비정질 실리콘 (a-Si)은 LCD의 태양 전지 및 박막 트랜지스터에 사용되는 실리콘의 비정질 형태입니다.
a-Si 태양 전지 또는 박막 실리콘 태양 전지의 반도체 재료로 사용되는이 소재는 유리, 금속 및 플라스틱과 같은 다양한 유연 기판에 박막으로 증착됩니다. 비정질 실리콘 전지는 일반적으로 낮은 효율을 특징으로하지만 카드뮴이나 납과 같은 독성 중금속을 사용하지 않기 때문에 가장 환경 친화적 인 광전지 기술 중 하나입니다.
2 세대 박막 태양 전지 기술로서, 비정질 실리콘은 빠르게 성장하고있는 전세계 태양 광 시장에서 주요 기여자가 될 것으로 예상되었지만, 기존의 결정 실리콘 셀 및 기타 박막 실리콘 셀과의 강력한 경쟁으로 인해 그 중요성을 잃었습니다. CdTe 및 CIGS와 같은 필름 기술.
비정질 실리콘은 단일 결정체 인 단결정 실리콘과 결정체 (crystallites)라고도하는 작은 입자로 구성된 다결정 실리콘과 같은 다른 유사 동족체와는 다릅니다.
기술
실리콘은 일반적으로 인접한 네 개의 실리콘 원자에 사면체로 결합 된 네 개의 배위 된 원자입니다. 결정질 실리콘 (c-Si)에서이 사면체 구조는 넓은 범위에 걸쳐 계속되어 잘 배열 된 결정 격자를 형성합니다.
비정질 실리콘에서는이 장거리 발주가 존재하지 않는다. 오히려, 원자는 연속 무작위 네트워크를 형성합니다. 또한, 비정질 실리콘 내의 모든 원자가 4 배 배위가되는 것은 아니다. 물질의 무질서한 성질로 인해 일부 원자는 매달린 결합을 갖는다. 물리적으로 이러한 댕글 링 본드는 연속 무작위 네트워크의 결함을 나타내며 비정상적인 전기적 동작을 유발할 수 있습니다.
이 물질은 매달린 결합에 결합하고 수십 배 정도 댕글 링 본드 밀도를 줄일 수있는 수소에 의해 부동화 될 수 있습니다. 수소화 비정질 실리콘 (a-Si : H)은 태양 광전지와 같은 장치, 특히 원형 결정 성장 시스템에서 사용되는 결함이 충분히 적다. 그러나 수소화는 Staebler-Wronski 효과라고하는 물질의 빛에 의한 분해와 관련이 있습니다.
비정질 실리콘 및 탄소
실리콘과 탄소의 비정질 합금 (비정질 실리콘 카바이드, 또한 수소화, a-Si1-xCx : H)은 흥미로운 변형입니다. 탄소 원자의 도입은 재료의 특성을 제어하기위한 추가적인 자유도를 제공합니다. 이 필름은 가시 광선에 대해 투명하게 만들 수도 있습니다.
합금의 탄소 농도를 높이면 전도 띠와 원자가 띠 사이의 전자 갭 ( “광학 갭”및 밴드 갭이라고도 함)이 넓어집니다. 이것은 비정질 실리콘 카바이드 층으로 만들어진 태양 전지의 광 효율을 잠재적으로 증가시킬 수 있습니다. 반면에, 반도체로서의 전자 특성 (주로 전자 이동도)은 원자 네트워크의 증가 된 무질서로 인해 합금의 탄소 함량이 증가함에 따라 불리한 영향을받습니다.
과학적 문헌에서 몇 가지 연구가 주로 전자 품질에 대한 증착 매개 변수의 영향을 조사하지만 상용 장치에서의 비정질 실리콘 카바이드의 실제 응용은 여전히 부족합니다.
등록 정보
비정질 실리콘의 밀도는 300K에서 4.90 × 1022 원자 / cm3 (2.285 g / cm3)로 계산되었습니다. 이것은 비정질 실리콘의 얇은 (5 미크론) 스트립을 사용하여 수행되었습니다. 이 밀도는 300K에서 결정질 Si보다 1.8 ± 0.1 % 밀도가 낮습니다. 실리콘은 냉각시 팽창하고 액체로서보다 밀도가 낮은 소수 원소 중 하나입니다.
수소화 비정질 실리콘
수소화되지 않은 a-Si는 결함 밀도가 매우 높기 때문에 광 전도성이 낮고 반도체 특성을 공학적으로 중요하게하는 도핑을 방지합니다. 비정질 실리콘 제조 중에 수소를 도입함으로써 광 전도성이 현저하게 개선되고 도핑이 가능해진다. 수소화 된 비정질 실리콘 인 a-Si : H는 1969 년 Chittick, Alexander 및 Sterling에 의해 실란 가스 (SiH4) 전구체를 사용하여 증착에 의해 처음 제조되었습니다. 생성 된 물질은 결함 밀도가 낮고 불순물로 인해 전도성이 증가했다. a-Si에 대한 관심 : H는 1975 년 LeComber와 Spear가 phosphine (n-type) 또는 diborane (p-type)을 사용하여 a-Si : H의 치환 도핑 능력을 발견했을 때 나타났습니다. 결함을 줄이기위한 수소의 역할은 Harvard의 Paul 그룹이 Si 진동 결합을 통해 약 10 원자 %의 수소 농도를 발견했으며 Si-H 결합의 경우 약 2000 cm-1의 빈도를 갖는 것으로 확인되었습니다. 1970 년대부터 a-Si : H는 RCA에 의해 태양 전지에서 개발되어 2015 년에 꾸준히 효율을 13.6 %까지 높였습니다.
| CVD | PECVD | 촉매 CVD | 스퍼터링 | |
|---|---|---|---|---|
| 필름의 종류 | a-Si : H | a-Si : H | a-Si : H | a-Si |
| 독특한 애플리케이션 | 대 면적 전자 장치 | 무 수소 증착 | ||
| 챔버 온도 | 600C | 30 ~ 300C | 30-100C | |
| 능동 소자 온도 | 2000 년 | |||
| 챔버 압력 | 0.1-10 Torr | 0.1-10 Torr | 0.001-0.1 Torr | |
| 물리적 원리 | 체온 발산 | 플라즈마 유도 해리 | 체온 발산 | Si 소스의 이온화 |
| 진행자 | W / Ta 가열 전선 | 아르곤 양이온 | ||
| 일반적인 구동 전압 | RF 13.56 MHz; 0.01-1W / ㎠ | |||
| Si 소스 | SiH4 가스 | SiH4 가스 | SiH4 가스 | 도가니 |
| 기판 온도 | 제어 가능한 | 제어 가능한 | 제어 가능한 | 제어 가능한 |
응용 프로그램
a-Si는 c-Si에 비해 낮은 전자 성능으로 인해 어려움을 겪지 만 응용 프로그램에서는 훨씬 더 유연합니다. 예를 들어 a-Si 층은 c-Si보다 얇게 만들 수있어 실리콘 원료 비용을 절약 할 수 있습니다.
또 다른 장점은 a-Si가 매우 낮은 온도, 예를 들어 섭씨 75 도의 낮은 온도에서 증착 될 수 있다는 것입니다. 이것은 유리뿐만 아니라 플라스틱에도 증착이 가능하므로 롤 투 롤 (roll-to-roll) 공정 기술의 후보가됩니다. 일단 증착되면, a-Si는 c-Si와 유사한 방식으로 도핑되어 p 형 또는 n 형 층을 형성하고 궁극적으로는 전자 소자를 형성 할 수있다.
또 다른 장점은 a-Si가 PECVD에 의해 넓은 영역에 증착 될 수 있다는 것이다. PECVD 시스템의 설계는 이러한 패널의 생산 비용에 큰 영향을 미치므로 대부분의 장비 공급 업체는 실란이 재활용 될 때 특히 제조 원가를 낮추기 위해 높은 처리량을 위해 PECVD 설계에 중점을 둡니다.
유리 위에있는 1mm x 1mm 미만의 소형 a-Si 포토 다이오드 어레이는 형광 투시 및 방사선 촬영을위한 일부 평면 패널 감지기에서 가시광 이미지 센서로 사용됩니다.
광전지
비정질 실리콘 (a-Si)은 기존의 결정질 실리콘 (c-Si) 태양 전지에 비해 성능이 낮기 때문에 포켓 계산기와 같이 거의 전력을 필요로하지 않는 장치의 광전지 태양 전지 재료로 사용되어왔다. 기판으로의 간단하고 저렴한 증착 비용. 최초의 태양열 계산기는 Royal Solar 1, Sharp EL-8026 및 Teal Photon과 같은 1970 년대 후반에 이미 제공되었습니다.
보다 최근에는 a-Si 구조 기술의 발전으로 대 면적 태양 전지 사용에 더욱 매력적이되었습니다. 여기에 그 고유의 낮은 효율은 적어도 부분적으로 얇은 두께로 구성되어 있습니다. 여러 개의 박막 셀을 겹쳐 쌓으면 더 높은 효율성을 얻을 수 있습니다. 각각의 박막 셀은 특정 주파수의 빛에서 잘 작동하도록 조정됩니다. 이 접근법은 c-Si 셀에 적용 할 수 없으며 간접 밴드 갭의 결과 두께가 두꺼워서 대부분 불투명하여 빛이 스택의 다른 층에 도달하는 것을 차단합니다.
비정질 실리콘 광전지의 낮은 효율의 원천은 재료의 낮은 정공 이동성에 크게 기인한다. 이 낮은 홀 이동도는 댕글 링 본드 (3 개의 본드가있는 실리콘), 부동 본드 (5 개의 본드가있는 실리콘) 및 본드 재구성의 존재를 포함하여 여러 가지 물리적 측면에 기인합니다. 이러한 낮은 이동성의 원인을 제어하기 위해 많은 노력이 있었지만 한 가지 유형의 결함을 줄이면 다른 것들을 형성하기 때문에 많은 상호 작용 결함으로 인해 이동성이 본질적으로 제한 될 수 있다는 증거가 있음을 보여줍니다.
대규모 생산에서 a-Si의 주된 장점은 효율성이 아니라 비용입니다. a-Si 셀은 전형적인 c-Si 셀에 필요한 실리콘의 일부만 사용하며, 실리콘 비용은 역사적으로 셀 비용에 중요한 기여를했습니다. 그러나 다층 구조로 인해 제조 비용이 높아질수록 얇거나 유연성이 유리한 역할을 제외하고 a-Si가 매력적이지 않게되었습니다.
일반적으로 비정질 실리콘 박막 셀은 핀 구조를 사용합니다. 상부에 p 형 층을 배치하는 것은 또한 낮은 정공 이동도에 기인하며, 정공이 상부 접촉부로의 수집을 위해 더 짧은 평균 거리를 횡단 할 수있게한다. 일반적인 패널 구조에는 전면 유리, TCO, 박막 실리콘, 후면 콘택, 폴리 비닐 부티 랄 (PVB) 및 후면 유리가 포함됩니다. Energy Conversion Devices의 한 부문 인 Uni-Solar는 롤온 루핑 제품에 사용되는 유연한 백킹 버전을 제작했습니다. 그러나 세계 최대의 비정질 실리콘 광전지 제조업체는 기존 태양 전지 패널의 급격한 가격 인하와 경쟁 할 수 없어 2012 년 파산 신청을해야했다.
미세 결정질 및 미세 결정 실리콘
미정 질 실리콘 (nanocrystalline silicon이라고도 함)은 비정질 실리콘이지만 작은 결정을 포함합니다.그것은 더 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수하고 융통성이 있습니다. Micromorphous 실리콘 모듈 기술은 상단 및 하단 광전지 셀에 두 가지 유형의 실리콘, 비정질 및 미세 결정 실리콘을 결합합니다. Sharp는 청색광을보다 효율적으로 포착하기 위해이 시스템을 사용하여 세포를 생산하여 직사광선이 비치지 않는 시간 동안 세포의 효율을 높입니다. Protocrystalline 실리콘은 a-Si 태양 전지의 개방 회로 전압을 최적화하는 데 종종 사용됩니다.
대규모 생산
4 천만 달러 이상의 기관 투자를받은 Xunlight Corporation은 박막 실리콘 태양 전지 모듈 생산을위한 최초의 25MW 와이드 웹 롤 투롤 (roll-to-roll) 광전지 제조 장비의 설치를 완료했습니다. Anwell Technologies는 또한 자사의 사내 설계된 다중 기판 다중 챔버 PECVD 장비로 허난에 최초의 40MW a-Si 박막 태양 전지 패널 제조 시설을 설치 완료했다.
광전지 열 하이브리드 태양열 집열기
광전지 열 하이브리드 태양열 집열기 (PVT)는 태양 복사를 전기 에너지와 열에너지로 변환하는 시스템입니다. 이 시스템은 전자기 복사 (광자)를 전기로 변환하는 태양 전지와 태양열 집열기를 결합하여 잔여 에너지를 포착하고 태양 광 모듈의 폐열을 제거합니다. 태양 전지는 증가 된 저항으로 인해 온도가 상승함에 따라 효율이 떨어집니다. 대부분의 그러한 시스템은 열을 태양 전지로부터 멀리 운반하여 전지를 냉각시키고 저항을 낮춤으로써 효율을 향상 시키도록 설계 될 수있다. 이것이 효과적인 방법이지만 태양열 수집기에 비해 열 성분이 과소 평가됩니다. 최근 연구에 따르면 낮은 온도 계수의 a-Si : H PV가 PVT를 고온에서 작동시켜보다 공생적인 PVT 시스템을 만들고 a-Si : H PV의 성능을 약 10 % 향상시킵니다.
박막 트랜지스터 액정 디스플레이
비정질 실리콘은 주로 액정 디스플레이 (LCD)와 같은 대 면적 전자 제품 분야에서 가장 널리 사용되는 박막 트랜지스터 (TFT)의 활성층에 적합한 재료가되었다.
박막 트랜지스터 액정 디스플레이 (TFT-LCD)는 반도체 제품과 유사한 회로 레이아웃 프로세스를 보여줍니다. 그러나 결정 실리콘 웨이퍼로 형성된 실리콘으로 트랜지스터를 제작하는 대신 유리 패널 위에 증착 된 비정질 실리콘 박막으로 만든다. TFT-LCD 용 실리콘 층은 일반적으로 PECVD 공정을 사용하여 증착된다. 트랜지스터는 각 픽셀 영역의 일부만 차지하며 나머지 실리콘 막은 빛이 쉽게 통과 할 수 있도록 식각됩니다.
다결정 실리콘은 높은 TFT 성능이 요구되는 디스플레이에 종종 사용됩니다. 예를 들면 프로젝터 나 뷰 파인더와 같은 작은 고해상도 디스플레이가 있습니다. 아몰퍼스 실리콘 기반의 TFT는 생산 비용이 낮기 때문에 가장 많이 사용되는 반면, 다결정 실리콘 TFT는 생산 비용이 많이 들고 어렵다.