비정질 실리콘에 대해 설명해보세요.

비정질 실리콘(Amorphous Silicon, a-Si)은 Si를 주성분으로 하여 구성되며, 장거리 규칙성은 없지만 단거리 질서를 가지는 구조적 특성을 나타내는 물질의 총칭이다. a-Si는 결함(dangling bond)이 많은 구조적 한계를 가지므로, 이를 보완하기 위해 수소를 도입한 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 형태로 주로 활용되며, 수소화 처리를 통해 전기적 특성을 개선하여 전자재료로 사용된다. 제조 방법으로는 글로 방전법(Plasma CVD), 스퍼터법, 진공증착법, 열 CVD법, 광 CVD법 등이 있다.

[전자 재료로서의 주된 특징]

•불순물의 도핑에 의하여 p, n의 가전자 제어가 가능하며, 넓은 범위의 도전도를 얻을 수 있다.

•빛의 흡수계수가 높고, 박막으로 디바이스를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 파장감도가 가시광 전역에 있다.

•기판의 임의성에 있어서 대면적화가 용이하다.

•단결정 Si에 비하여 제조 공정이 간단하고 가격이 싸다.

•이동도가 낮아 태양전지 등에서 결정질 Si 대비 효율이 낮은 한계가 있다.

•장시간 광조사 시 성능 저하(광열화, Staebler-Wronski 효과)가 발생할 수 있다.

[해설 및 핵심용어정리]

비정질이란 즉 아모퍼스라는 그리스어의 'a-morphé'가 어원으로서 원자가 아무렇게나 배열되고, 또 열역학적으로 비평형계에 있는 고체를 가리킨다.

전자식 소자에의 응용으로서는 비결정성 태양전지, 비결정성 광센서, 메모리 소자, 파워 센서, 변형 센서 등이 있다.

비정질 실리콘 태양전지는 박막 태양전지 분야에서 오랫동안 활용되어 왔으나, 최근 결정질 실리콘 태양전지(단결정·다결정)와 페로브스카이트 태양전지의 효율 향상으로 경쟁이 심화되고 있다. 특히 페로브스카이트/결정질 실리콘 탠덤(Tandem) 태양전지는 이론적으로 30% 이상의 광전환 효율을 달성할 수 있어 차세대 고효율 태양전지의 핵심 기술로 주목받고 있다. 비정질 실리콘은 박막 태양전지·TFT-LCD 박막트랜지스터(TFT-LCD의 화소 구동 소자)·광센서 분야에서의 역할을 유지하고 있다. 한화솔루션 등 국내 기업들이 탠덤 태양전지 상용화 기술 개발에 집중 투자하고 있다.