Transcript 태양전지의 구성
표면공학 및 박막기술 Surface & Thin Film Engineering 접합, 태양전지 2007학년도 2학기 담당교수 : 전찬욱 [email protected] (화공관 117호) 디스플레이화학공학부 1 p-n접합의 제작 광전자소자연구실 2 p-n접합의 제작 열산화 (Thermal Oxidation) 광전자소자연구실 3 p-n접합의 제작 확산 (Diffusion) 광전자소자연구실 4 p-n접합의 제작 급속열처리 (Rapid Thermal Processing, RTA, RTP) 광전자소자연구실 5 p-n접합의 제작 이온주입 (Ion Implantation) 광전자소자연구실 6 p-n접합의 제작 화학기상증착 (CVD, Chemical Vapor Deposition) 광전자소자연구실 7 p-n접합의 제작 사진식각 (photolithography) 광전자소자연구실 8 p-n접합의 제작 에칭 (Etching) 광전자소자연구실 9 p-n접합의 제작 금속화 (Metallization) 광전자소자연구실 10 p-n접합의 수학적 기술과 정성적 이해 접촉전위차 (contact potential) 전기장 발생 원인 캐리어 확산 : 전자는 n에서 p로. 확산전류의 무한 증가? No. 대항하는 전기장 발생 캐리어의 확산 : 불순물 이온만의 공간 형성 n형 : 도너이온 (Nd+) p형 : 억셉터이온 (Na-) 전기장 방향 : n p 확산전류방향과 반대 접촉전위차의 크기 평형상태 : net current= 0 Jp(표동) + Jp(확산) = 0 Jn(표동) + Jn(확산) = 0 구간 W 내에서 순전류가 0이 되도록 전위차 형성 내부전위장벽 (Vbi, built-in potentail barrier) 전이영역 혹은 공핍층 (W, transition region, or depletion region) 광전자소자연구실 11 p-n접합의 수학적 기술과 정성적 이해 접촉전위차의 크기 kT p p Vo ln q pn pp = Na, nn = Nd로 보면, ni2 nn pn n , pn nn 2 i Vo N kT kT N a N d ln 2 a ln q ni / N d q ni2 예제5-1 Si p-n접합. Na = 1018/cm3, Nd=5x1015/cm3 a) b) c) 300K에서 페르미준위 접합부의 에너지밴드다이어그램으로부터 접촉전위의 크기를 계산 Vo식으로부터 접촉전위의 계산 광전자소자연구실 12 p-n접합의 수학적 기술과 정성적 이해 예제5-1 Si p-n접합. Na = 1018/cm3, Nd=5x1015/cm3 a) b) c) 300K에서 페르미준위 접합부의 에너지밴드다이어그램으로부터 접촉전위의 크기를 계산 Vo식으로부터 접촉전위의 계산 no ni e ( EF Ei ) / kT nn , ni , Si 1.5 1010 5 1015 EF Ein kT ln( nn / ni ) 0.0259 ln 0.329eV 1.5 1010 1018 Eip EF kT ln( p p / ni ) 0.0259 ln 0.467eV 1.5 1010 qVo 0.467 0.329 0.796eV qVo kT ln Na Nd 0.796eV ni2 광전자소자연구실 13 p-n접합의 수학적 기술과 정성적 이해 공핍층 (depletion region) 접합계면의 양쪽에 같은 수의 전하가 존재 qAx p 0 N a qAxn 0 N d x p 0 N a xn 0 N d W x p 0 xn 0 xn 0 WN a /( N d N a ) 2kT N a N d W 2 ln 2 q n i 1 1 N N a a 1/ 2 공핍층 두께는 전위차에 비례한다. if Na<<Nd, xp0 >> xn0 광전자소자연구실 14 접합 전류의 정성적 기술 순방향전압, Vf 내부전위와 반대 방향 접촉전위차 : VoVo-Vf n형 에너지준위 qVf만큼 증가 공핍층 두께 감소 확산전류 증가 표동전류 변화 없음 (?) 역방향전압, Vr 내부전위와 같은 방향 접촉전위차 : VoVo+Vr n형 에너지준위 qVf만큼 감소 공핍층 두께 증가 확산전류 감소 표동전류 변화 없음 (?) 광전자소자연구실 15 접합 전류의 정성적 기술 표동전류 전기장 인가지역 = 공핍층 접합부근에서 생성된 EHP가 전류에 기여 확산거리가 충분히 클 경우 전류에 접합부 건넘 표동전류 = 생성전류 (generation current) 전체 전류 전체전류 = 확산전류 + 표동전류 전압=0 (평형상태 ) : |확산|-|표동|=0 순방향전압 : |확산|-|표동| 확산전류 = 평형상태값 * exp(qVf/kT) 순방향전압에 의한 전류 = Io[exp(qVf/kT)-1] 역방향전압 : |확산|-|표동| 확산전류 = 평형상태값 * exp(qVr/kT) ~0 역방향전압에 의한 전류 = -Io -Io = 역방향포화전류 (reverse saturation current) 광전자소자연구실 16 접합 전류의 정성적 기술 역방향 항복 (reverse breakdown) 역방향전류 = 전압과 무관 V<Vbr : 항복 (breakdown) 파과는 아니다 R 조절하면 소자로 사용 가능 제너효과, 에벌랜치효과로 설명 제너효과 (Zener Effect) p형 가전자 n형 전도전자 : 터널링 확산과 역방향 : 역방향 전류 구성 터널링 : W가 작아야 한다 고농도 도핑을 가진 접합에서만 작동 광전자소자연구실 17 접합 전류의 정성적 기술 애벌랜치 효과 (Avalanche effect) 저농도 도핑된 접합 전기장이 충분히 셀 경우, 충돌이온화 (impact ionization) 발생 캐리어증식 (carrier multiplication) 발생 광전자소자연구실 18 금속-반도체 접합 쇼트키장벽 (Schottky effect) 일함수 (work function ) : 금속 전자친화력 (electron affinity) : 반도체 페르미준위 일정성 확산전류 장벽 전위장벽 광전자소자연구실 19 금속-반도체 접합 쇼트키 다이오드 (Schottky diode) 정류다이오드 고주파특성, 스위칭 속도가 p-n diode보다 빠 르다 광전자소자연구실 20 태양에너지 광전자소자연구실 21 태양광 발전 시스템 광전자소자연구실 22 태양전지 용어 광전자소자연구실 23 광다이오드 광다이오드의 정의 빛 조사에 따른 전류-전압 Photodiode : 광자 (photon)의 흡수에 응답하도록 설계된 단일 접합형 (=two electrode) 소자 빛 조사 광학적 EHP 생성 (gop) 전류 생성전류 : 소수캐리어의 표동전류 (???) 생성전류의 세가지 성분 ① ② ③ 공핍층 내 생성 접촉전위차에 의해 표동 공핍층+확산거리 (n형) 내 생성 공핍층으로 확산 후 표동 공핍층+확산거리 (p형) 내 생성 공핍층으로 확산 후 표동 I op qAg op ( L p Ln W ) 광전자소자연구실 24 광다이오드 다이오드방정식의 수정 총전류 = 열적생성전류x(확산-표동) 광다이오드총전류 = 열적생성전류x(확산-표동)-광학적 생정전류 I I th (eqV / kT 1) I op V=0 (단락) I = Iop = 단락전류 (short circuit current, Isc) gop에 비례하여 단락전류 증가 I=0 (개방) V = Voc = 개방전압 (open circuit voltage) Voc< Vo 로서 무한정 커질 수 없다. kT Voc ln I op / I th 1 q 광전자소자연구실 25 4사분면 동작 광전자소자연구실 26 유기박막태양전지_이창희.pdf 광다이오드 다이오드의 작동 형태 ① ② ③ 순방향전압-순방향전류 : 외부전력 공급으로 소자가 일을 함 역방향전압-역방향전류 : 외부전력 공급으로 소자가 일을 함 순방향전압-역방향전류 : 외부전력없이 소자가 일을 함 광전자소자연구실 27 태양전지 태양전지의 구성 ① ② ③ ④ 대면적 p-n 접합 큰 개방전압 : 큰 접촉전위차 고농도 도핑 긴 캐리어 수명 : 도핑농도 낮아야 낮은 직렬저항 : 금속접합부의 면적을 최대화 태양빛 차단 finger 형태의 전극 배열 광전자소자연구실 28 태양전지 태양전지의 I-V 곡선 ② 4사분면 곡선을 편의상 1사분면으로 이동 I, V 절편이 커야 일할 능력이 크다 : Voc, Isc ③ 최대전력 = VIr이 최대일 때 Vm x Im ④ Vm x Im < Voc x Isc fill factor의 정의 Fill Factor = Vm x Im / Voc x Isc ① ⑤ 광전자소자연구실 29 태양전지 측정 결과 (한국에너지기술연구원) 광전자소자연구실 30