반도체 재료의 전하 캐리어 이동도는 태양전지의 유용성에 중요한 파라미터입니다. 태양전지에 빛이 내리면 전극에 전압을 생성하는 자유 전하 캐리어가 생성됩니다. 재료 내 전하 캐리어의 이동도에 따라 셀의 전류 흐름이 결정되고 따라서 사용 가능한 출력에 영향을 미칩니다.
태양광 시스템에 사용되는 반도체는 자연적으로 낮은 이동도를 보이는데, 태양전지의 다결정 실리콘의 경우 부품 제조에 필요한 고순도 실리콘에 비해 1,000~10,000배 더 작습니다.
반도체에서 전하 캐리어의 이동도는 ASTM F76-08 표준에 따라 홀 효과를 사용하여 측정할 수 있습니다. 저항 측정을 통해 전하 캐리어의 유형(전자 또는 정공)과 밀도 및 재료 내 전하 캐리어의 이동성을 측정할 수 있습니다. 정자기장(DC)에서의 측정은 널리 사용되고 있지만, 태양 전지 기술, 열전기 또는 유기 전자 장치와 같이 이동도가 낮은 물질을 정확하게 측정하는 데는 적합하지 않습니다.
홀 효과 및 측정
에드윈 허버트 홀은 1879년 자신의 이름을 딴 홀 효과를 발견했습니다. 그는 도체의 전류가 외부 자기장의 영향을 받을 수 있다는 사실을 관찰했습니다.
전류를 전달하는 (반)도체가 자기장에 수직으로 관통되면 로렌츠 힘은 전하의 이동 방향에 수직으로 작용하는 힘 성분을 발생시켜 전하 캐리어가 원형 경로로 편향되도록 합니다. 이렇게 하면 전류 방향에 걸쳐 도체 내에 전하 캐리어의 농도 구배가 생성됩니다. 도체의 한쪽에는 전자가 부족하고 반대쪽에는 전하 캐리어가 축적됩니다. 그 결과 발생하는 전압을 홀 전압 UH라고 합니다. 이는 전류 강도 I, 자속 밀도 B, 시료의 두께 d 및 재료 상수인 홀 계수 AH에 따라 달라집니다.
공식 1:
홀 계수가 양수 값이면 ‘정공 전도체(p형)’이고, 대부분의 경우 음수 값이면 전자 전도체(n형)를 의미합니다.
방정식 2와 3은 홀 계수 AH, 비저항 ρ, 전하 캐리어 밀도 n, 이동도 μ 사이의 추가 관계를 보여줍니다. 여기서 e는 기본 전하입니다.
방정식 2:
방정식 3:
실제 테스트 조건에서 측정된 홀 전압 UHm은 오프셋 전압 성분 UO와 열전 전압 성분 Uth의 영향을 받을 수 있습니다. 전압 UO와 Uth의 방해 효과를 제거하기 위해 특별한 방법이 개발되었습니다. 열전압은 전류 방향을 변경한 다음 절대값을 평균화하여 제거할 수 있습니다. 오프셋 전압은 샘플 지오메트리에서 발생하며, 이는 자기장 방향에 의존하지 않기 때문에 자기장을 역전시켜 보정할 수 있습니다.
직류 방식은 종종 전하 캐리어의 유형을 잘못 결정하고 이동성이 낮은 물질의 이동성에 대한 부정확한 결과를 초래하므로 교류 자기장 또는 교류를 대체로 사용할 수 있습니다. 이는 홀 전압이 교류 전압이 되는 동안 직류 전압 성분인 UO와 Uth를 억제할 수 있기 때문입니다. 작은 홀 전압을 측정하고 전하 캐리어 이동도가 낮은 물질을 특성화할 수 있어 특히 태양광 소재를 교류 방식으로 평가할 수 있습니다.
