1 2007 학년도 2 학기 담당교수 : 전찬욱 ( 화공관 117 호 ) 디스플레이화학공학부 접합, 태양전지 표면공학 및 박막기술 Surface & Thin Film Engineering.

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1 1 2007 학년도 2 학기 담당교수 : 전찬욱 cwjeon@ynu.ac.krcwjeon@ynu.ac.kr ( 화공관 117 호 ) 디스플레이화학공학부 접합, 태양전지 표면공학 및 박막기술 Surface & Thin Film Engineering

2 광전자소자연구실 2 p-n 접합의 제작

3 광전자소자연구실 3 p-n 접합의 제작 열산화 (Thermal Oxidation)

4 광전자소자연구실 4 p-n 접합의 제작 확산 (Diffusion)

5 광전자소자연구실 5 p-n 접합의 제작 급속열처리 (Rapid Thermal Processing, RTA, RTP)

6 광전자소자연구실 6 p-n 접합의 제작 이온주입 (Ion Implantation)

7 광전자소자연구실 7 p-n 접합의 제작 화학기상증착 (CVD, Chemical Vapor Deposition)

8 광전자소자연구실 8 p-n 접합의 제작 사진식각 (photolithography)

9 광전자소자연구실 9 p-n 접합의 제작 에칭 (Etching)

10 광전자소자연구실 10 p-n 접합의 제작 금속화 (Metallization)

11 광전자소자연구실 11 p-n 접합의 수학적 기술과 정성적 이해 접촉전위차 (contact potential)  캐리어 확산 : 전자는 n 에서 p 로.  확산전류의 무한 증가 ? No.  대항하는 전기장 발생 전기장 발생 원인  캐리어의 확산 : 불순물 이온만의 공간 형성  n 형 : 도너이온 (N d + )  p 형 : 억셉터이온 (N a - )  전기장 방향 : n  p  확산전류방향과 반대 접촉전위차의 크기  평형상태 : net current= 0  J p ( 표동 ) + J p ( 확산 ) = 0  J n ( 표동 ) + J n ( 확산 ) = 0  구간 W 내에서 순전류가 0 이 되도록 전위차 형성   내부전위장벽 (V bi, built-in potentail barrier)   전이영역 혹은 공핍층 (W, transition region, or depletion region)

12 광전자소자연구실 12 p-n 접합의 수학적 기술과 정성적 이해 접촉전위차의 크기  p p = N a, n n = N d 로 보면, 예제 5-1 Si p-n 접합. Na = 10 18 /cm 3, Nd=5x10 15 /cm 3  300K 에서 페르미준위  접합부의 에너지밴드다이어그램으로부터 접촉전위의 크기를 계산  V o 식으로부터 접촉전위의 계산

13 광전자소자연구실 13 p-n 접합의 수학적 기술과 정성적 이해 예제 5-1 Si p-n 접합. Na = 10 18 /cm 3, Nd=5x10 15 /cm 3  300K 에서 페르미준위  접합부의 에너지밴드다이어그램으로부터 접촉전위의 크기를 계산  V o 식으로부터 접촉전위의 계산

14 광전자소자연구실 14 p-n 접합의 수학적 기술과 정성적 이해 공핍층 (depletion region)  접합계면의 양쪽에 같은 수의 전하가 존재  공핍층 두께는 전위차에 비례한다.  if Na > x n0

15 광전자소자연구실 15 접합 전류의 정성적 기술 순방향전압, V f  내부전위와 반대 방향  접촉전위차 : V o  V o -V f  n 형 에너지준위 qV f 만큼 증가  공핍층 두께 감소  확산전류 증가  표동전류 변화 없음 (?) 역방향전압, V r  내부전위와 같은 방향  접촉전위차 : V o  V o +V r  n 형 에너지준위 qV f 만큼 감소  공핍층 두께 증가  확산전류 감소  표동전류 변화 없음 (?)

16 광전자소자연구실 16 접합 전류의 정성적 기술 표동전류  전기장 인가지역 = 공핍층  접합부근에서 생성된 EHP 가 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(qV f /kT)  순방향전압에 의한 전류 = I o [exp(qV f /kT)-1]  역방향전압 : | 확산 |-| 표동 |  확산전류 = 평형상태값 * exp(qV r /kT) ~0  역방향전압에 의한 전류 = -I o  -I o = 역방향포화전류 (reverse saturation current)

17 광전자소자연구실 17 접합 전류의 정성적 기술 역방향 항복 (reverse breakdown)  역방향전류 = 전압과 무관  V<V br : 항복 (breakdown)  파과는 아니다  R 조절하면 소자로 사용 가능  제너효과, 에벌랜치효과로 설명 제너효과 (Zener Effect)  p 형 가전자  n 형 전도전자 : 터널링  확산과 역방향 : 역방향 전류 구성  터널링 : W 가 작아야 한다  고농도 도핑을 가진 접합에서만 작동

18 광전자소자연구실 18 접합 전류의 정성적 기술 애벌랜치 효과 (Avalanche effect)  저농도 도핑된 접합  전기장이 충분히 셀 경우,  충돌이온화 (impact ionization) 발생  캐리어증식 (carrier multiplication) 발생

19 광전자소자연구실 19 금속 - 반도체 접합 쇼트키장벽 (Schottky effect)  일함수 (work function ) : 금속  전자친화력 (electron affinity) : 반도체  페르미준위 일정성  확산전류 장벽  전위장벽

20 광전자소자연구실 20 금속 - 반도체 접합 쇼트키 다이오드 (Schottky diode)  정류다이오드  고주파특성, 스위칭 속도가 p-n diode 보다 빠르 다

21 광전자소자연구실 21 태양에너지

22 광전자소자연구실 22 태양광 발전 시스템

23 광전자소자연구실 23 태양전지 용어

24 광전자소자연구실 24 광다이오드 광다이오드의 정의  Photodiode : 광자 (photon) 의 흡수에 응답하도록 설 계된 단일 접합형 (=two electrode) 소자 빛 조사에 따른 전류 - 전압  빛 조사  광학적 EHP 생성 (g op )  전류  생성전류 : 소수캐리어의 표동전류 (???) 생성전류의 세가지 성분  공핍층 내 생성  접촉전위차에 의해 표동  공핍층 + 확산거리 (n 형 ) 내 생성  공핍층으로 확산 후  표 동  공핍층 + 확산거리 (p 형 ) 내 생성  공핍층으로 확산 후  표 동

25 광전자소자연구실 25 광다이오드 다이오드방정식의 수정  총전류 = 열적생성전류 x( 확산 - 표동 )  광다이오드총전류 = 열적생성전류 x( 확산 - 표동 )- 광학적 생정전류 V=0 ( 단락 )  I = I op = 단락전류 (short circuit current, I sc )  g op 에 비례하여 단락전류 증가 I=0 ( 개방 )  V = V oc = 개방전압 (open circuit voltage)  V oc < V o 로서 무한정 커질 수 없다.

26 광전자소자연구실 26 4 사분면 동작 유기박막태양전지 _ 이창희.pdf

27 광전자소자연구실 27 광다이오드 다이오드의 작동 형태  순방향전압 - 순방향전류 : 외부전력 공급으로 소자가 일을 함  역방향전압 - 역방향전류 : 외부전력 공급으로 소자가 일을 함  순방향전압 - 역방향전류 : 외부전력없이 소자가 일을 함

28 광전자소자연구실 28 태양전지 태양전지의 구성  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

29 광전자소자연구실 29 태양전지 태양전지의 I-V 곡선  4 사분면 곡선을 편의상 1 사분면으로 이동  I, V 절편이 커야 일할 능력이 크다 : V oc, I sc  최대전력 = VI r 이 최대일 때  V m x I m  V m x I m < V oc x I sc  fill factor 의 정의  Fill Factor = V m x I m / V oc x I sc

30 광전자소자연구실 30 태양전지 측정 결과 ( 한국에너지기술연구원 )