2025. 12. 3. 09:03ㆍRadiation Hardness
Ruifang Chen1, a, Zhiguo Shi1,b , Yunxia Ye1,c , Xue Qing1,d, Yinqun Hua1,2,e *
1 School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu , 212013, China
2 Insistute for Advanced Materials, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu, 212013, China
a crf0504@yahoo.com.cn, bshizhiguo629@163.com.cn, cyeyunxia@ujs.edu.cn,
d alphaqing@ujs.edu.cn, ehuayq@ujs.edu.cn
5th International Conference on Advanced Engineering Materials and Technology (AMET 2015)
Abstract.
펨토초 레이저로 조사된 GaAs 태양전지 표면 손상 결과는 다음과 같습니다. 레이저 에너지가 1 μJ 이상일 때 반사 방지층(anti-reflective layer)이 손상되며, 에너지가 5 μJ로 증가하면 반사 방지층이 완전히 손상됩니다. 이론적 손상 깊이와 실험 결과를 비교한 결과, 레이저 에너지가 6 μJ 이하일 때 이론 계산과 실험 결과의 유사성이 높게 나타났습니다. 1 μJ 펄스 에너지로 조사한 후에는 반사율에 뚜렷한 변화가 없으며 약 8% 수준을 유지합니다. 그러나 펄스 에너지가 2 μJ와 3 μJ로 증가하면 반사율은 각각 32%, 38%로 상승합니다. 양자 효율(Quantum Efficiency)은 500 nm에서 각각 13.71%, 55.78%, 83.01%로 감소하고, 800 nm에서는 각각 3.94%, 35.52%, 46.78%로 감소합니다(조사 에너지가 1 μJ, 2 μJ, 3 μJ일 때).
Introduction
우주 연구가 빠르게 발전함에 따라, 고효율 태양전지의 보호 기술은 점점 더 중요해지고 있습니다. 레이저 조사로 인한 광학 박막 재료와 소자의 손상은 국내외 학자들의 관심사입니다[1-4]. 광학 박막은 광학 부품에서 항상 취약한 부분으로 알려져 있습니다[5]. Tumer는 레이저 조사에 의한 광학 박막 손상 메커니즘을 연구했지만, 그는 박막의 손상 과정이 매우 복잡하다는 사실을 발견했습니다[6]. 이 과정은 레이저의 매개변수뿐만 아니라 박막 구조와 재료의 물리적 특성과도 관련이 있습니다. 전체 과정에는 열, 광전 특성, 재료 특성, 그리고 박막 내 전기장의 변화가 포함됩니다. 레이저 매개변수, 박막 특성, 도금 공정이 손상에 미치는 영향 분석과 이론 및 실험 연구를 포함해 많은 탐구와 연구가 진행되었습니다[7]. Le Drogoff B는 초단 펄스에 의해 생성된 플라즈마가 ns 레이저 펄스에 의해 생성된 플라즈마보다 더 빠르게 열화(thermalization)된다는 사실을 발견했습니다[8].
GaAs 태양전지는 높은 변환 효율과 우수한 방사선 및 내열 성능 덕분에 주로 우주 위성의 에너지원으로 사용됩니다. 현재 태양전지 손상에 관한 연구는 주로 우주에서 오는 고에너지 하전 입자 조사에 따른 에너지 효과와 손상에 집중되어 있습니다. Robert는 양성자와 고에너지 전자에 의해 조사된 GaAs 태양전지의 손상 효과를 연구한 후, GaAs 태양전지의 내방사선 구조 설계 원칙을 제안했습니다[9]. J. C. Bourgoin은 조사된 셀의 열화 거동을 연구하여 단락 전류와 개방 전압을 포함한 GaAs 태양전지의 전기적 성능 매개변수를 확립했습니다[10]. 본 논문에서는 GaAs 태양전지의 레이저 손상에 대한 연구가 상대적으로 적기 때문에, 펨토초 레이저 조사에 의한 GaAs 태양전지 표면 손상 효과에 대한 실험을 수행했습니다. 또한, SEM 이미지 분석, 300~1100 nm 범위의 반사율 측정, 그리고 스펙트럼 응답을 통해 태양전지의 반사 방지층 특성(손상, 반사율, 양자 효율)에 미치는 영향을 연구하여, 레이저 무기 선택, 레이저 매개변수 설정, 그리고 우주 보호 강화에 참고 자료를 제공합니다.
Experiment Procedure
실험에 사용된 GaAs/Ge 태양전지는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 방식으로 제작되었습니다. 셀은 약 100~150 nm 두께의 TiO₂/SiO₂ 반사 방지막으로 윈도우 층 위를 덮고 있으며, 이는 광학 반사율을 줄여 효율을 약 18.5~19.5%까지 높일 수 있습니다. 셀의 크기는 2 cm × 3 cm이며, 태양전지의 반사 방지 구조는 그림 1에 나타나 있습니다.
실험 장치는 그림 2에 개략적으로 나타나 있습니다. 본 실험에서는 펄스 폭 130 fs, 중심 파장 800 nm, 반복률 1 kHz를 갖는 재생 증폭형 Ti:사파이어 펨토초 레이저 시스템(Spectra-Physics)을 사용하여 GaAs 태양전지 표면을 가공했습니다. 펄스 에너지는 λ/2 파장판과 Glan-Taylor 편광기를 조합하여 연속적으로 조절할 수 있습니다. 렌즈 A와 렌즈 B는 빔 축소 시스템을 구성합니다. 제작 과정에서 레이저 빔 위치는 컴퓨터로 제어되는 Galvo 스캐닝 시스템(Scanlab hurry SCANII)에 의해 제어됩니다. 레이저 펄스의 평균 출력은 1 μJ~14 μJ(에너지 밀도 = 0.13 J/cm²~1.18 J/cm²)로 설계되었으며, 이는 파워 미터(Coherent, FM10)로 측정됩니다. 레이저 빔은 초점 거리 50 mm의 양볼록 렌즈로 집속되며, 초점 스폿의 직경은 약 22 μm입니다. 레이저 처리 전에 GaAs 시트는 표면의 유기 도핑제를 제거하기 위해 아세톤으로 세척됩니다. 실험은 공기 중에서 레이저 초점 스폿을 셀 표면에 스캔하면서 펄스 에너지를 제어하여 수행됩니다. 증발된 TiO₂/SiO₂ 박막의 표면 손상 형태는 광학 현미경으로 관찰됩니다.
Results and discussion
The analysis of damage on surface morphology by laser irradiation.
그림 3은 레이저 펄스 에너지가 각각 2 μJ, 3 μJ, 4 μJ, 5 μJ로 설정되었을 때 태양전지 표면의 손상 형태를 보여줍니다. 손상 영역은 흰색으로 나타나며, 스캐닝 속도는 22 mm/s입니다. 손상 영역의 크기는 초점 레이저 빔의 크기보다 작으며, 기본적으로 그림 3(a)에 나타난 것처럼 이산적인 형태를 보입니다. 그림 3(b)에서는 손상 영역이 일부 겹치는 부분이 나타나지만 그 면적은 매우 작습니다. 손상 영역의 겹침은 에너지가 4 μJ일 때 증가하며, 5 μJ에서는 결국 100%에 도달하는데, 이는 그림 3(c)와 (d)에서 확인할 수 있습니다. 손상 영역은 점점 커지고, 빛 스폿의 상태는 이산적인 형태에서 접하는 형태로 변화하며, 결국 셀 표면 전체가 손상됩니다.
The influence of laser energy on the damage depth of film surface.
펨토초 레이저로 조사된 태양전지의 손상 깊이에 대한 연구는 태양전지의 손상 형태를 보다 잘 표현하기 위해 계속 진행되었습니다. GaAs 태양전지의 반사 방지층 구조는 GaAs | (HL) | Air로 이루어져 있습니다. 여기서 H와 L은 각각 높은 굴절률을 가진 재료(TiO₂)와 낮은 굴절률을 가진 재료(SiO₂)를 의미합니다. 다양한 재료의 물리적 매개변수는 표 1에 자세히 나타나 있습니다.
펨토초 레이저 에너지와 증발된 박막 두께 간의 관계를 분석하기 위해 다음과 같은 가정을 설정했습니다:
(1) 고온 플라즈마는 레이저 에너지를 흡수하지 않는다.
(2) 태양전지는 이상적인 매끄러운 표면을 가진다.
(3) 레이저 조사로 인해 조사된 영역만 손상되고, 그 외의 영역에는 영향을 미치지 않는다.
에너지 보존 법칙에 따른 반사 방지층의 증발 에너지는 식 (1)과 같습니다[11]:
여기서 E는 레이저 에너지(J), r은 초점 스폿 반경, α는 플라즈마 내부 에너지에 대한 열 에너지 비율입니다. 식 (5)를 식 (4)에 대입하면 증발층 두께를 계산할 수 있습니다. 각 매개변수의 수치 값은 다음과 같습니다:
C = 838 J/(kg·K), L = 3.762 × 10⁶ J/kg, Tᵦ = 2723 K, ρ₀ = 3110 kg/m³ (TiO₂와 SiO₂ 값의 평균)[12].
또한, 펄스 지속 시간은 130 fs, TiO₂/SiO₂ 반사 방지층의 레이저 흡수 계수는 0.95, α = 0.15, 초점 스폿 반경은 11 μm입니다.그림 4는 식 (6)에 값을 대입한 후 레이저 펄스 에너지와 반사 방지층 두께 간의 관계를 보여줍니다:
이론적으로 계산된 반사 방지층의 증발 두께는 레이저 에너지가 각각 2 μJ, 4 μJ, 6 μJ, 8 μJ, 10 μJ, 12 μJ, 14 μJ일 때 25 nm, 53 nm, 85 nm, 180 nm, 200 nm, 350 nm, 400 nm입니다. 실험 결과도 동일하게 25 nm, 53 nm, 85 nm, 180 nm, 200 nm, 350 nm, 400 nm로 나타났습니다.
그림 4에서 확인할 수 있듯이, 레이저 에너지가 8 μJ 이하일 때는 이론값과 실험값이 비교적 잘 일치하지만, 8 μJ 이상에서는 차이가 커지는데, 이는 셀 내부의 재료가 다른 형태로 증발했기 때문입니다. TiO₂/SiO₂ 반사 방지층의 두께는 약 160 nm로, 이는 8 μJ 이상에서 계산된 증발 두께보다 작습니다. 실제 레이저 손상 두께와 레이저 에너지 간에는 선형 관계가 없습니다. 실제 손상 두께가 이론값보다 훨씬 큰 이유는 레이저의 가우시안 빔 분포뿐만 아니라 레이저 충격파 효과, TiO₂/SiO₂ 반사 방지층의 레이저 흡수 계수, 그리고 다른 매개변수 선택에서의 오차 때문입니다[13,14].
Anti-reflection analysis.
그림 5는 서로 다른 펨토초 레이저 에너지 밀도로 조사된 GaAs/Ge 태양전지의 반사율을 보여줍니다. 에너지 밀도가 증가함에 따라 태양전지의 반사율이 증가하는 것으로 나타났습니다. 반사율 증가로 인해 입사광의 활용도가 낮아지고, 그 결과 셀의 단색 입사 광자-전자 변환 효율(IPCE)이 감소하게 됩니다. 에너지 밀도가 0.26 J/cm²(1 μJ)일 때는 셀의 반사율 변화가 뚜렷하지 않으며, 레이저 조사로 인한 반사 방지층 손상도 심각하지 않습니다. 이는 반사 방지층이 효율(η) 15% 감소의 주요 원인이 아님을 보여줍니다. 그러나 에너지 밀도가 0.26 J/cm²(1 μJ)일 때, 400 nm 파장에서 반사율이 급격히 증가하고, 300~1100 nm 범위에서 평균 반사율은 약 15%로 나타나 반사 방지층이 심각하게 손상되었음을 의미합니다.
Spectral response analysis.
스펙트럼 응답 또는 양자 효율(QE)은 태양전지가 단색광 조사에 의해 광전자를 유도하는 능력을 의미하며, 동시에 태양전지에 입사한 광자에 의해 생성된 광전자의 능력을 나타냅니다. 따라서 QE와 광원 강도는 태양전지의 전류를 결정하며, QE는 태양전지의 전기적 특성을 반영합니다.
그림 6은 서로 다른 레이저 에너지 밀도로 조사된 GaAs/Ge 태양전지의 QE 곡선을 보여주며, 조사된 스폿이 서로 접하는 형태입니다. 에너지 밀도가 0.26 J/cm²(1 μJ)일 때 전체 파장 대역에서 QE가 감소하며, SEM 이미지에서는 표면 손상 흔적이 관찰되지 않았습니다. 이는 효율(η)이 15% 감소한 진짜 이유가 QE의 저하 때문이며, 손상의 근본 원인은 레이저가 셀 표면에 결함을 생성하고 계면에서 소수 캐리어를 결합시키는 데 있다는 것을 시사합니다. 또한, 에너지 밀도가 0.53 J/cm²일 때 QE는 단파장과 장파장 영역에서 뚜렷하게 감소합니다. 단파장에서 QE 감소는 태양전지의 윈도우 층과 발광 영역의 손상을 의미하며, 점 결함이 캐리어 재결합을 증가시킵니다. 장파장에서 QE 감소는 셀의 베이스에서도 손상이 발생했음을 나타내며, 이는 소수 캐리어의 수명을 단축하거나 확산 길이를 줄이는 결과를 초래합니다.
펨토초 레이저의 에너지 밀도가 각각 0.26 J/cm², 0.53 J/cm², 0.79 J/cm²일 때, 500 nm 파장에서 QE는 각각 13.71%, 55.78%, 83.01% 감소하며, 800 nm 파장에서는 각각 3.94%, 35.52%, 46.78% 감소합니다. 따라서 레이저 에너지 밀도가 증가함에 따라 GaAs/Ge 태양전지의 스펙트럼 응답과 광전 특성이 저하된다는 결론을 내릴 수 있습니다.
소수 캐리어의 수명(τ), 확산 길이(Lₙ)와 단락 전류(Iₛc)의 관계는 식 (7)과 같습니다:
직접 밴드갭 반도체인 GaAs는 반사 방지층과 윈도우 층을 통과한 후 p-GaAs 층에서 입사광으로부터 생성된 대부분의 캐리어를 흡수할 수 있습니다. 따라서 이러한 능력이 캐리어를 광전류로 변환하는 태양전지의 효율을 결정합니다. 레이저 에너지 밀도가 0.26 J/cm²일 때, 셀 표면의 결함이 계면에서 소수 캐리어를 결합시켜 QE를 저하시킵니다. 결국 GaAs/Ge 태양전지의 전기적 성능이 감소합니다.
레이저 에너지 밀도가 0.53 J/cm² 이상일 때, p-GaAs 영역에 도입된 결함으로 인해 확산 길이(Lₙ)가 짧아져 캐리어 확산과 광전류 생성에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한 표면에서 광전류의 재결합률이 증가합니다. 이러한 모든 요인은 스펙트럼 응답을 저하시켜 셀 효율을 감소시킵니다. 레이저 에너지가 강해질수록 셀의 손상층은 더 깊어지고, 결함은 더 두꺼워지며, 광전류 생성이 어려워지고, 셀의 전압-전류(V-A) 특성은 더욱 저하됩니다.
Conclusions
- 펨토초 레이저가 GaAs 태양전지를 조사하는 과정에서, 에너지가 증가함에 따라 반사 방지층의 손상이 심각해지며, 레이저 에너지가 일정 값에 도달하면 반사 방지층의 기능은 더 이상 유지되지 않습니다.
- 펨토초 레이저 조사로 인한 손상 깊이에 대한 이론적 계산 결과는 실험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있습니다.
- 펨토초 레이저로 조사된 반사 방지층의 반사율 측정 결과, 에너지가 증가함에 따라 반사 방지층의 손상이 심각해지고, 그 기능이 저하되며 셀 표면의 반사율이 증가함을 보여줍니다.
- 응답 스펙트럼 분석 결과, 레이저 에너지가 증가할수록 손상된 셀 층의 깊이와 셀 내부 결함이 증가합니다. 이로 인해 광전류 생성이 어려워지고, 스펙트럼 응답은 지속적으로 감소합니다.
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