1. 서 론
탄소 재료는 많은 매복 량과 우수한 열, 전기 전도성을 갖으며 다양한 응용이 가능한 재료로써 1,2차 전지(primary, secondary battery) 및 축전지(capacitor) 등 에너지 저장 기술 분야에서 많이 사용 되고 있다.1-3) 탄소 재료는 다 양한 제조 방법과 목적에 따라 그래핀(graphene), 탄소 섬유(carbon fabric), 흑연(graphite) 등의 재료로 응용 되 며 구조체로써 많이 쓰이고 있지만 최근 전자 재료의 형 태로도 많은 연구들이 진행되고 있다. 태양전지 분야에 서도 탄소 재료를 사용한 많은 연구들이 진행 되고 있 는데 특히 그라파이트를 기판으로 사용하거나 그래핀을 사용하여 전극으로 적용하는 등 연구들이 진행되고 있 다.4-6) 그러나 탄소 섬유 복합재와 같은 재료는 우수한 성능에도 불구하고 상대적으로 높은 제조 비용과 낮은 에너지 변환 효율을 나타내고 있어 직조를 통한 면적 증 대나 탄소에 세라믹 입자를 분산시킨 복합재료등의 방 법들이 연구 되고있다.7,8)
그라파이트 기판을 이용하여 제작한 박막 실리콘 태양 전지의 특성을 확보하기 위해서는 기판 표면의 탄소 입 자에 의한 높은 표면거칠기를 제거할 필요가 있다. 이 전 실험 결과에서, 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma- enhanced chemical vapor deposition, PECVD)을 이용 하여 실리콘 산화막과 질화막 계열의 배리어 막을 증착 하여서 표면 거칠기를 100 nm 미만으로 감소 시킬 수 있었다. 그 결과, 박막 실리콘을 균일하게 증착할 수 있 었고, 비정질 박막 실리콘 구조의 태양전지에서 배리어 막 850 nm 적층 구조에서 7.3~7.8 %로 최고 효율을 보 였다.9) 실리콘 태양전지의 낮은 효율의 원인 중 하나는 비정질 실리콘이 구조상 많은 dangling bond를 가지고 있어 그로 인해 생긴 재결합이 태양전지의 효율에 영향 을 미친다.10-12) 재결합을 낮추어 캐리어 수집 확률을 향 상시키기 위한 방법으로는 비정질 실리콘에 수소를 첨 가하거나(a-Si:H), 나노 또는 마이크로 결정구조를 가지 는(nc-Si, μc-Si) 형태로 증착하여 재결합 수를 줄이는 방 법이 있다.13,14)
본 연구에서는 그라파이트 기판에 제작된 박막 실리콘 태양전지의 효율 향상을 위해 미세 결정 구조인 nc-Si 으로 태양전지를 제조 하여 비정질 실리콘 구조로 제작 된 태양전지에 비해 개선된 효율을 얻었다. 또한 미세 결정 구조의 태양전지를 그라파이트 시트(graphite sheet) 에 적용하여 유연(flexible) 태양전지 제작 가능성을 확 인하였다.
2. 실험방법
2.1 탄소 기판 재료
미세 결정 구조의 실리콘 태양전지의 제작에 탄소 기 판(graphite plate - Nippon Carbon Co. Ltd, “CCM- 400C”)과 유연(flexible) 태양전지에 적용 하기 위해 그라 파이트 시트(graphite sheet - Panasonic, “EYGS121803”) 가 사용되었다. 태양전지는 5 cm× 5 cm의 크기로 제작 하였다.
2.2 미세 결정 실리콘 태양전지
그라파이트 기판의 높은 표면거칠기를 제어와 탄소 입 자에 의한 오염 방지를 위해 플라즈마 화학 기상 증착 법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 으로 SiOx/SiNx 의 적층 구조로 배리어 층을 쌓았다. 광 흡수층으로는 미세 결정 실리콘을 H2와 SiH4의 비율 조 절을 통해 PECVD로 증착하였다. 증착 조건에 대한 미 세 결정 구조는 지난 연구에서 확인하였으며15) 증착된 실 리콘층의 라만 분석을 Fig. 1에 나타내었다. 라만 분석 은 514 nm 파장의 레이저를 사용하였으며 비정질 실리 콘과 미세 결정실리콘에 대하여 분석을 진행 하였다. Fig. 2에는 미세 결정 실리콘으로 제작된 태양전지의 모식도 와 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지를 나타내었다. 공정 순서는 그라파이트 기 판에 배리어 층으로 SiOx/SiNx을 적층하고 후면 전극으 로 Ag/투명전극(Al doped ZnO, AZO)층을 형성하였다. 다음으로 광흡수층과 전자-정공 수집을 위해 N(phosphorus doped Si, N-layer), I(intrinsic silicon, I-layer), P(boron doped silicon, P-layer) 층을 PECVD로 각각 30 nm, 2,000 nm, 30 nm 두께로 쌓았다. 전면 전극은 인듐 주 석 산화물(indium tin oxide, ITO) 층과 Al 전극 패턴을 형성하여 태양전지를 제작 하였다. 탄소 기판의 거칠기 를 제어하기 위해 PECVD로 증착된 배리어 층 적층막 은 순서에 상관없이 비슷한 효율을 보이지만 산화막(SiOx film) 내부의 산소로부터 전극으로의 혼입을 막기 위해 서 SiOx/SiNx 순으로 적층하였다.
2.3 유연 태양전지(Flexible Solar cell)
유연(flexible) 태양전지에 응용하기 위해 그라파이트 시 트에 같은 박막 실리콘 증착 공정(미세 결정 구조)을 진 행하였다. 유연 태양전지 제작에 사용된 그라파이트 시 트는 25 μm의 상용 시트가 사용되었다. 그라파이트 시 트는 polyimide tape로 고정하여 진공 박막을 증착하였 다. Fig. 3에는 그라파이트 시트를 기판으로 사용하여 제 조된 유연 태양전지의 사진을 보여준다.
3. 결과 및 고찰
3.1 미세 결정 실리콘 태양전지
미세 결정 실리콘은 비정질 실리콘에 비해 상대적으로 우수한 안정성과,16) 높은 전도성,17) 높은 이동도18)를 가 지고 있어 태양전지 효율 향상을 기대할 수 있다. 본 연 구에서는 비정질 실리콘 대신 미세 결정 실리콘 구조의 태양전지를 제작하였다. 미세 결정 실리콘 태양전지의 특 성 분석을 위해 전류-전압 측정과 양자 효율 분석을 진 행하였고 Fig. 4에 정리하였다. 양자 효율 곡선에서 배 리어 층이 850 nm 적층 구조일 때 21.45 mA/cm2로 높 은 단락전류 값을 나타내었고 이는 전류-전압 곡선에 상 응한 결과를 나타낸다. 이러한 효율 차이는 이전 연구 에서 알 수 있는데, 배리어 층을 850 nm 적층 하였을 때 rms 표면 거칠기 값이 50 nm 수준으로 가장 낮은 값 을 가져 태양전지 층의 두께 균일도가 향상되었고, 비 정질 실리콘 구조에서 7.8 %의 효율을 나타냈다.9) 마찬 가지로 본 연구에서 제작된 미세 결정 실리콘 구조의 태 양전지 에서도 같은 경향을 나타내었다. 배리어 층이 850 nm의 두께를 갖을 경우 8.45 %로 최고 효율이 나타났 으며, 800 nm의 배리어 층 두께에서는 약간 낮은 7.89 %의 효율로 배리어 층 두께에 따른 표면 거칠기 제어 에 따라 효율에 영향을 보였다. 결과적으로, 이전 실험 에서 배리어 층 두께에 따라 rms 표면 거칠기 값을 제 어함으로써 850 nm의 배리어 층에서 가장 좋은 효율을 보였고 효율을 조금 더 개선하기 위해 비정질이 아닌 미 세 결정 구조를 택함으로써 8.45 %의 최고 효율을 확인 할 수 있었다. 또한 탄소 기판의 특성상 고온에서도 기 판의 변형없이 공정을 진행 할 수 있기 때문에, 실리콘 층의 구조와 전극 형성에 대한 추가 연구를 통해 고온 공정에서 실리콘 결정화를 진행 한다면 효율 향상이 가 능할 것이다.
3.2 유연 태양전지
유연(flexible) 태양전지 제작을 위해 그라파이트 시트 에 미세 결정구조의 태양전지를 적용 시켰다. 유연 태 양전지의 특성 분석은 Fig. 5에 나타내었고 그라파이트 기판과 그라파이트 시트에 적용된 미세 결정 태양전지 특성 값들을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 제작된 유 연 태양전지의 최고 효율은 8.42 %로 큰 효율 감소 없 이 잘 제작 된 것을 알 수 있다. 유연 태양전지의 제작 은 얇은 두께의 그라파이트 시트를 사용하기 때문에 찢 어질 위험이 있어 핸들링이나 진공 장비 사용에 다루기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 유연 태양전지의 제작에 는 기판의 유연성과 더불어 내구성이 요구되며 안정적 인 공정 방법과 모듈 패키징에 대한 추가적인 연구가 필 요하다.
