[논문 리뷰] Impact of $Al_2O_3$ Passivation on the Photovoltaic Performance of Vertical $WSe_2$ Schottky Junction Solar Cells

Elaine McVay, Zubair Ahmad외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 30.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 수직 Pt/WSe2 슈트키 접합 태양전지에서 Al2O3 피드백 처리가 외부 양자 효율성(EQE)을 410 nm에서 최대 29.5% 향상시켜 단락 전류 밀도(JSC)를 10.7 mA/cm²로 개선하고 개방 전압(VOC)을 380 mV로 달성함으로써 광발전 성능을 크게 향상시킴을 보여준다. 향상 효과는 반사 방지, 표면 도핑 및 트랩 피드백 효과에 기인하며, 슈트키 장벽의 비균일성이 VOC 저하를 유도하는 주요 원인으로 규명되었다.

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide (TMD) materials have emerged as promising candidates for thin film solar cells due to their wide bandgap range across the visible wavelengths, high absorption coefficient and ease of integration with both arbitrary substrates as well as conventional semiconductor technologies. However, reported TMD-based solar cells suffer from relatively low external quantum efficiencies (EQE) and low open circuit voltage due to unoptimized design and device fabrication. This paper studies $Pt/WSe_2$ vertical Schottky junction solar cells with various $WSe_2$ thicknesses in order to find the optimum absorber thickness.Also, we show that the photovoltaic performance can be improved via $Al_2O_3$ passivation which increases the EQE by up to 29.5% at 410 nm wavelength incident light. The overall resulting short circuit current improves through antireflection coating, surface doping, and surface trap passivation effects. Thanks to the ${Al_2O_3}$ coating, this work demonstrates a device with open circuit voltage ($V_{OC}$) of 380 mV and short circuit current density ($J_{SC}$) of 10.7 $mA/cm^2$. Finally, the impact of Schottky barrier height inhomogeneity at the $Pt/WSe_2$ contact is investigated as a source of open circuit voltage lowering in these devices

연구 동기 및 목표

• 수직 슈트키 접합 태양전지에서 개방 전압(VOC)과 단락 전류(JSC)의 상충 관계를 고려할 때 최적의 WSe2 흡수체 두께(80–150 nm)를 규명하기 위해.
• Al2O3 원자층 증착(ALD) 피드백 처리가 광전기 성능에 미치는 영향을 분석하여 EQE, JSC, VOC를 평가하기 위해.
• Pt/WSe2 인터페이스에서의 슈트키 장벽 높이 비균일성이 감소한 VOC와 증가한 어둠의 전류의 원인으로서의 역할을 분석하기 위해.
• Al2O3에 의한 반사 방지, 표면 도핑 및 트랩 피드백의 병합 효과가 장치 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 기계적 에크스포지션을 통해 제작한 다층 WSe2(80–150 nm)를 흡수체로 사용하여 수직 슈트키 접합 태양전지를 제작하고, Pt를 하부 접촉체로, Au를 상부 접촉체로 사용하였다.
• 평면 방향의 전도를 방지하고 어둠의 전류를 감소시키기 위해 전자선 패턴을 가공한 수소 실세퀴옥산(HSQ)을 절연 다이에렉트릭으로 사용하였다.
• 알루미나(Al2O3)를 원자층 증착(ALD) 기법을 통해 다양한 두께(5–20 nm)로 증착하여 WSe2 표면을 피드백 처리하고 전하 이동 도핑을 유도하였다.
• AM1.5 조명 조건과 다양한 파장의 단색 레이저 조사 조건에서 광전기 특성을 측정하여 EQE와 흡수도를 산정하였다.
• 1 μm 레이저 빛점을 사용한 스캐닝 광전류 현미경을 통해 공간 분포 광전류 반응을 맵핑하고 장치 구조와 연관지어 분석하였다.
• 어둠의 전류 대 전압 특성에 대해 로그 플롯을 작성하고, 워너 방법을 이용해 이데아 계수를 추출하여 슈트키 장벽 비균일성의 정도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 Pt/WSe2 슈트키 접합 태양전지에서 VOC와 JSC 간의 상충 관계를 최적화할 수 있는 최적의 WSe2 흡수체 두께 범위(80–150 nm)는 무엇인가?
• RQ2 Al2O3 피드백 처리는 WSe2 기반 태양전지의 외부 양자 효율성(EQE), 단락 전류 밀도(JSC), 개방 전압(VOC)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반사 방지, 표면 도핑, 표면 트랩 피드백이 Al2O3 증착 후 향상된 광전기 성능에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 Pt/WSe2 인터페이스에서의 슈트키 장벽 높이 비균일성은 효과적인 장벽 높이를 어떻게 변화시키며, VOC 저하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 전하 밀도(예: 10¹² cm⁻²)가 Al2O3 피드백 처리된 WSe2 장치의 전위 프로파일과 밴드 굴곡을 어떻게 변화시키는가?

주요 결과

• Al2O3 피드백 처리로 410 nm에서 외부 양자 효율성(EQE)이 최대 29.5% 향상되어 빛 흡수 효율성이 뚜렷이 향상되었다.
• Al2O3 피드백 처리 후 단락 전류 밀도(JSC)는 10.7 mA/cm²로 향상되었으며, 개방 전압(VOC)에 대한 열화 없이 유지되었다.
• AM1.5 조명 조건 하에서 장치는 380 mV의 VOC를 달성하여 비복사 재결합의 효과적인 억제를 보여주었다.
• 어둠의 전류 측정 결과, 슈트키 장벽 비균일성이 효과적인 장벽 높이를 감소시켜 누설 전류를 증가시키고 VOC를 낮추는 원인이 됨을 규명하였다.
• 스캐닝 광전류 영상 분석을 통해 Al2O3 피드백 처리 후 WSe2 플레이크 전역에서 실시간 전자 수확 효율이 향상되고 신호의 균일성이 향상됨을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과, Al2O3에 의해 유도된 표면 전하 밀도 10¹² cm⁻²는 유리한 밴드 굴곡과 전위 프로파일 조절을 유도하여 전하 추출 효율을 향상시킴을 보여주었다.