비정질 실리콘

Amorphous silicon
비정질 실리콘:
  • 옥상 위에Thin-film 실리콘 태양열 집열판이었다.
  • 결정질 규소, 아모르 퍼스 실리콘, 그리고 아모르 퍼스hydrogenated 실리콘 도식 구조물이다
  • 비결정성 태양 전지(위쪽 오른쪽 코너)과 LCD와 태양열 계산기.

실리콘의 비정질 실리콘(a-Si)은 비정질 형태 LCD에 태양 전지와 박막 트랜지스터에 사용된다.

중고a-Si 태양 전지용 반도체 재료로, 또는 실리콘 태양 전지 thin-film, 그것은 영화에서 유리, 금속과 플라스틱 같은 유연한 기질, 다양한 위에 넣으면 된다.비정질 실리콘 세포 일반적으로 낮은 효율이 특징이다.

이세 박막 태양 전지 기술로서, 아모르 퍼스 실리콘 한번이 빠르게 성장하는 전 세계 태양광 시장에서 주요 원인이지만, 이후 전통적인 결정질 실리콘 세포와 CdTe 와 CIGS와 같은 다른 박막 기술의 강력한 경쟁으로 인해 그것의 중요성을 상실한 것으로 예상되었다.[표창 필요한]얇은 박막 트랜지스터에 비정질 실리콘은 선호하는 재료(TFT)액정 표시 장치(LCD)및 X선 imagers의 요소이다.

작은 곡물로 구성되어 있monocrystalline silicon—a 단결정 및 다결정 규소,, 또한 결정 영역으로 알려진 같은 다른 동소 변화에서 비정질 실리콘과 다르다.

묘사

실리콘은 4배위 배위 원자로, 일반적으로 인접한 4개의 실리콘 원자에 4면체 결합되어 있습니다.결정성 실리콘(c-Si)에서 이 사면체 구조는 넓은 범위에 걸쳐 지속되며, 따라서 잘 정돈된 결정 격자를 형성한다.

비정질 실리콘에서는 이 긴 범위 순서가 존재하지 않습니다.오히려, 원자들은 연속적인 랜덤 네트워크를 형성합니다.또한 비정질 실리콘 내의 모든 원자가 4배위 배위되어 있는 것은 아닙니다.물질의 무질서한 성질 때문에 일부 원자는 매달린 결합을 가지고 있다.물리적으로 이러한 당글링 본드는 연속적인 랜덤네트워크의 결함을 나타내며 비정상적인 전기적 동작을 일으킬 수 있습니다.

이 물질은 매달린 결합에 결합하고 매달린 결합 밀도를 몇 배 정도 줄일 수 있는 수소에 의해 수동화할 수 있습니다.수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)는 태양 광전지 등의 장치, 특히 프로트크리스탈린 성장 [1]상태에서 사용하기에 충분히 적은 양의 결함을 가지고 있다.그러나 수소화는 Staebler-Wronski [2]효과라고 불리는 물질의 빛에 의한 분해와 관련이 있다.

실리콘의 동소성 형태: 단결정, 다결정 및 비정질 실리콘의 개략도

비정질 실리콘과 탄소

실리콘과 탄소의 비정질 합금(아모르퍼스 실리콘 카바이드, 수소화, a-SiC1−xx:H)는 흥미로운 변종이다.탄소 원자의 도입은 물질의 특성을 제어하기 위한 추가적인 자유도를 추가합니다.이 필름은 가시광선에 투명하게 만들 수도 있다.

합금의 탄소 농도가 증가하면 전도 대역과 원자가 대역 사이의 전자 간격이 넓어집니다("광학적 간격" 및 밴드 간격이라고도 함).이것은 비정질 탄화규소층으로 만들어진 태양전지의 광효율을 증가시킨다.한편, 반도체로서의 전자 특성(주로 전자 이동성)은 합금의 탄소 함량 증가에 의해 악영향을 받으며, 아마도 원자망의 [3]무질서 증가에 기인한다.

이 과학 문헌에는 주로 전자 품질에 대한 퇴적 파라미터의 영향을 조사하는 몇 가지 연구가 나와 있지만, 상업용 디바이스에서 비정질 탄화규소의 실용적 응용은 아직 부족하다.

특성.

300K에서 비정질 Si의 밀도는 4.90×10원자22/cm3(2.285g/cm3)로 계산되었다.이것은 얇은 (5미크론) 비정질 실리콘 스트립을 사용하여 수행되었습니다.이 밀도는 300K에서 [4]결정성 Si보다 1.8±0.1% 낮다.실리콘은 냉각 시 팽창하는 몇 안 되는 원소 중 하나이며 액체보다 고체로서 밀도가 낮습니다.

아모르 퍼스 실리콘Hydrogenated

비수소화 a-Si는 결함 밀도가 매우 높아 광전도성 불량 등 반도체 특성이 바람직하지 않고 엔지니어링 반도체 특성에 중요한 도핑을 방지합니다.비정질 실리콘 제조 중에 수소를 도입함으로써 광전도성이 대폭 향상되어 도핑이 가능해진다.수소화 비정질 실리콘인 a-Si:H는 1969년 치틱, 알렉산더 및 스털링에 의해 실란가스(SiH4) 전구체를 사용하여 증착하여 처음 제조되었습니다.그 결과 재료는 불순물로 인한 결함 밀도와 전도성이 낮아졌습니다.a-Si에 대한 관심:H는 1975년 르콤버와 스피어가 a-Si 대체 도핑 능력을 발견했을 때 나타났다.H는 포스핀(n형) 또는 디보란([5]p형)을 사용한다.결함을 줄이는 데 수소의 역할은 하버드 폴 연구팀이 IR 진동을 통해 약 10원자%의 수소 농도를 발견했으며, Si-H 결합의 경우 약 2000cm의−1 주파수를 [6]가진다.1970년대부터 a-Si:H는 RCA [7]연구소의 David E. Carlson과 C. R. Wronski에 의해 태양 전지로 개발되었다.2015년에는 [8]변환 효율이 약 13.6%까지 꾸준히 상승했습니다.

의한 프로세스

CVD PECVD 촉매 CVD 스퍼터링
필름의 종류 a-Si:H a-Si:H a-Si:H a-Si
독자적인 응용 프로그램 광역 전자 제품 무수소 증착
챔버 온도 600C 30~300C 30~1000C
활성 요소 온도 2000C
챔버 압력 0.1 ~ 10 Torr 0.1 ~ 10 Torr 0.001 ~ 0.1 Torr
물리 원리 열분해 플라즈마 유도 해리 열분해 Si원의 이온화
퍼실리테이터 열선(W/Ta) 아르곤 양이온
표준 드라이브 전압 RF 13.56MHz, 0.01~1W/cm2
Si원 SiH4 가스 SiH4 가스 SiH4 가스 대상
기판 온도 제어할 수 있다 제어할 수 있다 제어할 수 있다 제어할 수 있다

적용들

a-Si는 c-Si에 비해 전자 성능은 떨어지지만 응용 분야에서는 훨씬 유연하다.예를 들어, a-Si 층을 c-Si 층보다 얇게 만들 수 있으므로 실리콘 재료 비용을 절감할 수 있습니다.

또 다른 장점은 a-Si가 섭씨 75도의 매우 낮은 온도에서 퇴적될 수 있다는 것입니다.이를 통해 유리뿐만 아니라 플라스틱에도 증착이 가능해 롤 투 롤 가공 기술의 후보가 됩니다.일단 퇴적되면, a-Si는 c-Si와 유사한 방식으로 도핑되어 p형 또는 n형 층을 형성하고 궁극적으로 전자 장치를 형성할 수 있다.

PECVD에 의해 넓은 영역에 걸쳐 a-Si가 퇴적될 수 있는 것도 장점이다.PECVD 시스템의 설계는 이러한 패널의 생산 비용에 큰 영향을 미치기 때문에 대부분의 장비 공급업체는 높은 처리량을 위해 PECVD 설계에 중점을 두고 있으며, 이는 특히 실란을 재활용할 [10]때 제조 비용을[9] 절감할 수 있습니다.

유리 위에 있는 작은 a-Si 포토다이오드 배열은 형광 투시 및 방사선 촬영을 위한 일부 평면 패널 검출기에서 가시광선 이미지 센서로 사용됩니다.

태양광 발전

다음 항목도 참조하십시오.박막 태양전지
1970년대 후반 제작된 '청록색 광자' 태양열 계산기.

수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)는 기존 결정 실리콘(c-Si) 태양전지에 비해 성능이 낮기 때문에 포켓 계산기 등 매우 적은 전력을 필요로 하는 소자의 태양광 발전 태양전지 재료로 사용되어 왔다.또한 p-i-n 디바이스의 션트 저항이 매우 높기 때문에 매우 낮은 광레벨에서도 허용 가능한 성능을 얻을 수 있습니다.최초의 태양열 계산기는 1970년대 후반에 이미 사용 가능했는데, 예를 들어 Royal Solar 1, Sharp EL-8026, Teal Photon 등이 그것이다.

최근 a-Si의 개선점:H 건설 기술은 또한 대규모 태양 전지 사용에도 더 매력적으로 만들었다.여기서는 적어도 부분적으로 박막 셀이 얇기 때문에 낮은 고유 효율이 만들어집니다. 즉, 여러 개의 박막 셀을 서로 겹쳐 쌓으면 높은 효율에 도달할 수 있습니다. 각 셀은 특정 빛의 주파수에서 잘 작동하도록 조정됩니다.이 접근방식은 c-Si 셀에는 적용되지 않는다.c-Si 셀은 간접적인 밴드갭의 결과로 두껍기 때문에 빛이 스택 내의 다른 층에 도달하는 것을 차단하는 것이 대부분이다.

비정질 실리콘 광전지의 낮은 효율의 원인은 주로 [11]재료의 낮은 구멍 이동성 때문입니다.이러한 낮은 홀 이동성은 매달린 결합(3개의 결합을 [12]가진 실리콘), 부동 결합(5개의 [13]결합을 가진 실리콘)의 존재 및 결합 [14]재구성을 포함한 재료의 많은 물리적 측면에 기인한다.이러한 낮은 이동성의 원천을 제어하기 위해 많은 작업이 이루어졌지만, 한 가지 유형의 결함을 줄이면 다른 [15]유형의 결함이 형성되기 때문에 상호작용하는 결함의 수가 본질적으로 제한될 수 있다는 증거가 제시되었습니다.

a-Si의 주요 장점:대규모 생산에서 H는 효율성이 아니라 비용입니다. a-Si:H 셀은 일반적인 c-Si 셀에 필요한 실리콘의 극히 일부만을 사용하며, 실리콘의 비용은 역사적으로 셀 비용의 중요한 원인이 되어 왔습니다.그러나, 다층 구조로 인해 제조 비용이 높아짐에 따라, 지금까지 a-Si는 다음과 같이 되어 왔습니다.얇음이나 유연성이 [16]장점인 역할 이외에는 매력적이지 않다.

일반적으로 비정질 실리콘 박막 셀은 p-i-n 구조를 사용합니다.p타입 레이어를 위에 배치하는 것도 홀모빌리티가 낮기 때문에 홀이 탑컨택까지의 평균 거리를 단축할 수 있기 때문입니다.일반적인 패널 구조에는 전면 유리, TCO, 박막 실리콘, 후면 접촉, 폴리비닐 부티랄(PVB), 후면 유리 등이 있습니다.에너지 변환 장치의 부문인 Uni-Solar는 롤온 루프 제품에 사용되는 유연한 버팀목을 생산했습니다.하지만, 세계 최대의 비정질 실리콘 태양광 발전 제조업체는 2012년에 파산을 신청해야 했다. 왜냐하면 그것은 빠르게 하락하는 전통적인 태양 [17][18]전지판의 가격과 경쟁할 수 없었기 때문이다.

마이크로 크리스탈린과micromorphous 실리콘

주요 기사:나노결정 실리콘 및 마이크로몰프

미세결정 실리콘(나노결정 실리콘이라고도 함)은 비정질 실리콘이지만 작은 결정도 포함하고 있습니다.더 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수하고 유연합니다.마이크로모퍼스 실리콘 모듈 기술은 상부 및 하부 광전지 셀에 비정질 실리콘과 미세결정 실리콘이라는 두 가지 다른 유형의 실리콘을 결합합니다.샤프는 청색광을 보다 효율적으로 포착하기 위해 이 시스템을 사용하여 셀을 생산하고 직사광선이 닿지 않는 시간 동안 셀의 효율을 높입니다.프로토크리스탈린 실리콘은 a-Si 광전지의 개방 회로 전압을 최적화하기 위해 자주 사용됩니다.

대규모 생산

연간 30MW 용량의 United Solar Ovonic Roll-to-Roll 태양광 발전 생산 라인

4천만 달러 이상의 기관 투자를 [citation needed]받은 쉰라이트사는 박막 실리콘 PV [19]모듈 생산을 위한 최초의 25MW 와이드 웹 롤 투 롤 태양광 발전 제조 장비 설치를 완료했습니다.또한 안웰 테크놀로지스는 허난성에 있는 최초의 40MW a-Si 박막 태양전지판 제조 설비의 설치를 완료했으며, 사내 설계의 다기판 멀티 챔버 PECVD [20]장비도 갖추고 있습니다.

광기 전력 열 하이브리드 태양열 집열기다.

United Solar Ovonic의 유연한 박막 솔라 PV를 갖춘 항공우주 제품

태양광 발전용 열 하이브리드 솔라 컬렉터(PVT)는 태양 복사를 전기에너지와 열에너지로 변환하는 시스템이다.이 시스템은 전자파 복사(광자)를 전기로 변환하는 태양전지와 남아 있는 에너지를 포착하고 태양전지 모듈로부터 폐열을 제거하는 태양열 집열기를 결합한다.태양전지는 저항이 커지면서 온도 상승에 따라 효율이 떨어진다.대부분의 이러한 시스템은 태양 전지로부터 열을 전달하여 전지를 냉각시키고 저항을 낮춤으로써 효율을 향상시키도록 설계될 수 있다.이것은 효과적인 방법이지만, 태양열 집열기에 비해 열 성분의 성능이 저하됩니다.최근 연구에 따르면 저온 계수의 a-Si:H PVT를 사용하면 PVT를 고온에서 작동시킬 수 있어 공생 PVT 시스템이 더욱 강화되고 a-Si:H PV의 성능이 약 10% 향상된다.

박막 트랜지스터 액정 디스플레이

주요 기사:박막 트랜지스터 액정 디스플레이

비정질 실리콘은 주로 액정표시장치(LCD)에 사용되는 대규모 전자제품 분야에서 가장 널리 사용되는 박막 트랜지스터(TFT)의 활성층에 선택되는 재료가 되었습니다.

박막-트랜지스터 액정표시장치(TFT-LCD)는 반도체 제품과 유사한 회로 레이아웃 과정을 보여준다.그러나 결정 실리콘 웨이퍼로 형성된 실리콘으로 트랜지스터를 제작하는 것이 아니라 유리 패널에 퇴적된 비정질 실리콘 박막으로 제작한다.TFT-LCD용 실리콘층은 일반적으로 PECVD [21]프로세스를 사용하여 증착됩니다.트랜지스터는 각 픽셀 면적의 극히 일부만 차지하고 나머지 실리콘 필름은 빛이 쉽게 통과할 수 있도록 식각됩니다.

높은 TFT 성능을 필요로 하는 디스플레이에 다결정 실리콘이 사용되는 경우가 있습니다.예를 들면, 프로젝터나 뷰 파인더등의 소형 고해상도 디스플레이가 있습니다.비정질 실리콘 기반 TFT는 생산 비용이 낮기 때문에 단연코 가장 일반적인 반면, 다결정 실리콘 TFT는 [22]더 비싸고 생산하기가 훨씬 더 어렵습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크