비정질 실리콘

비정질 실리콘(, a-Si)은 태양 전지 및 LCD의 박막 트랜지스터에 사용되는 규소의 비결정성 형태이다.

a-Si 태양 전지() 또는 박막 실리콘 태양 전지()의 반도체 재료로 사용되며 유리, 금속, 플라스틱과 같은 다양한 유연한 기판에 박막 형태로 증착된다. 비정질 실리콘 전지는 일반적으로 낮은 효율을 특징으로 한다.

2세대 박막 태양 전지 기술로서, 비정질 실리콘은 한때 빠르게 성장하는 전 세계 태양광 시장의 주요 기여자가 될 것으로 예상되었지만 이후 기존 결정 실리콘 전지 및 CdTe 및 CIGS와 같은 다른 박막 기술과의 치열한 경쟁으로 인해 중요성을 잃었다. 비정질 실리콘은 액정 디스플레이 (LCD)의 박막 트랜지스터 (TFT) 요소 및 X선 이미저에 선호되는 재료이다.

비정질 실리콘은 단결정 실리콘—단일 결정—및 작은 결정립으로 구성된 다결정 실리콘과 같은 다른 동소체 변형과 다르다.

 설명 
규소는 일반적으로 네 개의 인접한 규소 원자와 사면체 결합을 형성하는 4배위 원자이다. 결정 실리콘(c-Si)에서는 이 사면체 구조가 넓은 범위에 걸쳐 계속되어 잘 정돈된 결정 격자를 형성한다.

비정질 실리콘에서는 이러한 장거리 질서가 존재하지 않는다. 대신, 원자들은 연속적인 무작위 네트워크를 형성한다. 또한, 비정질 실리콘 내의 모든 원자가 4배위 상태는 아니다. 재료의 무질서한 특성으로 인해 일부 원자는 고정되지 않은 결합을 가진다. 물리적으로 이러한 고정되지 않은 결합은 연속적인 무작위 네트워크의 결함을 나타내며 비정상적인 전기적 거동을 유발할 수 있다.

이 재료는 수소에 의해 부동태화될 수 있으며, 수소는 고정되지 않은 결합에 결합하여 고정되지 않은 결합 밀도를 여러 자릿수만큼 줄일 수 있다. 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 원시 결정 성장 영역에서 특히 태양광 광기전성 전지와 같은 장치에 사용될 만큼 충분히 낮은 결함 양을 가진다. 그러나 수소화는 스태블러-론스키 효과라고 불리는 재료의 빛 유도 분해와 관련이 있다.

섬네일|center|550px|규소의 동소체 형태 개요: 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 그리고 비정질 실리콘

 비정질 실리콘과 탄소 
규소와 탄소의 비정질 합금(또한 수소화된 비정질 탄화물 실리콘, a-Si1−xCx:H)은 흥미로운 변형이다. 탄소 원자의 도입은 재료의 특성을 제어하는 데 추가적인 자유도를 제공한다. 필름은 또한 가시광선에 대해 투명하게 만들 수 있다.

합금 내 탄소 농도를 증가시키면 전도대와 원자가대 사이의 전자 간격("광학 간격" 및 밴드갭)이 넓어진다. 이는 비정질 실리콘 카바이드 층으로 만들어진 태양 전지의 광 효율을 증가시킨다. 반면에, 반도체로서의 전자적 특성 (주로 전자 이동도)은 합금 내 탄소 함량이 증가함에 따라 불리하게 영향을 받는데, 이는 아마도 원자 네트워크의 무질서도가 증가하기 때문일 것이다.

주로 증착 매개변수가 전자적 품질에 미치는 영향을 조사하는 여러 연구가 과학 문헌에서 발견되지만, 상업용 장치에서 비정질 실리콘 카바이드의 실제 응용은 여전히 부족하다.

 특성 
이온 주입된 비정질 규소의 밀도는 300K에서 4.90×1022 atom/cm3 (2.285 g/cm3)로 계산되었다. 이는 얇은 (5 미크론) 비정질 규소 스트립을 사용하여 수행되었다. 이 밀도는 300K에서 결정 규소보다 1.8±0.1% 낮다. 규소는 냉각 시 팽창하고 액체 상태보다 고체 상태에서 밀도가 낮은 몇 안 되는 원소 중 하나이다.

 수소화 비정질 실리콘 
수소화되지 않은 a-Si는 매우 높은 결함 밀도를 가지고 있어 낮은 광전도와 같은 바람직하지 않은 반도체 특성을 초래하며, 반도체 특성 공학에 필수적인 도핑을 방해한다. 비정질 실리콘 제조 과정에서 수소를 도입하면 광전도가 크게 향상되고 도핑이 가능해진다. 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 1969년 로버트 카네기 치틱, 알렉산더, 스털링에 의해 실레인 가스(SiH4) 전구체를 사용하여 증착함으로써 처음 제조되었다. 그 결과물은 불순물로 인해 결함 밀도가 낮아지고 전도도가 증가하는 것을 보였다. a-Si:H에 대한 관심은 1975년 르콤버와 스피어가 포스핀(n형) 또는 다이보레인(p형)을 사용하여 a-Si:H의 치환 도핑 능력을 발견하면서 생겨났다. 결함 감소에 있어서 수소의 역할은 하버드 대학의 폴(Paul) 연구팀에 의해 확인되었는데, 그들은 Si-H 결합의 주파수가 약 2000 cm−1인 IR 진동을 통해 약 10원자%의 수소 농도를 발견했다. 1970년대부터 a-Si:H는 RCA 연구소의 데이비드 E. 칼슨과 C. R. 론스키에 의해 태양 전지로 개발되었다. 2015년에는 변환 효율이 꾸준히 13.6%까지 상승했다.

 증착 과정 

 응용 분야 
a-Si는 c-Si에 비해 전자적 성능이 떨어지지만 응용 분야에서는 훨씬 더 유연하다. 예를 들어, a-Si 층은 c-Si보다 더 얇게 만들 수 있어 실리콘 재료 비용을 절감할 수 있다.

또 다른 장점은 a-Si를 섭씨 75도와 같이 매우 낮은 온도에서 증착할 수 있다는 것이다. 이는 유리뿐만 아니라 플라스틱 또는 심지어 종이 기판에도 증착할 수 있어 롤투롤 공정 기술의 후보가 된다. 일단 증착되면, a-Si는 c-Si와 유사한 방식으로 도핑하여 p형 또는 n형 층을 형성하고 궁극적으로 전자 장치를 형성할 수 있다.

또 다른 장점은 PECVD를 통해 대면적에 a-Si를 증착할 수 있다는 것이다. PECVD 시스템의 설계는 이러한 패널의 생산 비용에 큰 영향을 미치므로, 대부분의 장비 공급업체는 더 높은 처리량을 위한 PECVD 설계에 중점을 두어 제조 비용을 낮춘다. 특히 실레인이 재활용될 때 그렇다.

유리 위에 작은 (1mm x 1mm 미만) a-Si 포토다이오드 어레이는 일부 평판 탐지기에서 형광투시 및 방사선촬영용 가시광선 이미지 센서로 사용된다.

 태양광 발전 

섬네일|1970년대 후반에 생산된 "틸 포톤" 태양열 계산기

수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)은 주머니 계산기와 같이 매우 적은 전력을 필요로 하는 장치에 광기전성 태양 전지 재료로 사용되어 왔다. 이는 기존의 결정 실리콘(c-Si) 태양 전지에 비해 성능이 낮지만, 기판에 증착하는 방식이 단순하고 비용이 저렴하다는 장점으로 인해 상쇄되기 때문이다. 또한, p-i-n 장치의 훨씬 높은 션트 저항은 매우 낮은 조도에서도 허용 가능한 성능을 달성할 수 있음을 의미한다. 최초의 태양열 계산기는 1970년대 후반에 이미 출시되었는데, Royal Solar 1, Sharp EL-8026, Teal Photon 등이 있다.

최근에는 a-Si:H 건설 기술의 개선으로 인해 대면적 태양 전지용으로도 더욱 매력적이다. 여기서 본질적으로 낮은 효율은 적어도 부분적으로는 얇음으로 상쇄된다. 즉, 여러 박막 셀을 서로 쌓아 올리고 각 셀이 특정 광 주파수에서 잘 작동하도록 조정함으로써 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 이 접근 방식은 간접 밴드갭으로 인해 두껍고 따라서 대부분 불투명하여 스택의 다른 층에 빛이 도달하는 것을 차단하는 c-Si 셀에는 적용할 수 없다.

비정질 실리콘 태양광 발전의 낮은 효율의 원인은 주로 재료의 낮은 홀 이동도 때문이다. 이 낮은 홀 이동도는 고정되지 않은 결합(3개의 결합을 가진 실리콘), 부유 결합(5개의 결합을 가진 실리콘) 및 결합 재구성을 포함한 재료의 여러 물리적 측면에 기인한다. 이러한 낮은 이동도 원인을 제어하기 위한 많은 연구가 진행되었지만, 상호 작용하는 다양한 결함들이 이동도를 본질적으로 제한할 수 있으며, 한 종류의 결함을 줄이면 다른 결함이 형성된다는 증거가 있다.

대규모 생산에서 a-Si:H의 주요 장점은 효율성이 아니라 비용이다. a-Si:H 전지는 일반적인 c-Si 전지에 필요한 실리콘의 극히 일부만을 사용하며, 실리콘 비용은 역사적으로 전지 비용에 상당한 영향을 미쳤다. 그러나 다층 구조로 인한 높은 제조 비용 때문에 현재까지는 얇거나 유연한 장점이 있는 역할 외에는 a-Si:H가 매력적이지 않았다.

일반적으로 비정질 실리콘 박막 셀은 p-i-n 구조를 사용한다. p형 층을 맨 위에 배치하는 것은 홀 이동도가 낮기 때문이며, 홀이 수집을 위해 상단 접점까지 더 짧은 평균 거리를 이동할 수 있도록 한다. 일반적인 패널 구조는 전면 유리, TCO, 박막 실리콘, 후면 접점, 폴리비닐 부티랄 (PVB) 및 후면 유리로 구성된다. 에너지 변환 장치의 사업부인 Uni-Solar는 롤온 루핑 제품에 사용되는 유연한 지지대 버전을 생산했다. 그러나 세계 최대의 비정질 실리콘 태양광 발전 제조업체는 기존 태양 전지판 가격의 급격한 하락과 경쟁할 수 없어 2012년에 파산 신청을 해야 했다.

 미세결정 및 마이크로몰프 실리콘 

미세결정 실리콘(나노결정 실리콘이라고도 함)은 비정질 실리콘이지만 작은 결정도 포함하고 있다. 더 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수하며 유연하다. 마이크로몰프 실리콘 태양광 모듈 기술은 비정질 실리콘과 미세결정 실리콘이라는 두 가지 다른 유형의 실리콘을 상단과 하단 태양광 발전 셀에 결합한다. 샤프는 이 시스템을 사용하여 청색광을 더 효율적으로 포착하여 직접적인 햇빛이 비치지 않는 시간 동안 셀의 효율을 높인다. 원시 결정 실리콘은 종종 a-Si 태양광 발전의 개방 회로 전압을 최적화하는 데 사용된다.

 대규모 생산 
섬네일|유나이티드 솔라 오보닉 롤투롤 태양광 발전 생산 라인, 연간 30MW 용량
4천만 달러 이상의 기관 투자를 받은 Xunlight Corporation은 박막 실리콘 PV 모듈 생산을 위한 첫 번째 25MW 광폭 웹 롤투롤 공정 태양광 제조 장비 설치를 완료했다. Anwell Technologies는 자체 설계한 다중 기판-다중 챔버 PECVD 장비를 사용하여 허난에 첫 번째 40MW a-Si 박막 태양광 패널 제조 시설 설치를 완료했다.

 태양열-광발전 복합 태양열 집열기 
섬네일|유나이티드 솔라 오보닉의 유연한 박막 태양광 PV를 적용한 항공우주 제품
태양열-광발전 복합 태양열 집열기(PVT)는 태양 복사를 전력량 및 열에너지로 변환하는 시스템이다. 이 시스템은 전자기파(광자)를 전기로 변환하는 태양 전지와 나머지 에너지를 포착하고 태양광 PV 모듈에서 폐열을 제거하는 태양열 집열기를 결합한다. 태양 전지는 저항 증가로 인해 온도가 상승함에 따라 효율이 떨어지는 현상을 겪는다. 이러한 시스템의 대부분은 태양 전지에서 열을 제거하도록 설계될 수 있으므로 셀을 냉각하고 저항을 낮춰 효율을 향상시킨다. 이것은 효과적인 방법이지만, 태양열 집열기에 비해 열 구성 요소의 성능이 저하된다. 최근 연구에 따르면 낮은 온도 계수를 가진 a-Si:H PV는 PVT를 고온에서 작동시켜 보다 공생적인 PVT 시스템을 만들고 a-Si:H PV의 성능을 약 10% 향상시킨다.

 박막 트랜지스터 액정 디스플레이 

비정질 실리콘은 대면적 전자회로 응용 분야, 주로 액정 디스플레이 (LCD)에서 가장 널리 사용되는 박막 트랜지스터 (TFT)의 활성층으로 선호되는 재료가 되었다.

박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT-LCD)는 반도체 제품과 유사한 회로 레이아웃 공정을 보여준다. 그러나 트랜지스터를 결정 실리콘 웨이퍼로 형성된 실리콘으로 제조하는 대신, 유리 패널에 증착된 비정질 실리콘의 박막으로 만든다. TFT-LCD용 실리콘 층은 일반적으로 PECVD 공정을 사용하여 증착된다. 트랜지스터는 각 픽셀 영역의 작은 부분만을 차지하며, 나머지 실리콘 필름은 빛이 쉽게 통과할 수 있도록 식각된다.

다결정 실리콘은 프로젝터나 뷰파인더에서 볼 수 있는 작은 고해상도 디스플레이와 같이 더 높은 TFT 성능을 요구하는 디스플레이에 사용되기도 한다. 비정질 실리콘 기반 TFT는 생산 비용이 낮기 때문에 가장 일반적이며, 다결정 실리콘 TFT는 비용이 더 많이 들고 생산하기가 훨씬 더 어렵다.

 같이 보기 

 원자층 증착 (ALD)
 화학 기계적 연마 (CMP)
 화학기상증착 (CVD)
 결정 실리콘
 이온 주입
 나노입자
 물리 기상 증착 (PVD)
 원시 결정
 급속 열처리 (RTP)

 각주 

 외부 링크 
 Amorphous Silicon Devices group at the University of Waterloo, Ontario, Canada
 Theory and Simulation at Ohio University, Athens Ohio

분류:비결정질 고체
분류:박막 전지