[本社(본사) 제17회 學術賞(학술상)] 自然科學分野(자연과학분야) 본상 수상작

Ⅰ.序論(서론)

  石油(석유), 石炭(석탄) 등의 화석연료의 고갈로 인하여 근래에 와서 現世界(현세계)가 극심한 에너지 위기에 처해 있으며 이로 인하여 無公害(무공해), 무한한 에너지源(원)으로서 태양에너지의 이용이 近年(근년)에 이르러 크게 각광을 받는 것은 주지의 사실이다.
  이 태양에너지의 이용은 고대 그리스시대부터 있어 온 것으로 알려지지만 특히 分起電力(분기전력)을 이용하는 면으로 볼 때는 1953년 0.8%효율의 Se 光電池(광전지) 개발이 嚆矢(효시)라고 할 수 있다. 1954년 D. M. Chapin의 ‘태양복사를 電力(전력)으로 변환시킬 수 있는 새로운 Si n-n 接合(접합) 光電池(광전지)’라는 論文(논문)이 발표되고부터 태양에너지가 새로운 대체에너지로서 각광을 받아 연구 개발에 박차를 가하게된 것이다. 그러나 利用(이용)할 수 없는 photon energy(33%), 흡수할 수 없는 긴 波長(파장)의 photon(23%)과 電氣的(전기적) 손실(22%)로 인해 실제로 利用(이용) 가능한 최대에너지는 22%정도이지만 최근에는 흡수할 수 없는 긴 波長帶(파장대)까지 흡수가능하게 되어 커다란 발전을 가져왔다.
  이 光起電力(광기전력) 효과를 이용하는 素子(소자)로는 크게 나누어 光(광)에너지를 電氣(전기)에너지로 바꾸는 太陽電池(태양전지)로의 이용이고 다른 하나는 光(광)의 有無(유무), 强弱(강약), 色調(색조) 등을 檢出(검출) 識別(식별)하는 光檢出(광검출) 素子(소자)로의 利用(이용)이다.
  Si-SnO₂接合(접합)·photo diode는 높은 光電感度(광전감도)와 넓은 波長領域(파장영역)에서 分光感導(분광감도)를 가지므로 光檢出(광검출) 素子(소자)로서의 이용이 활발한 형편이다.
  이에 本(본) 論文(논문)에서는 보다 實用的(실용적)이고 大量生産(대량생산)이 가능한 방법인 墳霧附着法(분무부착법)을 이용하여 n형 Si 基板(기판) 위에 spray法(법)으로 SnO₂膜(막)을 입혀 Si-SnO₂ n-n hetero junction photo diode를 試驗製作(시험제작)하고 그 最適條件(최적조건)을 찾아보았으며 이렇게 제작한 試料(시료)의 特性(특성) 調査(조사)로서 電流(전류)-電壓(전압) 特性(특성), 最大光起電力(최대광기전력), photo voltage의 分光感度(분광감도) 特性(특성)등을 측정하였다.

Ⅱ. 理論(이론)

  Diode에 bias電壓(전압) V를 걸었을 때 흐르는 電流(전류)는,
  I=lo'exp(ev/nkt)-1'…(1)
로 표시된다. 여기서 lo는 diode의 暗電流(암전류), e는 電子(전자)의 電荷量(전하량), v는 附加電壓(부가전압), k는 Boltyman 常數(상수)이며 T는 絶對溫度(절대온도)이다. 따라서 順方向(순방향) bias 電流(전류)는 電壓(전압) v의 增加(증가)에 따라 指數(函數的(지수함수적)으로 增加(증가)함을 알 수 있고 역方向(방향) bias 電流(전류)는 |v|>>kt/e인 경우에는 식 (1)에서 exp(ev/kt)~0이므로 I=lo가 된다. 따라서 逆方向(역방향) bias 電壓(전압)을 걸어주면 bias 電壓(전압)에 관계없이 일정한 포화상태를 나타낸다. 한편 diode에 빛을 비추면 여기서 흐르는 電流(전류) I는,
  I=lo'exp(ev/kt)-1'+Ish…(2)
이다. 식(2)에서 첫째 項(항)은 暗電流項(암전류항)이고 둘째 項(항)은 光電流(광전류) 項(항)이다.
  電壓(전압) 값을 조정하여 I=0로 만들었다면 I=0 상태에서는 개방전이나 개방후의 상태가 변함이 없으므로 개방후의 電壓(전압)도 역시 V이다. 그러므로 식(2)에 I=0을 代入(대입)하면,
  Io'exp(ev/kt)-1'=Ish (2)
가 된다. 따라서 開方電壓(개방전압)은
  Vop=kt/e ln(Ish/Io+1'(3)
가 된다. 이 식으로부터 Vop를 크게 하려면 Io가 작은 반도체를 사용하여야 함을 알 수 있으며 Si 사용한 이유도 Si의 暗電流(암전류) Io가 Ge의 Io보다 작기 때문이다.
  또한 (1)식에서 順方向(순방향) bias 에서는 e ev/57가 아니라 e ev/247에 따라 변화한다. 이것은 空間電荷領域(공간전하영역)을 건너서 주입되는 正孔(정공) 및 電子(전자)들이 이 영역에서 재결합하는 효과가 지배적으로 되는데서 온 것이다. 즉 I가 작은 범위에서는 n~2이고 I가 비교적 큰 범위에서는 n~1이다. 따라서 n값으로부터 diode의 이상적인 특성을 알 수 있다.
  SnO₂의 일함수 φs는 0.28eV이고 SnO₂의 전자가 Si쪽으로 이동하는데 필요한 에너지는 1.01eV이다. 여기서 φm<φs이므로 電子(전자)의 移動(이동)은 SnO₂로부터 Si쪽으로 일어나게 되어 Ohm 性(성) 접촉이 됨을 알 수 있다.

Ⅲ. 試料製作(시료제작) 및 測定(측정)

  試料(시료)는 As를 dope시킨 n type Si으로서 比抵抗(비저항)이 1~2ΩCm인 것을 사용하였고 이것은 HNO:HF:CH₃COOH=5:3:1의 비율로 혼합한 용액에 5분 이내로 etching시킨 다음 증류수로 헹구어 짧은 시간 내로 건조시킨다.
  墳霧溶液(분무용액)은 SnCl₄50g, SbCl₃ 0.5g, HCL 5cc, H₂O 25cc, 이었으며 먼저 furnace의 heater를 가열시킨 후 Si 基板(기판)위에 SiO 生成(생성)을 최대한 억제하기 위해 furnace內(내)의 온도가 823°K가 되었을 때 試料(시료)를 furnace內(내)에 삽입한다. 그리고 이 furnace온도가 873°K가 되면 compressor를 이용하여 용액을 墳霧(분무)하였으며, 이때 墳霧量(분무량)은 25cc로 일정하게 하였고 이렇게 만들어진 Si-SnO₂는 공기 중에서 自然冷却(자연냉각)시켰다.
  이렇게 만들어진 試料(시료)로 암흑상태에서의 電流(전류)-전압특성은 回路(회로)를 써서 Keithley 610C Electrometer를 사용하여 전류와 전압을 측정하였으며 한편 試料(시료)에는 白色光(백색광)을 照射(조사)시켜 전류와 전압을 측정하고 이 결과로부터 最大光起電力(최대광기전력)을 産出(산출)했다.
  또 BAUSCH & LOMB monochromator를 이용하여 波長(파장)에 따른 photo boltage를 측정하였다.

Ⅳ. 實驗結果(실험결과) 및 論議(논의)

  Spray하는 동안에는 온도가 높을수록 sheet 抵抗(저항)의 값은 감소됨을 알 수 있었고 또 sb와 sn의 혼합 비율에 따라 sheet저항이 변화하고 더욱이 sb/sn의 값이 0~1.18% 까지는 sheet저항이 감소되나 그 이상의 값에서는 sheet 저항이 증가됨을 알 수 있었다. 따라서 本(본) 實驗(실험)에서는 제일 좋은 조건인 sd/sn=1.18%에서 試料(시료)를 제작하였다.
  이렇게 만든 試料(시료)는 受光窓(수광창)의 면적을 각각 1㎠, 0.67㎠, 0.3㎠로 변화시켰을 때 short-circuit current는 면적에 비례하나 open-circuit voltage는 면적에 따라 변하지 않음을 알 수 있었다. 그리고 理論式(이론식)에서 보는바와 같이 順方向(순방향) bias 전압을 걸었을 때는 전류가 指數(지수) 함수적으로 증가하고 逆方向(역방향) bias 전압을 걸었을 때의 전류는 空間電荷領域(공간전하영역)에서 carrier의 발생에 의한 누설전류 때문에 거의 일정한 電流値(전류치)를 나타냄을 알 수 있었다. 여기서 나온 電流(전류)-電壓(전압) 관계 중, 두 領域(영역)의 각 기울기로부터 n값을 산출해본 바, I가 작은 영역에서는 n=2.09, I가 큰 영역에서는 n=0.94이 됨을 알 수 있었다. 이것으로부터 우리는 이 試料(시료)가 이상적 diode 特性(특성)을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
  또한 最大光起電力(최대광기전력) Pmax을 구하기 위해 白色光(백색광) 照射下(조사하)의 전류-전압을 측정한 결과는 그림7과 같고 여기서 보는 바와 같이 short-circuit current(Ish)는 전류-전압 曲線(곡선)이 電流軸(전류축)과 만나는 점의 값으로 Ish=2.1×10^-4A/㎠를 얻었고, open-circuit voltage (Vop)는 電壓軸(전압축)과 만나는 점의 값으로 Vop=0.43V를 얻었다. 이렇게 구한 최대광기전력은 468×10^-4W/㎠를 얻었다.
  한편 각 波長(파장)에 따른 photo voltage를 구한 결과는 可視光線領域(가시광선영역)에서 좋은 分光感度(분광감도)를 갖는 것을 알 수 있었다.

Ⅴ. 結論(결론)

  Spray法(법)으로 n-n hetero junction Si-SnO₂ photo diode를 제작하고 그 특성을 조사한 바
  1. 試料製作(시료제작)의 최적조건은 Spray 中(중) furnace內(내)의 온도가 823°K정도이고
  2. 墳霧溶液(분무용액)중 sb와 sn의 比(비), 즉 sb/sn가 1.13%에서 가장 좋은 受光窓(수광창)을 얻을 수 있었으며
  4. 이 photo diode×10^-4W/㎠이었으며
  5. Photo voltage 에 대한 分光感度(분광감도) 特性(특성)으로부터 本(본) diode는 可視光線全領域(가시광선전영역)에서 좋은 분광감도를 가짐을 알 수 있었다.

[受賞所感(수상소감)]

-장기상‧최성은 <文理大(문리대) 물리과>

  우리는 실험을 5월21일부터 시작했다. 대학에서 좀 더 큰 열매를 맺고자 했던 것이다. ‘Ba-Ti`₃ 불순물 첨가에 따른 전기적 특성’이란 제목을 가지고 시작을 했다. 실험 준비를 위해서 종로, 청계천, 남대문, 인천 등을 누비느라 다리 아팠던 일, 여름방학동안은 피서 여행이란 단어도 잊은 채 실험실에서 살았다. 방학인데, 무엇 때문에 학교엔 나가느냐는 엄마의 꾸중을 들어가며, 이렇게 실험 준비를 하였는데 우리는 도중에 어떤 이유로 해서 논문제목을 바꾸게 되었다. 2학기 개강을 맞고서 Si-SnO₂ Solar Cell에 관한 논문을 여러 권 들고 우리는 다시 실험에 임했다. 수업기간엔 강의를 듣고 7시엔 귀가해야 하는 적은 시간 속에서 우리는 무척 힘들게 실험을 했다. 시간이 풍족하지 못했기에 더욱 열심이었다. 또한 그 속에 우리의 열매가 들어있기에 더욱 열심히 하였다. 제한된 시간 때문에 더욱 완벽하게 완성시키지 못한 점이 지금도 아쉽다.
  논문을 작성하면서 강의시간에는 터득할 수 없는 많은 것을 배웠다.
  3학년을 종강하면서 이렇게 무언가 남길 수 있었다는 것에 감사하고 본상을 주신 東大(동대)신문사에 감사드린다. 가진 것이 없는 저희를 끝까지 지도해주신 황정남 교수님과 강선생님 그리고 과에 감사하며, 그리고 완벽을 다짐하며 수강소감에 대신한다.