출처 : atomiclimits.com

PERC의 부상과 그 제조 공정에 대해 할 말 (및 설명)이 많이 있으며 이것은 당분간 다른 블로그 게시물로 남겨 두겠습니다. 그러나 보고서에 분명하게 언급 된 한 가지 사실은 다음과 같습니다.PERC 제조의 핵심은 후면 패시베이션이지만,이 목적을 위해 선택되는 만장일치 재료는 산화 알루미늄이며, 실리콘 질화물 적용으로 잘 알려진 PECVD 기계 또는 ALD (Atomic Layer Deposition) 도구를 사용하여 증착 할 수 있습니다.”. Eindhoven University of Technology에서의 연구가 Al의 표면 패시베이션 탐사에 크게 기여했기 때문에이 측면에 연결하고 싶습니다.2O3(ALD 및 PECVD), 높은 수준의 표면 패시베이션의 기초가되는 기본 측면 및 재료 특성 조사 및 Al의 시연2O3태양 전지 장치에서.
나는 Al의 몇 가지 중요한 측면에 대해 생각했습니다.2O3표면 패시베이션과 그 증착 공정 이었지만 2011 년에 결정질 실리콘 태양 전지&에 관한 21 차 NREL 워크숍을위한 컨퍼런스 논문을 준비 할 때 이러한 측면의 많은 부분을 기록했다는 것을 기억했습니다. 모듈 : 2011 년 콜로라도 브레 켄 리지에서 조직 된 재료 및 프로세스. 저는이 컨퍼런스에 초대되었습니다 (매년 개최됩니다.https://siliconworkshop.com) Al에 대한 우리의 작업2O3그 무렵에는 많은 관심을 끌었습니다. 학회 논문을 다시 읽으면서 논문에 설명 된 많은 측면이 여전히 유효하고 상당히 선견지명이 있음을 발견했습니다. 따라서 저는 아래의 전체 논문의 텍스트를 복사하고 약간의 주석을 추가하기로 결정했습니다. 참고로이 논문은 10 개의 질문에 대한 답변으로 "Al의 사용에 대한 전망2O3고효율 태양 전지용”이것이 논문의 제목이기 때문입니다.
여기에 추가하고 싶습니다.25일유럽 태양 광 에너지 컨퍼런스 및 전시회2010 년 발렌시아에서. Al에 대한 관심이2O3태양 전지 산업에서 실제로 도약하기 시작했습니다. 프레젠테이션을 녹음했고 다시들을 수 있습니다.여기. Al과 관련된 모든 관련 측면에 대한 간략한 개요를 제공해야합니다.2O320 분 후 또한 전 박사 과정 학생과 제가 2012 년에 쓴 리뷰 논문에서 훨씬 더 많은 정보가 제공된다는 점에 주목하고 싶습니다.Al의 현황과 전망2O3실리콘 태양 전지를위한 기반 표면 패시베이션 방식(링크). Al에 관여하거나 관심이있는 경우2O3태양 전지의 경우 필독서 일 것입니다.
마지막으로 요즘부터 많은 일이 일어 났지만 말했듯이 곧 다른 블로그 게시물에서 다룰 것입니다!
Crystalline Silicon Solar Cells& 모듈 : 재료 및 프로세스 – Breckenridge Colorado – 2011 *
Al 사용 전망 검토2O3고효율 태양 전지용
Al2O3c-Si 태양 광 발전 (PV) 용 박막 패시베이션 소재로 지난 몇 년간 빠르게 인기를 얻은 소재입니다. 이 공헌에서는 태양 전지 커뮤니티에 존재할 수있는 10 가지 질문에 대해 다룰 것입니다.
1) – Al에 의한 표면 패시베이션2O3, 이야기는 무엇입니까?
이미 1989 년에 Hezel과 Jaeger는 Al의 부동 태화 특성에 대해보고했습니다.2O3열분해에 의해 준비된 당시 필름 [1]. 이 논문은 c-Si의 표면 패시베이션 (예 : 고밀도 음전하의 존재) 측면에서 재료의 매우 흥미로운 특성에 대해보고했지만 a-SiN에 대한 관심이 더 많았습니다.x: 당시 H 박막과 소재는 기본적으로 PV 커뮤니티에서 눈에 띄지 않았습니다. 그러나 2005 년경 IMEC [2] 및 Eindhoven University of Technology (TU / e) [3]의 연구 그룹이 Al2O3특정 형태의 화학 기상 증착 (CVD) [4] 인 원자 층 증착 (ALD)에 의해 준비된 필름은n-유형 및p-유형 c-Si. 이러한 초기보고 후 Al에 대한 관심2O3특히 Al2O3또한 우수한 패시베이션으로 이어집니다.p+-유형 표면 [5] 및 Al이 포함 된 태양 전지의 성능보고 후2O3의 후면 및 전면 측면 표면을 보호하기 위해 통합되었습니다.p-type [6] 및n-유형 [7] 태양 전지.
2) – Al의 기본 재료 특성은 무엇입니까2O3Si 패시베이션에 사용되는 필름?
Al2O3다양한 결정 형태로 구성된 넓은 밴드 갭 (벌크 재료의 경우 ~ 8.8eV) 유전체입니다. 그러나 패시베이션 층의 경우 비정질 Al2O3필름은 다소 낮은 밴드 갭 (~ 6.4eV)과 2eV의 광자 에너지에서 ~ 1.65의 굴절률로 사용됩니다. 따라서 필름은 태양 전지의 관심 파장 영역에서 완전히 투명합니다. 필름에 약간의 O가있을 수 있지만 필름은 일반적으로 상당히 화학 양 론적입니다 ([O] / [Al] 비율=~ 1.5). CVD 기반 기술로 제조 할 때 필름은 낮은 수소 함량 (일반적으로 2-3at. %)을 나타내며이 수소는 대부분 -OH 그룹으로 (과잉) O에 결합됩니다. 그러나 우수한 부동 태화 특성이 Al에 민감하게 의존하지 않는 것으로 관찰되었습니다.2O3화학 양론 및 재료 순도와 같은 특성 [8]. Al의 수소 함량2O3그러나 필름은 Al에서 얻은 c-Si의 화학적 부동 태화에 매우 중요한 것으로 밝혀졌습니다.2O3영화. 이것은 SiO의 계면 층에도 적용됩니다.x(1-2 nm 두께) 즉 (항상) Al 사이에 형성됩니다.2O3및 CVD 기반 기술을 적용 할 때 Si [3,9].

30 nm Al의 굴절률 n 및 흡광 계수 k2O3ALD에 의해 증착 된 필름[10].
3) – Al을 준비하는 데 사용할 수있는 기술2O3박막?
Al2O3c-Si 표면 보호막은 Al (CH)을 사용하는 열 및 플라즈마 보조 ALD에 의해 증착되었습니다.3)3다른 산화제 공급원 (H2O, O3그리고 O2혈장) [8,11]. 플라즈마 강화 CVD (PECVD, Al (CH3)3그리고 N2O 또는 CO2혼합물)은 또한 Al을 증착하기 위해 사용되었습니다.2O3[8,12,13]뿐만 아니라 물리적 기상 증착 (PVD) 기법의 스퍼터링 [14]. 초기 (1989) Hezel과 Jaeger는 Al (OiPr)3Al 증 착용2O3Al에 대한 첫 번째 결과였습니다.2O3보고 된 c-Si의 기반 부동 태화 [1]. 또한 졸-겔 공정이 Al에 대해 조사되었습니다.2O3c-Si 패시베이션을위한 합성 [15,16]. 이러한 모든 경우에 ~ 400ºC에서 필름을 어닐링하는 것이 유익하거나 높은 수준의 표면 패시베이션을 달성하는 데 필요합니다.

열 ALD에 대한 다양한 반응기 구성 : (a) 단일 웨이퍼 반응기, (b) 배치 반응기 및 공간 ALD 반응기. (a)와 (b)에서 ALD주기는 시간 영역에서 수행되고 (c)에서 ALD주기는 공간 영역에서 수행됩니다.[17].
4) – Al을 만드는 이유2O3표면 패시베이션에 고유한가요?
Si 표면에 대해 두 가지 패시베이션 메커니즘을 식별 할 수 있습니다. 첫 번째 메커니즘은 인터페이스 상태 밀도의 감소입니다.D그것예를 들어, H 원자에 의한 Si 매달려 결합의 패시베이션을 통해 Si 표면에서. 이 메커니즘을 "화학적 패시베이션"이라고합니다. 두 번째 메커니즘은 표면에 내장 된 전기장을 통해 Si 표면에 존재하는 소수 전하 캐리어의 밀도를 줄이는 것입니다. 소위 "전계 효과 패시베이션"은 도핑 프로파일 또는 고정 전하를 통해 달성 할 수 있습니다.QfSi에 증착 된 박막에 존재합니다. Al에 의한 우수한 패시베이션2O3일반적으로 두 메커니즘의 조합입니다.
Al2O3매우 높은 밀도를 포함 할 수 있습니다 (최대 1013센티미터-3) 의부정요금은 재료를 독특하게 만듭니다 [18]. 거의 모든 다른 재료 (특히 SiO2및 a-SiNx: H) 양의 고정 전하를 포함하고 밀도가 낮습니다. Al 용2O3고정 요금은 Al 사이의 인터페이스에 있습니다.2O3및 계면 SiOxSi에 [19]. 또한 Al의 고정 전하 밀도가2O3Al의 제조 방법에 따라2O3.플라즈마 보조 ALD 및 PECVD로 제조 된 필름의 경우 일반적으로Qf열 ALD에 의해 준비된 필름에서 발견됩니다. 나중의 경우 우수한 부동 태화 수준은 주로 낮은D그것수평.
Al의 두 번째 핵심 측면2O3, 지금까지 덜 주목받은 측면은 Al2O3또한 열처리 동안 (어닐링 및 소성 단계 동안) Si 계면에 수소를 제공하는 효과적인 수소 저장소 역할을합니다. 이것은 최근에 분명하게 확립되었으며 [9] Al에 의해 이러한 우수한 수준의 화학적 부동태 화가 달성 될 수 있다는 사실을 설명합니다.2O3H- 말단 Si에 직접 증착되거나 증착 된 SiO를 포함하는 Si에 증착 된 필름x(예를 들어, PECVD 또는 ALD에 의해) 그 자체로 상대적으로 열악한 부동 태화 (즉, Al이 없을 때)2O3캡 핑층 적용) [20].

표면 재결합 속도 Seff, 최대플라즈마 보조 및 열 ALD Al 용2O3Al에 증착 된 코로나 전하 밀도의 함수로서의 필름2O3. 이 플롯은 두 필름 모두 고정 된 음전하 밀도를 포함하지만 열 ALD 샘플에서 전하가 적다는 것을 보여줍니다. 열 ALD는 S 값이 낮을수록 더 높은 수준의 화학적 패시베이션을 나타냅니다.eff, 최대고정 요금이 코로나 요금으로 보상되는 지점에서.
참고 2018 :다양한 금속 산화물에 의한 실리콘 표면의 패시베이션에 대한 최근 후속 연구에 따르면 이러한 금속 산화물의 대부분은 HfO와 같은 음전하 유전체라는 것이 밝혀졌습니다.2, 조지아2O3, TiO2, Nb2O5등
5) – Al을 이용한 (산업 형) 태양 전지의 성능은?2O3?
Al에 대한 열정을 고려2O3PV 커뮤니티 [21,22] 내에서 Al을 포함하는 태양 전지의 성능은2O3패시베이션 레이어는 광범위하게 테스트되고 있습니다. 그러나 PV 회사에 대한 귀중하고 독점적 인 정보에 관한 것이므로 이러한 테스트의 결과는 공개되지 않거나 명시 적으로보고되지 않습니다. Al을 사용한 태양 전지의 첫 번째 결과2O3그러나 무대를 설정하고 PV 산업의 관심을 유발하는 데 결정적인 역할을했습니다. 최초의 태양 전지 결과는pALD Al이있는 유형 PERC 셀2O3단일 레이어 및 PECVD-SiO와 결합 된 스택으로 후면 패시베이션에 사용되었습니다.x(협업 ISFH – TU / e) [6]. 이 첫 번째 보고서에서 가장 좋은 효율은 20.6 %였으며 이후 유사한 태양 전지에 대한 연구에서 21.5 %의 효율을 얻었습니다 [13]. 또 다른 중요한 초기 성과는 23.2 %의 효율성이었습니다.nALD Al이있는 유형의 PERL 셀2O3PECVD a-SiN과 결합x: H는 전면 패시베이션에 사용되었습니다 (협업 Fraunhofer ISE – TU / e) [7]. 이후 단계에서 이러한 종류의 태양 전지에 대해 23.5 %의 효율이 달성되었습니다 [23]. 다른 태양 전지 결과는 ITRI [24], ECN [25] 및 University of Konstanz [26]에 의해보고되었습니다.
n 형 Si베이스와 Al의 전면 패시베이션 층이있는 PERL 태양 전지2O3(30 nm) a-SiN과 함께x: H (40nm) 반사 방지 코팅[7].
참고 2018 :분명히, Al의 산업적 돌파구는2O3PERC 기술에있었습니다.
6) – 필름 및 가공 조건에 대한 요구 사항은 무엇입니까?
Al을 구현하기 위해서는 많은 기술적 질문이 해결되어야합니다.2O3태양 전지에서. 이러한 질문에 대한 답은 분명히 구상 된 태양 전지 유형 및 구성에 따라 다르지만 지난 몇 년 동안 수행 된 연구에서 몇 가지 일반적인 통찰력을 얻었습니다. ALD 증착 필름의 경우 최소 두께는 플라즈마 지원 및 열 ALD의 경우 각각 5nm 및 10nm입니다 [27]. 차이는 열 ALD에 의한 전계 효과 패시베이션의 중요성이 낮기 때문에 발생할 것으로 예상됩니다. 최적의 증착 온도는 150-250 범위입니다.oC [8]. 부동 태화 수준이 증착 온도에 매우 민감하지는 않지만 최적은 화학적 부동 태화 [9]에 의해 결정됩니다. 낮은 온도에서 Al2O3필름 밀도는 충분히 높지 않지만 고온에서는 Al2O3수소 함량이 너무 낮습니다. 두 경우 모두 Al2O3주변으로 수소가 너무 많이 확산되거나 시작하기에는 너무 작은 수소 저장소로 인해 인터페이스에서 Si 매달려있는 결합을 부동 태화하기에 충분한 수소를 제공 할 수 없습니다 (어닐링 중). Al의 어닐링 고려2O3– 표면 패시베이션을 최대한 활성화하는 데 필수적인 단계 – 최적 온도는 약 400입니다.oC [27]. 이 온도에서 충분한 수소가 필름에서 방출됩니다. 막의 수소가 계면 상태 밀도를 감소 시킨다는 사실은 N2가스가 잘 작동하며 성형 가스 어닐링이 필요하지 않습니다. 어닐링 단계의 기간은 1 분 정도로 짧을 수 있습니다. 우수한 수준의 표면 패시베이션을 제공합니다. 알2O3또한 스크린 인쇄 금속 화가있는 산업용 태양 전지에 사용되는 것처럼 소성 단계에서 충분히 안정적입니다. 그러나 부동 태화 수준은이 고온 단계 (일반적으로 800 – 900oC) [28,29] 그러나 남은 부동 태화 수준은 그러한 산업 형 태양 전지에 훨씬 충분합니다. 알2O3또한 다음과 호환되는 것으로 밝혀졌습니다.a-죄x: H 스택 시스템에서 열 안정성이 향상되었다고보고되었습니다 [30]. 또한 Al 스택2O3저온 합성 SiO 사용2안정적으로 발사되는 것으로 밝혀졌다 [20].

표면 재결합 속도 Seff, 최대플라즈마 보조 및 열 ALD Al 용2O3N의 다른 온도에서 어닐링 후 필름210 분 동안 p 형 및 n 형 Si에 대한 데이터가 제공됩니다. 200의 데이터oC는 증착 된 필름과 관련이 있습니다 (증착 온도는 200o모든 영화의 경우 C)[27].
참고 2018 :PERC에서 Al 스택2O3/ a-SiNx: H가 사용되며이 스택은 더 얇은 Al2O3영화. Al의 두께2O3PERC는 4-10nm입니다.
7) – Al 증착 방법은?2O3확장 가능?
PECVD [13,31] 및 스퍼터링 [14,32]의 증착 방법은 확실히 확장 가능하며 이미 c-Si 태양 전지 제조에 구현되어 있습니다. Roth 회사& Rau는 Al을 위해 마이크로파 PECVD 기술을 적용했습니다.2O3증착 및 우수한 패시베이션 결과가보고되었습니다 [13]. 이 기술의 경쟁 우위는 기존 PECVD 시스템을 매우 쉽게 수정할 수있어 새로운 기술 개발에 대한 대규모 투자 및 / 또는 대규모 자본 지출 감소를 방지 할 수 있다는 것입니다. 스퍼터링의 경우 지금까지보고 된 패시베이션 결과는 상업용 태양 전지 제조에 충분할 수 있지만 PECVD 및 ALD만큼 좋지는 않습니다.
기존 ALD는 고 처리량 산업용 태양 전지 생산에 적합하지 않습니다. 그러나 처리량은 단일 반응기 챔버에서 여러 (100+) 웨이퍼를 한 번에 코팅하는 일괄 처리를 통해 증가 할 수 있습니다. 이 경로는 Beneq [33,34] 및 ASM [35] 회사가 추구합니다. 또 다른 접근 방식은 두 네덜란드 회사가 수행합니다. Levitech [36-38]과 SolayTec [39-41]은 ALD 사이클이 시간 영역이 아닌 공간 영역에서 수행되는 공간 ALD 장비를 개발했습니다. 이를 통해 도구 당 시간당 3,000 개 이상의 웨이퍼를 처리 할 수 있습니다.

공간 ALD, PECVD 및 스퍼터링에 대한 c-Si 패시베이션 결과 비교[42]. ALD는 PECVD가 매우 가깝지만 일반적으로 최고의 패시베이션 성능을 제공합니다.[8,43].
참고 2018 :2011 년에는 Roth& Rau는 Meyer Burger에 인수되었으며 이것이 회사의 현재 이름입니다. 지난 몇 년 동안 Al 분야에서 많은 일이 일어났습니다.2O3증착 및 도구를 제공하는 회사. 후속 블로그를 참조하십시오.
8) – 대량 생산을위한 Spatial-ALD의 이점은 무엇입니까?
공간 ALD의 가장 중요한 두 가지 이점은 인라인 대기 ALD 처리를 허용하고주기가 시간 영역이 아니라 공간 영역에서 수행된다는 것입니다. 후자는 전구체 및 반응물 주입이 기체 상 종이 한정된 다른 구획 또는 구역에서 발생 함을 의미합니다. 이러한 구역은 그 사이의 퍼지 구역에 의해 생성 된 불활성 가스 장벽으로 분리됩니다. 기판이 서로 다른 영역에 번갈아 노출되도록하기 위해, 기판 표면은 서로 다른 영역을 통해 이동됩니다. 이러한 변환은 기판을 여러 반복 된 영역 (Levitech이 추구하는 접근 방식 [36-38])을 통해 이동함으로써 선형 적으로 이루어 지거나 기판을 앞뒤로 증착 헤드에 상대적으로 이동하여 주기적으로 수행 할 수 있습니다 (SolayTec이 접근하는 접근 방식). -41,44]). 인라인 공간 ALD의 다른 이점은 단면 증착이 쉽게 달성 될 수 있다는 사실, 움직이는 부품 (웨이퍼 제외)의 부재, 그리고 반응기 벽에서 증착이 일어나지 않는다는 사실입니다. 또한 전구체의 사용이 효율적입니다.

대기압에서 태양 전지 웨이퍼의 인라인 처리를위한 Levitech의 공간 ALD 시스템 "Levitrack"[36-38]. 웨이퍼는 트랙 입구에서 추진되고 주입 된 가스에 의해 생성 된 가스 베어링 위에“부동”합니다. Al (CH3)3전구체, N2퍼지, H2O 반응물 및 N2퍼지 등. 웨이퍼의 위치는 트랙 중간에서 자체 안정화되며 몇 센티미터의 인접한 웨이퍼 사이의 거리도 자체 조절됩니다. 현재 구성에서 시스템은 ~ 1nm Al을 생성합니다.2O31m 시스템 길이 당.
9) – Al의 웨이퍼 당 생산 비용은 어떻습니까?2O3패시베이션 레이어?
이 질문은 현재 대답하기 어렵습니다. Al의 일부 장비 제조업체2O3증착 시스템은 웨이퍼 당 몇 센트를보고합니다. 그러나, 예를 들어 후면 패시베이션 방식의 구현은 태양 전지 제조의 전체 공정 흐름에 큰 영향을 미치므로 소유 비용은 선택한 후면 패시베이션 방식의 세부 사항에 크게 좌우됩니다. 또한 Al의 통합2O3다른 재료 및 공정 단계와 관련하여 현재 PV 산업에서 해결하고있는 주요 과제입니다.
지금까지 한 가지 중요한 발견은 Al에 의한 태양 전지의 부동태 화가2O3Al (CH)의 반도체 등급 순도를 요구하지 않습니다.3)3전구 물질. 태양 등급 Al (CH3)3또한 우수합니다 [10]. 이것은 고려해야 할 중요한 비용 관련 측면 중 하나 일뿐입니다. 또 다른 흥미로운 관찰은 Al (CH)보다 다소 덜 발화성 전구체에 의해 매우 우수한 패시베이션 성능을 얻을 수 있다는 것입니다.3)3, 예를 들어 Al의 ALD2O3Al (CH3)2(OiPr) 및 O2플라즈마는 또한 매우 우수한 패시베이션 성능을 나타냈다 [10].

플라즈마 보조 및 열 ALD Al의 유효 수명2O3반도체 및 태양 등급 Al (CH3)3[10]. 해당 Seff, 최대값은 10의 주입 수준에 대해=1-2cm / s만큼 낮습니다.14-1015센티미터-3. 이 그림에서 우수한 수준의 표면 패시베이션에 도달하기 위해 매우 값 비싼 전구체를 사용할 필요가 없다는 결론을 내릴 수 있습니다.
참고 2018 :분명히 Al의 사용2O3패시베이션을위한 나노 층이 효과가 있습니다. 사용 Al (CH3)3전구체는 매우 중요한 비용 요소이므로 최적화되고 효율적인 전구체 사용이 핵심입니다.
10) – Al 사용에 대한 전반적인 전망은 무엇입니까?2O3PV에서?
질문은 아마도 Al2O3상업용 태양 전지에 사용되지만 Al2O3적용될 것이다. 문제는 또한 Al이 어떤 유형의 태양 전지에2O3적용될 것이다. 그것은 하이 엔드, 고효율, 단결정 Si 태양 전지에만있는 것이 아닙니다. Al2O3박막은 또한 더 주류 태양 전지 생산에 흥미로울 수 있습니다. 따라서 전체적인 전망이 매우 밝다는 결론을 내릴 수 있습니다.
참고 2018 :Al2O3나노 층은 2014 년경 시장에 등장한 PERC 기술을 가능하게 해왔습니다. 올해 글로벌 셀 공장의 생산량은 거의 50 %에이를 수 있습니다.
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