 공정 후, 시료에는 황화주석 층이 형성됩니다. 이후 모든 시료는 황화수소 가스에서 어닐링 과정을 거친 후, 자연 산화물을 이용한 표면 수동화 처리를 수행합니다.

다음 단계는 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 이용하여 N형 아연 옥시설파이드(zinc oxy sulfide) 및 산화아연(zinc oxide) 버퍼층을 증착하는 것입니다. 그다음 단계는 투명 전도체를 증착하는 것입니다. 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)을 증착하기 전에 인듐 주석 산화물을 사용합니다.

소자의 활성 영역을 설정해야 합니다. 금속 섀도우 마스크를 사용하여 투명 전도성 산화물 패드 크기를 정의하며, 이 패드 크기가 소자의 활성 영역을 결정합니다. 마스크를 통해 크기가 0.25 square centimeters인 직사각형 소자 11개와, 도면의 한쪽 모서리에 광 반사율 측정용으로 사용되는 더 큰 패드 하나를 정의합니다.

하나의 소자에 추가될 인듐 주석 산화물 층의 크기는 음영 처리된 영역으로 표시되며, 소자와 마스크를 마스크 정렬기에 장착합니다. 마스크는 마스크 정렬기 내에서 휘어지지 않도록 충분히 두꺼워야 합니다. 그렇지 않으면 산화물 패드 영역이 불분명해질 수 있습니다.

장치가 장착된 마스크 정렬기를 스퍼터링 챔버로 옮깁니다. 증착 단계를 위해 마스크 정렬기를 정해진 위치에 놓습니다. 다음 단계는 240 nanometer 두께의 indium tin oxide 박막을 성장시키는 것입니다.

이를 위해 기판을 80~90°C로 가열하고 기판 회전을 활성화합니다. 고주파 스퍼터링 전력, 아르곤 및 산소 가스 유량과 압력을 설정한 후, 증착 과정을 도식적으로 모니터링합니다. 이것이 인듐 주석 산화물(indium tin oxide) 증착 후의 소자 상태입니다.

다음 단계는 금속화입니다. 섀도 마스크와 전자빔 증착법을 사용하여 500 nanometers 두께의 전도성 금속인 은 또는 니켈 알루미늄 적층 구조를 증착합니다. 이것이 완성된 샘플입니다.

여기에 제시된 샘플은 제작 후 몰리브덴 후면 전극을 노출시키기 위해 이미 긁어낸 상태임을 유의하십시오. 대기 질량 계수 1.5로 보정된 태양광 시뮬레이터를 사용하여 소자 특성 분석 단계로 넘어갑니다. 먼저, 메스 날을 사용하여 버퍼층과 황화주석층을 긁어내어 몰리브덴 후면 전극을 노출시킵니다.

다음으로 샘플을 레일 장착형 샘플 척 위에 놓습니다. 진공 상태로 샘플을 고정하며 척 온도는 25 °C로 제어됩니다. 이제 샘플의 각 소자와 긁어낸 백 컨택(back contact)에 전기적 접촉을 형성합니다. 여기서는 구리-베릴륨 소재의 맞춤형 프로브 카드를 사용하여 모든 소자에 동시에 접촉시키는 방식으로 수행합니다.

일상적인 측정에는 4-와이어 모드의 더블 프로브 팁을 사용합니다. 더욱 엄격한 테스트를 위해서는 라이트 어퍼처(light aperture) 사용을 생략하며, 어퍼처는 활성 영역을 정의하는 데 사용되어야 합니다. 투명 전도성 산화물 섀도 마스크가 이 목적으로 사용될 수 있습니다.

자동 테스트 시스템을 사용하여 광전류 및 암전류 전압 데이터를 수집할 수 있도록 척(chuck)을 이동시켜 소자들을 배치합니다. 광 셔터를 열고 닫으면서 개별 소자들을 순차적으로 측정하도록 시스템을 프로그래밍합니다. 테스트 과정은 이 영상에서 확인할 수 있으나, 일반적으로는 주변광을 줄이기 위해 검은색 커튼 뒤에서 수행해야 합니다.

현재-전압 측정이 끝나면 샘플 척을 외부 양자 효율 시스템으로 슬라이드하여 이동시키며, 광조사 하의 현재-전압 데이터, 외부 양자 효율 데이터 및 광 반사 측정값은 소자의 기초 특성 분석을 제공합니다. 여기에는 열 증착법을 사용하여 제작된 두 가지 샘플 소자의 태양전지 성능 데이터가 있습니다. 각 소자에 대해 한 샘플은 회색, 다른 샘플은 빨간색으로 구분됩니다.

개방 회로 전압, 단락 전류 밀도, 충전율 및 전력 변환 효율이 제시되어 있습니다. 가장 우수한 소자들은 약 4%의 효율을 보입니다. 두 소자 전체에서 효율과 충전율 사이에 나타나는 뚜렷한 상관관계는 션트 저항 또는 직렬 저항 손실이 발생하는 소자들의 특성과 일치합니다.

빨간색 데이터는 병렬 저항에서 예상되는 바와 같이 효율과 개방 전압 사이의 상관관계 또한 보여줍니다. 비교를 위한 손실 값입니다. 다음은 원자층 증착법을 사용하여 제작된 소자의 태양전지 성능 데이터입니다.

이 장치들은 열 증착 장치보다 우수한 성능을 보였으며, 가장 우수한 장치는 4.6%의 효율을 나타냈습니다. 이러한 차이는 여러 요인에 기인할 수 있습니다. 한 가지 요인은 원자층 증착법으로 제작된 장치가 션트 저항 손실(shunt resistance losses)이 더 적은 것으로 보인다는 점입니다.

황산과 작업하는 것은 매우 위험할 수 있다는 점을 잊지 마십시오. 황산 탱크는 황산 검출기가 장착된 흄 후드와 같은 공기 환기 장치 내에 보관해야 합니다. 우리는 이 기본 제작 프로토콜을 태양 전지의 전반적인 성능을 향상시키고 특정 손실 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 설계된, 제어되고 집중된 실험을 수행하기 위한 플랫폼으로 생각합니다.

이 영상을 시청하고 나면, 재현 가능한 기판 스타일의 태양전지를 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.