표면 개질로 효율 향상된 유기-나노구조 실리콘 하이브리드 태양전지

초록

우수한 광 포집 특성 지닌 실리콘 나노와이어(SiNW)는 광전 소자 널리 적용되어 Si 광자 수확 증대 기회 제공. 그러나 높은 표면적에 따른 표면 결함 밀도 증가로 광여기 캐리어 쉽게 포획 재결합. 본 연구에서 SiNW 표면 결함과 재결합률 감소 위해 간단 용액 공정으로 표면 구조 개질. 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH) 처리로 매끄럽고 테이퍼진 Si NW 표면 형성, 개방회로 전압(V_oc)과 충전율(FF) 현저 향상. 60초 TMAH 처리로 나노구조 Si/PEDOT:PSS 하이브리드 소자 챔피언 PCE 14.08% 달성. TMAH 처리가 Si NW 기반 소자 향상 위한 단순 효과적 방법임 입증.

배경

광전 소자 에너지 변환 효율은 광흡수 특성과 직결: 더 많은 광 입사, 더 많은 전자 생성. 따라서 광전 소자 광 포집 특성 다수 연구[1-4]. 실리콘 나노와이어, 나노콘, 피라미드 어레이 등 실리콘 나노구조는 우수한 반사 방지 특성으로 Si 광자 수확 증대 기회 제공[5-9]. 금속 보조 에칭, 기상-액상-고체 성장, 반응성 이온 에칭, 레이저 가공 등 다양한 제작법 존재[10,11]. 그러나 강한 광학적 향상에도 불구, 나노구조 관련 높은 표면 결함 밀도로 높은 표면 재결합 문제 발생. 광여기 캐리어 재결합 증가로 충전율(FF)과 개방회로 전압(V_oc) 감소시켜 셀 효율 저하[12,13]. 이는 고성능 나노구조 태양전지 위해 표면 나노구조 개질 중요성 시사.

여기서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)/Si 하이브리드 태양전지 다양한 표면 형태와 면적 나노구조 Si 웨이퍼로 제작. 전도성 고분자 PEDOT:PSS는 적절한 일함수로 Si 내 고갈층 형성[14,15]. 입사 광자 Si 기판 흡수 시 전자-정공 쌍 생성. 광생성 전자-정공 쌍 고갈 영역서 분리. PEDOT:PSS/Si 하이브리드 셀 나노구조 더 대표적: PEDOT:PSS 고분자층이 텍스처 기판 위 코팅되므로[16,17]. 표면적과 표면 재결합은 전극 전달 정공량과 직접 연관. 또한 PEDOT:PSS/Si 하이브리드 셀 나노구조 구현 더 어려움: 균일 PEDOT:PSS 층이 고분자 특성으로 텍스처 기판 위 순응적 코팅 어렵기 때문[18,19]. PEDOT:PSS와 Si 나노구조는 고분자 침투와 표면 박막 형성 허용 필요.

본 연구에서 금속 보조 에칭법으로 제조된 Si NW 표면 TMAH 처리 탐구. 에칭 시간 제어로 광 포집 특성과 표면 결함 균형 맞춘 새로운 표면 나노구조 개발. 실리콘 표면 연마와 나노와이어 감소로 표면 결함 줄이면서 반사율 여전히 낮음. 유효 소수 캐리어 수명 대폭 향상. 수정된 Si 나노구조 사용 PEDOT:PSS/Si 하이브리드 소자 단락 전류(J_sc) 31.53 mA/cm², FF 0.71, V_oc 0.632 V로 전력 변환 효율(PCE) 14.08% 달성.

실험 방법

Si 나노구조 제작

Si NW 제작 공정 2단계 금속 보조 에칭법[20] 따름. Si 기판(0.05~0.1 Ω·cm, 300 µm 두께) 1.5×1.5 cm² 절단. AgNO₃(1 mM)과 HF(0.5 vol%) 혼합 용액으로 은 나노입자 증착. 증착 시간 60초 고정. 즉시 에칭 용액 전이. 에천트 용액 HF(12.5 vol%), H₂O₂(3 vol%) 함유. 은 나노입자 없는 영역 실리콘 수직 에칭으로 수직 정렬 Si NW 형성. 농축 HNO₃ 5분 침지 후 DI 물 3분 세척으로 은 나노입자 제거. TMAH 처리 전 HNO₃ 처리 중 형성된 얇은 SiO₂ 층 제거 필요. 샘플 상온 TMAH(1 vol%) 용액 다양한 시간 에칭으로 실리콘 나노구조 표면적 감소.

PEDOT:PSS/Si 이종접합 태양전지

나노구조 Si 기판 준비 후 PEDOT:PSS 필름 스핀 코팅. PEDOT:PSS 1 wt% 계면활성제 Trion X-100, 5 wt% 디메틸 설폭사이드(DMSO) 함유 전도도 향상[21]. PEDOT:PSS 코팅 기판 125°C 15분 어닐링 용매 수분 제거. 최종 전후면에 은, 알루미늄 증착 전극 형성. 소자 활성 영역 0.8 cm² 차광 마스크 정의.

소자 특성 분석

나노구조 고해상도 이미지 주사전자현미경(SEM, Carl Zeiss Suppra 55) 촬영. 소수 캐리어 수명 마이크로파 검출 광전도도 MDP 맵(Freiberg Instruments)으로 매핑. 반사 스펙트럼 적분구(Perkin-Elmer Lambda 700) 측정. 태양전지 특성 태양 모의기(Newport 91160, 300W 제논 램프, AM 1.5 필터) 테스트. 조사 강도 100 mW/cm² 표준 Si 태양전지(Newport 91150) 보정. 외부 양자 효율(EQE) Newport 모노크로메이터 74125, 파워 미터 1918, Si 디텍터 918D 셋업 획득.

결과 및 고찰

TMAH 처리에 의한 SiNW 기판 형태 및 광학 특성

제작 고밀도 Si 나노구조 SEM 이미지 Fig. 1a. Si NW Si 웨이퍼 균일 분포, 평균 직경 30-50 nm. 나노와이어 2단계 금속 보조 화학 에칭[20] 제작. 1단계 Ag 나노입자 Ag-Si 산화환원으로 자기조립, 2단계 HF/H₂O₂ 혼합 에천트서 수직 에칭. Si NW 밀도 매우 높고 표면적 큼. Fig. 1b-d는 50-70초 이방성 TMAH 에칭 시간별 Si NW SEM 이미지. 높이 50, 60, 70초 후 각각 약 120, 100, 95 nm. 에칭 공정 나노구조 형태 명확히 변화[22,23]. TMAH 농도와 온도 일정 시 에칭 시간 증가에 따라 다공성 SiNW 더 에칭. TMAH 처리로 Si NW 희소해지고 테이퍼짐. 또한 이방성 TMAH 에칭으로 나노홀 바닥에 역피라미드 형성, 60초 에칭 후 뚜렷. 역피라미드 출현은 나노구조 실리콘 표면적 극적 감소시킴과 동시에 빛 효과적 포집.

나노구조 광 수확 특성 평가 위해 반사율 측정, Fig. 2a. 제작 직후 Si NW 300-1100 nm 파장대 반사율 상대적 낮음. TMAH 처리 구조는 원본 Si NW만큼 광 포집 우수하지 않으나 평균 광학 반사율 평면 Si 기판 대비 모든 파장대 여전히 낮음. 광 손실은 표면 결함 감소 기여.

TMAH 처리에 의한 Si NW 기판 표면 재결합

표면 결함 감소 확인 위해 유효 소수 캐리어 수명 측정, 재결합 메커니즘 평가. Fig. 2b 다양한 에칭 공정 시료 주입 레벨 의존 유효 캐리어 수명(τ_eff). 곡선 형태 경향 거의 동일: τ_eff 주입 레벨 증가 시 증가. 동일 주입 레벨에서 TMAH 처리 나노구조 Si 기판이 Si NW보다 높은 τ_eff 보임. Fig. 3a,b 소수 전하 수명 측정 개요도. 광전도도는 캐리어 농도와 밀접, 직사각 레이저 펄스 여기 중/후 마이크로파 흡수로 측정. Fig. 3c-f 주입 레벨 5×10¹⁷ cm⁻³에서 시료별 소수 수명 매핑. 순수 Si NW 기판 평균 소수 캐리어 수명 8.1 µs, TMAH 처리 시료 13.6 µs(50초), 17.0 µs(60초), 19.4 µs(70초).

실리콘 태양전지 소수 캐리어 수명 식:

1/τ_eff = 1/τ_bulk + 2S/W

τ 유효 수명, τ_bulk 벌크 재결합 수명, S 표면 재결합 속도, W 웨이퍼 두께. 모든 시료 벌크 재결합과 두께 일정하므로 τ_eff 증가는 표면 재결합률 감소 의미. 에칭 시간 증가 시 Si NW 수 감소→표면 결함 감소. 광생성 캐리어 표면 재결합 손실 취약. 나노구조 표면적 현저 감소로 표면 재결합 공정 감소 예상. 표면 정화와 표면적 감소 결합으로 전하 재결합 극적 억제. 50, 60, 70초 에칭 시 표면적 감소와 매끄러운 표면으로 표면 결함 적고 재결합률 낮음. TMAH 에칭 시간 더 늘리면 나노구조 소멸, 반사율 대폭 상승.

태양전지 소자 성능

PEDOT:PSS/Si 하이브리드 태양전지 구조 Fig. 4a. 소자 성능 Table 1 요약. 상이한 나노구조 Si 기판 기반 소자 J-V 곡선 Fig. 4b. Si NW 기반 소자 PCE 11.02%, V_oc 0.584 V, J_sc 29.24 mA·cm⁻², FF 0.64. 나노구조 결함 많음으로 V_oc 상대적 낮음. TMAH 연마 후 소자 성능 대폭 향상. 50초 에칭: PCE 13.34%, V_oc 0.630 V, J_sc 30.25 mA·cm⁻², FF 0.70. 60초 에칭: PCE 14.08%, V_oc 0.632 V, J_sc 31.53 mA·cm⁻², FF 0.71. 70초 에칭: PCE 12.16%, V_oc 0.628 V, J_sc 27.27 mA·cm⁻², FF 0.71. V_oc와 FF 대폭 향상 확인.

향상 두 가지 이유. 첫째, TMAH 연마 처리로 전면 표면 재결합 억제, 소수 수명 측정 입증. EQE 측정 Fig. 4c에서 청색 영역(400-500 nm) 소자 응답이 기판 구조 강의존. 에칭 시간 증가 시 청색 영역 EQE 증가. 반사 스펙트럼에서 이 영역 공정간 차이 작음. 따라서 나노구조 높은 표면적 표면 재결합 증가 탓. 장파장 영역 EQE 에칭 시간 증가에 따라 감소, 반사 특성 잘 일치.

둘째, 접촉 저항 관련. Fig. 5a에서 PEDOT:PSS 층이 무작위 고밀도 Si NW 기판 위 순응적 코팅 어렵음. TMAH 처리 후 나노와이어 테이퍼지고 희소해짐. 스핀 코팅 시 PEDOT:PSS 간극 침투 가능 Fig. 5b. 또한 TMAH 처리 Si NW 표면 OH 기 유도, Si NW와 PEDOT:PSS 부착력 증가[25,26]. 따라서 연마 나노구조 기판과 PEDOT:PSS 필름 접촉 면적 Si NW 소자보다 훨씬 큼. 전면 표면 전하 이동/수집 저항 TMAH 처리로 감소.

추가적으로 암실 J-V 곡선 Fig. 4d. TMAH 처리 후 포화 전류 밀도(J₀) 현저히 억제 관찰. 일반적으로 V_oc는 저 J₀가 고접합 품질 의미하는 계면 특성 강의존[27-30]. J₀ 감소로 계면 전하 분리 효율 향상, V_oc 증가, 소자 성능과 일치.

결론

결론적으로 하이브리드 Si/고분자 태양전지용 Si 기판 구조 제어 TMAH 처리로 개질. 이 처리로 Si NW 테이퍼지고 희소해져 표면적과 결함 감소. 표면 결함과 재결합률 최소화로 소수 캐리어 수명 향상. 60초 TMAH 처리로 하이브리드 Si/고분자 태양전지 PCE 14.08% 달성. 이 단순 표면 개질 공정은 나노구조 Si 기반 광전소자 향상 위한 효과적 방법 약속.

약어

EQE:

외부 양자 효율

FF:

충전율

J_sc:

단락 전류

PCE:

전력 변환 효율

PEDOT:PSS:

폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)

SEM:

주사전자현미경

Si NWs:

실리콘 나노와이어

TMAH:

테트라메틸 암모늄 하이드록사이드

V_oc:

개방회로 전압