태양전지의 구성

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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
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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
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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
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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
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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 )
 2kT  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
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접합 전류의 정성적 기술

순방향전압, Vf







내부전위와 반대 방향
접촉전위차 : VoVo-Vf
n형 에너지준위 qVf만큼 증가
공핍층 두께 감소
확산전류 증가
표동전류 변화 없음 (?)
역방향전압, Vr






내부전위와 같은 방향
접촉전위차 : VoVo+Vr
n형 에너지준위 qVf만큼 감소
공핍층 두께 증가
확산전류 감소
표동전류 변화 없음 (?)
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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)
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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
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접합 전류의 정성적 기술

애벌랜치 효과 (Avalanche effect)




저농도 도핑된 접합
전기장이 충분히 셀 경우,
충돌이온화 (impact ionization) 발생
캐리어증식 (carrier multiplication) 발생
광전자소자연구실
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금속-반도체 접합

쇼트키장벽 (Schottky effect)




일함수 (work function ) : 금속
전자친화력 (electron affinity) : 반도체
페르미준위 일정성
확산전류 장벽  전위장벽
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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 )
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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
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4사분면 동작
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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
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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
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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
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29
태양전지 측정 결과 (한국에너지기술연구원)
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30