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 다른 양의 단일벽 탄소 나노튜브 (SWCNT-Single Wall Carbon Nanotube) 가 무결정 실리콘 기판위에 쇼트키 베리어 태양 전지를 만들기 위해 스프레이 되었다. 측정된 외부 양자 효율은 460 nm 의 파장에서 35 %의 광학 투명도를 갖는다. 초박막 단일벽 탄소 나노튜브는 무결정 실리콘과 쇼트키 베리어를 형성하고 반투명 전극과 같은 특성을 갖는다. 시뮬레이션을 통해 단일벽 탄소나노튜브 컨택이 정공을 수집하는데 있어 저조한 효율을 보이는 것을 관찰했다.
실리콘 웨이퍼의 결정 실리콘은 상대적으로 두껍기 때문에 일정량의 재료가 낭비되고, 낭비 비용 또한 크다. 다른 대체방법으로는 값싼 무결정 실리콘 (a-Si, amorphous-Si)을 사용함으로서 매우 얇은 레이어를 형성할수 있어 절약할수 있다. 그러나 이 또한 ITO나 ZnO와 같은 고가의 반투명 전극을 사용해야한다는 문제가 있다. 이 연구는 단일벽 탄소 나노튜브 (SWCNT)를 사용하여 반투명 전극을 대체하고, 약 35 %에 달하는 외부 양자 효율을 얻을수 있음을 입증한다.
-소자 공정 및 실험 방법
그림 1은 SWCNT/a-Si:H 광전압 소자의 구조를 보여준다. 실험을 위해, a-Si:H 태양전지 기판은 플라즈마 촉진된 화학기상증착법 (PECVD-Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)으로 증착되었고, 100 nm의 Cr이 back 전극으로, 30 nm 의 n+ 는 350 nm 의 도핑되지 않은 a-Si:H가 순차적으로 300 도, 0.3 mbar의 기압에서 증착되었다. Front 전극은 SWCNT를 스프레이하여 증착되었다. SWCNT는 1,2-dichlorobenzene내에 disperse 되었고, 수시간동안 sonicated되었다. 스프레이 증착 과정은 두 기판모두 80 도로 데워졌으며 이는 박막의 균등성을 향상하기 위해 솔벤트의 빠른 증발을 유도한다. 다른 박막 투명도는 증착 시간에 따라 변화시킬수 있었다. 스프레이된 SWCNT는 불규칙하게 표면에 분포되어, SWCNT 네트웨크의 두께를 측정하기는 매우 어렵다. SWCNT 네트워크의 morphological 불규칙성을 평균화 하기위해, 광학 투명성이 측정되었다. 광학 투명도는 증착시간의 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 이는 나노튜브 네트워크의 평균 두께가 증가함을 의미한다. 광전류 스펙트라는 Xenon 램프를 비롯한 monochromator, reflecting chopper, lock-in 을 위한 장비들로 구성된 광학 시스템을 이용하여 측정되었다. 빛의 모양은 직사각형의 모양으로 7 x 5 mm2 크기이다. 외부 양자 효율은 측정된 광전류 밀도를 이용하여 계산되었다. 입사 광전력 밀도는 약 9 mW/cm2이고, 두개의 중립 밀도 필터는 빛의 세기의 초기값에 3 % 와 12 %를 줄이기위해 사용되었다. 전류-전압 특성은 Keithley 2602A를 이용하여 측정되었다.
-측정결과
그림 2는 다른 두께의 SWCNT 네트워크에 대한 외부 양자 효율을 보여준다. 매우 낮은 SWCNT coverage에 대해서는 외부 양자 효율이 CNT의 광학 흡수 특성, 즉 파장이 증가할수록 감소하는 흡수특성을 갖는것을 알수 있다. 더 긴 시간동안 증착한 샘플은 외부 양자 효율 스펙트럼 모양이 급격히 변화함을 관찰할수 있을뿐 아니라, 측정된 파장영역 전체에 걸쳐 SWCNT의 양이 증가할수록 외부 양자 효율이 증가함을 알수 있다. 최대 양자 효율은 460 nm 에서 35 % 이며 500 초간 스프레이한 샘플에서 관찰할 수 있다. 더 긴 시간동안 노출된 샘플은 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 매우 작은 양의 SWCNT (스프레이 시간; 250초 미만)에 대해서는 SWCNT/a-Si:H 이종접합의 수가 너무 적어, 나노튜브의 조명은 광전류 생성, 분리, 그리고 전달 메커니즘을 좌우한다.
위에서도 언급했듯이, 외부 양자 효율 스펙트럼 모양은 SWCNT 흡수 특성과 비슷하다. 이는 전자-정공 쌍 대부분이 SWCNT내에서 생성되고, CNT-CNT 혹은 CNT-Si 이종접합에서 나뉘거나, 실리콘 혹은 나노튜브를 통해 전달됨을 의미한다. SWCNT/a-Si:H 이종접합이 증가하면, 이들 접합들은 a-Si:H 기판에서 생성된 전자-정공 쌍이 더욱 분리할 수 있어, 기판의 역할이 더 중요해진다. 사실, 외부 양자 효율은 350 nm 이하, 720 nm 이상의 영역에서는 빠른 감소를 보인다. 350 nm 이하의 감소는 기판 표면의 재결합이 원인이고, 720 nm 이상에서의 감소는 기판의 에너지 갭과 관련이 있다. 또한 400 nm 에서는 외부 양자 효율이 10~25 % 까지 급격히 증가한다. 이는 빛에 의한 전류 생성이 SWCNT 보다 실리콘에서 더 효율적임을 의미한다. 접합수가 최적에 도달하면, 외부 양자 효율은 460 nm에서 약 35 % 에 이르게 된다.
위의 결과로 부터 높은 밀도의 SWCNT/a-Si:H 이종접합에서 SWCNT 전도성 전극이 빛에 의한 전류 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알수 있다. 이는 기판내에 공간 전하층 (depletion region)의 확장이 원인이 되는 것으로 분석했다.
그림 3은 백색광의 조명하에서 와 어둠속에서의 전류-전압 특성을 보여준다. 입사광 세기가 최대일때 (속이 빈 삼각형 모양 커브), 1E+7 배의 단락회로 전류와 0.5 V의 개방회로 전압을 얻을수 있었다. 그림 3의 내부그림은 SWCNT 스프레이 시간에 대한 단락회로 전류의 변화를 나타낸다. 최대 외부 양자 효율을 갖는 스프레이 시간에서 최대의 단락회로 전류값을 갖는 것을 주목할 만하다.
출처 : http://apl.aip.org/resource/1/applab/v98/i18/p183113_s1
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