PECVD 다이아몬드상 탄소 박막의 특성 및 DSSCs 응용 연구

Abstract

본 논문에서는 다이아몬드상 탄소박막(Diamond-like Carbon; DLC) 박막을 제작하기 위해 RF 플라즈마 화학기상증착(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 시스템을 이용하였으며, 다양한 공정조건에 따라 DLC 박막의 물리적, 광학적, 구조적 특성들을 분석하고, 특성들 간에 상관관계를 고찰하였다.. 또한 굴절률이 1∼2 사이이고 구조적으로 Si과 가장 유사하며, 수소의 도핑 농도에 따라 광 흡수도를 조절할 수 있는 DLC 박막을 염료감응형 태양전지의 반사방지막으로 응용하기 위한 제안을 하였고, DLC 반사방지막이 적용된 염료감응형 태양전지의 전기적 특성 및 다양한 파라미터들을 측정하고 검토하였다. RF-PECVD 시스템을 이용하여 DLC 박막을 제작하기 위한 조건으로 DLC 박막의 두께와 박막 제작을 위한 RF 파워를 변수로 설정하였다. DLC 박막 두께가 증가함에 따라 트라이볼로지 특성 중 하나인 표면특성 에서 표면거칠기 값은 다소 증가한 것을 확인할 수 있으며, 경도와 탄성계수 값은 각각 증가하였다. 마찰계수 값은 다소 증가하는 경향을 나타내었고, 접촉각 값은 감소하였다. 광학적 특성에서 박막의 투과도는 550nm 영역에서 가시광선 투과율이 감소했으며, DLC 박막의 굴절율과 흡수계수는 증가하였다. 라만 피크의 강도는 약간 증가하였고, 라만 스펙트럼 가우시 안 커브 피팅을 사용하여 피팅한 결과 G 피크의 높은 주파수 이동과 ID/IG 비율의 감소는 박막 내 포함된 sp3 결합의 감소를 의미하며, 이 비율의 증가는 박막공정 시간 증가에 따라 기판 표면에서 플라즈마 내 탄소와 수소이온들의 충돌 효과, 수소 이온의 감소로 인한 탄소 sp3 결합의 감소와 이에 따라 박막 표면에서 상승하는 표면 온도의 상승때문에 야기되어지는 박막의 치밀도와 관계되어 진다. 또한 박막을 제작하는 RF 파워를 달리하여 동일한 두께를 제작한 DLC 박막에서 RF 파워가 증가함에 따라 표면 거칠기 값이 감소하였다. 경도와 탄성계수 값은 증가하였고, 마찰계수 값은 다소 감소하였다. 박막 증착시 RF 파워의 증가는 이온들의 에너지를 증가시키고 활성화되어진 이온들은 기판 주위에서 충돌되어지는 이온들의 에너지를 증가시키고 활성화되어진 이온들은 기판 주위에서 충돌하는 횟수를 증가시키고 표면 온도를 상승시켜 박막이 더욱 치밀해지는 구조를 형성하게 된다. 이러한 과정들은 박막의 경도등의 물리적 특성을 향상시키며, 마찰계수 특성도 향상시키게 된다. 접촉각값은 증가하였으며, DLC 표면이 소수성(Hydrophobic) 특성을 나타내었다. 본 논문에서 얻어진 DLC 박막의 특성을 이용하여 DSSC의 반사방지막으로 적용하였다. DLC 박막 두께에 따라 제작되어진 DSSC의 특성에서는 전류 밀도(Jsc) 값은 반사 방지막을 적용하여도 많은 변화를 일으키지 않았지만 측정된 Voc와 FF값이 차이를 나타내고 있으며, 또한 광전변화 효율은 4.92%에서 5.35%로 많은 향상된 것을 확인하였다. 특히 DLC 반사방지막 두께가 60nm인 경우 DSSC 기본 셀의 변환 효율보다 8.73%의 변환 효율 향상을 나타내었다. 한편 DSSC에 다양한 RF 파워에 따라 제작된 DLC 반사 방지막을 적용했을 때, 전류밀도 값이 100W의 RF 파워에서 제작된 DLC 반사방지막을 적용한 경우 많은 변화를 일으켰으며, Voc 값 역시 많은 증가를 나타내었다. 결과적으로 광전변화 효율은 5.14%에서 6.28%로 향상된 값을 나타내었다. 특히, 100W에서 제작되어진 60nm DLC 반사방지막의 경우 DSSC 기본 셀의 변환 효율보다 22.1%의 변환 효율 향상을 나타내었다. 본 논문에서 제작한 DLC 박막의 특성들의 고찰 후 염료감응형 태양전지의 반사방지막으로써 적용결과 우수한 태양전지 효율 특성을 확보할 수 있었다. 본 논문에서 얻어진 결과를 바탕으로 염료감응형 태양전지의 대면적화를 진행할 수 있다면 향후 미래 에너지를 생산할 수 있는 효율적인 에너지 소자를 구현할 수 있을 것이라고 판단된다.|An radio frequency (RF) plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system was used to fabricate a diamond-like carbon (DLC) thin film. Optical and structural properties were analyzed, and correlations between properties were considered. In addition, structurally the most similar to Si, the refractive index is between 1 and 2, and a proposal was made to apply a DLC thin film capable of controlling light absorption according to the doping concentration of hydrogen as an antireflection film of a dye-sensitized solar cells (DSSCs). DLC anti-reflective coating (ARC) applied DSSC electrical properties and various parameters were measured and considered. In this thesis, the thickness of the DLC thin film and the RF power for anufacturing the thin film were set as variables as conditions for manufacturing the DLC thin film using the RF PECVD system. Tribological, optical, and structural characteristics were considered according to the thickness of the thin film produced by varying the film production time. The characteristics of the DSSC manufactured according to the thickness of the DLC thin film, the current density (Jsc) value did not change much from 11.93㎃/㎠ to 11.38㎃/㎠ even when an anti-reflection film was applied, but the measured Voc and FF values were different. Also, it was confirmed that the photoelectric conversion efficiency improved significantly from 4.92% to 5.35%. In particular, when the thickness of the DLC anti-reflection film was 60 nm, the conversion efficiency was improved by 8.73% over that of the DSSC basic cell. When the DLC anti-reflection film manufactured according to various RF powers was applied to the DSSC, the electrical characteristics of the DSSC solar cell were evaluated. As a result, the current density (current density, Jsc) When a DLC anti-reflection film manufactured at a RF power of 100 W was applied, many changes were made from 11.37 ㎃/㎠ to 13.94 ㎃/㎠, and the measured Voc value also showed a large increase. The photoelectric conversion efficiency improved significantly from 5.14% to 6.28%. These results are judged to be due to the increased photon amount change entering the photoelectrode due to the DLC antireflection film. In particular, in the case of DSSC, the increase in Jsc is related to the increase in the amount of incident photons, and in the case of the 60nm DLC anti-reflection film fabricated at 100W, the conversion efficiency was improved by 22.1% than that of the DSSC basic cell. In conclusion, after considering the properties of the DLC thin film produced in this thesis, the application result as an ARC of the DSSCs showed the possibility of improving the solar cell efficiency, especially in the case of a DLC anti-reflection film produced according to RF power. It was possible to secure excellent efficiency characteristics. Based on the results obtained in this paper, it is judged that it is possible to implement an efficient energy device capable of producing future energy in the future if it is possible to proceed with a large area of a dye-sensitized solar cell.