결정질 실리콘의 광소자 응용을 위한 표면 텍스처링의 최적화와 소수성 표면의 구현

Title
결정질 실리콘의 광소자 응용을 위한 표면 텍스처링의 최적화와 소수성 표면의 구현
Authors
김보순
Keywords
결정질실리콘의광소자응용을위한표면텍스처링의최적화와소수성표면의구현
Issue Date
2012
Publisher
인하대학교
Abstract
실리콘의 표면 texturing 기술은 다양한 광기능성 실리콘 소자의 근간이 되고, 표면의 자정 효과는 다양한 분야의 응용이 가능하다. 본 연구에서는 단결정, 다결정 실리콘 모두에 적용할 수 있는 표면 texturing 기술들을 제안하였고, 실험 조건을 최적화 하였다. 또한, 제작된 블랙 실리콘에 표면처리를 하여 초 소수 특성을 나타내게 하였다. 먼저 건식 식각을 통한 블랙 실리콘 제작 방법을 제안하고 최적화 하였다. Cl2 / O2 공정가스를 혼합하여 O2 가스의 국부적인 마스크 생성 효과와 Cl2 가스의 물리적인 이온 보조 식각의 특성을 이용하였다. 다른 조건들과 Cl2 가스의 유량을 고정시키고 O2가스의 유량만 변화시켜가며 식각을 진행하였고, 혼합된 가스의 비율이 약 2.7일 때 (Cl2: 40, O2: 15 sccm) 지름이 약 100 nm이고, 높이가 균일한 실리콘 기둥이 생성되는 것을 확인하였으며, 가시광 대역에서 평균 약 3 %의 반사율을 보였다. 두 번째로, Au 촉매에 의한 습식 식각 방법을 제안하였다. 필름 형태와 입자 형태의 식각 효율성을 비교하고, 입자 형태 촉매를 최적화 하였다. 약 6 nm 두께의 Au 필름과, annealing을 통해 나노 크기의 입자가 된 촉매를 사용하여 식각하였다. 필름 형태의 촉매는 20 분 동안 식각해도 가시광 대역 반사율이 약 5 % 이하로 내려가지 못한 반면, 입자 형태의 촉매는 3 분만 식각하여도 평균 약 2 % 이하로 떨어졌다. 입자 형태 촉매의 최적화를 위해 2, 4, 6, 8, 10 nm의 Au 필름을 annealing하여 평균 반지름이 약 7 nm ~ 72 nm 로 변화된 다섯 가지 입자를 제작하였고, 2 분 동안 식각하였다. 식각 결과 8 nm의 초기 두께를 사용하여 식각된 실리콘의 반사율은 300 nm ~ 1300 nm 대역의 파장에서 거의 0 %의 반사율을 보였고, 입사광의 입사각을 30 ° ~ 60 °까지 변화시켜도 전 파장 대역에서 3 % 미만의 반사율을 보였다. 최적화된 입자 촉매를 사용하여 식각된 실리콘의 표면은 접촉각이 27.5 °로 초 친수 특성을 보인다. 표면개질을 위해 유도결합 플라즈마 리액터를 통해 플로르카본막을 증착하고, XPS를 통해 증착된 플로르카본막의 화학적 결합 상태를 분석하였다. 제작된 블랙 실리콘에 평면에서 99.8 °의 접촉각을 가지는 플로르카본막을 약 5 nm 두께로 증착하여 접촉각을 27.5 °에서 139.3 °로 증가시켰다. 얇은 두께로 증착하였기 때문에 거의 0 %의 반사율을 유지하였고, 초 소수 특성으로의 표면 개질에 성공하였다. 본 연구를 통하여 단결정, 다결정 실리콘 모두에 적용할 수 있는 건식 / 습식 표면 texturing 공정을 수행하였고, 제작된 블랙 실리콘에 표면 처리를 통하여 초 소수성으로의 표면개질에 성공하였다. 특히 실리콘 태양전지에 응용될 시, 표면의 반사율이 소자의 효율에 큰 영향을 미치고, 표면이 자정효과를 가지게 하면 표면의 먼지나 때를 씻겨나가도록 하여 빛의 흡수를 증가시키기 때문에 더 큰 효과를 가질 것이다.
Description
본문 목차 제 1 장. 서 론 1 1-1. 연구 배경 1 1-2. Texturing 기술의 종류 7 1). 습식 식각 7 2). 건식 식각 9 3). Mechanical texturing 11 4). Laser texturing 11 1-3. Texturing을 통한 반사 방지막의 원리 12 1). 파장 이하 주기 구조 12 2). 다중 반사 효과를 통한 광 포획 14 3). 표면 구조의 형상에 따른 다중 반사 효과 15 1-4. 소수성 표면과 태양전지에의 응용 18 1-5. 접촉각 이론 19 1). 접촉각의 정의 19 2). Wenzel과 Cassie-Baxter equations 22 제 2 장. 건식 식각을 통한 블랙 실리콘 공정 개발 31 2-1. 식각 장비의 구조 31 2-2. 건식 식각을 통한 texturing 특성 고찰 37 2-3. Cl2 / O2 공정가스를 이용한 실리콘 texturing 38 1). 시료의 제작 원리와 분석 방법 38 2). 공정가스의 비율에 따른 영향 40 3) Cl2 / O2 가스를 통한 건식 식각의 장단점 47 제 3 장. 습식 식각을 통한 블랙 실리콘 공정 개발 48 3-1. 금속의 촉매 반응을 통한 실리콘 texturing 48 1). 식각 원리 48 2). 시료의 제작과 분석 방법 51 3-2. Au 촉매의 형태에 의한 실리콘 식각 52 1). 시료의 제작 52 2). 필름 형태의 촉매를 사용할 때, 식각 시간에 따른 표면 분석 52 3). 입자 형태의 촉매를 사용할 때, 식각 시간에 따른 표면 분석 56 4). 반사율 측정 결과 60 3-3. Au 입자
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/23540
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College of Engineering(공과대학) > Information and Communication Engineering (정보통신공학) > Theses(정보통신공학 석박사 학위논문)
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