높은 광흡수 계수를$(1{\times}10^5cm^{-1})$ 가지는 CIGS는 Ga의 비율에 따라서 밴드갭을 조절할 수 있다는 장점을 지니고 있다. CIGS의 밴드갭은 Ga의 비율에 따라 $CuInSe_2$(Eg: 1.0 eV)에서 $CuGaSe_2$(Eg: 1.68 eV)까지의 범위에 존재하며, 태양전지에 서 이상적인 fill factor 모양을 가지도록 Ga의 비율을 높게 조성한다. CIGS 흡수층을 제작하는 방법에는 co-evaporator 방식이 가장 널리 사용되며 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 수평 형태의 hydride vapor transport (HVT)법을 고안하여 CIGS 나노 구조 및 에피성장을 시도하였다. HVT법은 $N_2$ 분위기에서 원료부의 CIGS 혼합물을 HCl과 반응시켜 염화물 기체상태로 변환 후 growth zone까지 이동하여 성장을 하는 방식이다. 성장기판은 c-$Al_2O_3$ 기판과 u-GaN을 사용하였다. 성장 후 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM)과 energy dispersive spectrometer(EDS)를 이용하여 관찰하였다.
높은 광흡수 계수를$(1{\times}10^5cm^{-1})$ 가지는 CIGS는 Ga의 비율에 따라서 밴드갭을 조절할 수 있다는 장점을 지니고 있다. CIGS의 밴드갭은 Ga의 비율에 따라 $CuInSe_2$(Eg: 1.0 eV)에서 $CuGaSe_2$(Eg: 1.68 eV)까지의 범위에 존재하며, 태양전지에 서 이상적인 fill factor 모양을 가지도록 Ga의 비율을 높게 조성한다. CIGS 흡수층을 제작하는 방법에는 co-evaporator 방식이 가장 널리 사용되며 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 수평 형태의 hydride vapor transport (HVT)법을 고안하여 CIGS 나노 구조 및 에피성장을 시도하였다. HVT법은 $N_2$ 분위기에서 원료부의 CIGS 혼합물을 HCl과 반응시켜 염화물 기체상태로 변환 후 growth zone까지 이동하여 성장을 하는 방식이다. 성장기판은 c-$Al_2O_3$ 기판과 u-GaN을 사용하였다. 성장 후 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM)과 energy dispersive spectrometer(EDS)를 이용하여 관찰하였다.
The Cu$(In_{1-x}Ga_x)Se_2$ is the absorber material for thin film solar cell with high absorption coefficient of $1{\times}10^5cm^{-1}$. In the case of CIGS, the movable energy band gap from $CuInSe_2$ (1.00 eV) to $CuGaSe_2$ (1.68 eV) can be acquired whil...
The Cu$(In_{1-x}Ga_x)Se_2$ is the absorber material for thin film solar cell with high absorption coefficient of $1{\times}10^5cm^{-1}$. In the case of CIGS, the movable energy band gap from $CuInSe_2$ (1.00 eV) to $CuGaSe_2$ (1.68 eV) can be acquired while controlling Ga contain ratio. Generally, the co-evaporator method have used for development and fabrication of the CIGS absorption layer. However, this method should need many steps and lengthy deposition time with high temperature. For these reasons, in this paper, a new growth method of CIGS layer was attempted to hydride vapor transport (HVT) method. The CIGS mixed-source material reacted for HCl gas in the source zone was deposited on the substrate after transporting to growth zone. c-plane $Al_2O_3$ and undoped GaN were used as substrates for growth. The characteristics of grown samples were measured from SEM and EDS.
The Cu$(In_{1-x}Ga_x)Se_2$ is the absorber material for thin film solar cell with high absorption coefficient of $1{\times}10^5cm^{-1}$. In the case of CIGS, the movable energy band gap from $CuInSe_2$ (1.00 eV) to $CuGaSe_2$ (1.68 eV) can be acquired while controlling Ga contain ratio. Generally, the co-evaporator method have used for development and fabrication of the CIGS absorption layer. However, this method should need many steps and lengthy deposition time with high temperature. For these reasons, in this paper, a new growth method of CIGS layer was attempted to hydride vapor transport (HVT) method. The CIGS mixed-source material reacted for HCl gas in the source zone was deposited on the substrate after transporting to growth zone. c-plane $Al_2O_3$ and undoped GaN were used as substrates for growth. The characteristics of grown samples were measured from SEM and EDS.
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문제 정의
4 %에 달하는 sub-module 연구효율과 독일의 Wurth Solar社에 의해 7,200 cm2의 대면적에서 최고 13 %까지 확보한 상태로 고효율 태양전지로써 장점들이 확인되고 있으며 [3, 4], 이러한 상황에서 다결정의 CIGS 박막이 아닌 단결정의 CIGS가 연구 개발된다면, 고효율 태양전지의 실현을 기대할 수 있다고 판단한다. 이에 본 논문에서는 새로운 hydride vapor transport(HVT)법을 고안하여 기존의 증착 후 소결에 의존한 CIGS 결정질 형성이 아닌 기상법에 의한 성장방식으로 새로운 형태의 CIGS 성장법을 제시하고자 한다.
제안 방법
본 논문에서는 Cu, In, Ga, Se 네 가지 구성 재료를 HCl : DI water를 부피비 1:1로 혼합한 용액에 원료 세척을 실시 하였으며, 각 질량비 3:3:1:4로 하나의 흑연보트에 담아 RF furnace를 이용하여 1090℃의 고온에서 약 1시간 30분 동안 합성하였다. 그 후 원료조성의 균일도를 향상시키기 위하여 막자사발로 분말형태의 CIGS 출발원료를 제작하였다. 원료 제작 후 일부분을 분리해서 FE-SEM과 EDS를 측정하여 결정상태와 대략적인 조성비를 확인하였다.
기존에 co-evaporation과 같은 PVD 기법과 차별화된 HVT법으로 c-sapphire 기판과 u-GaN기판 등 2종류의 기판에 결정성장을 시도하였다. 두 기판 모두 CIGS 결정성장이 이루어졌으며, 두 기판의 격자상수에 따른 결정성장 형태를 비교 분석한 결과, u-GaN 기판에서 c-Sapphire 기판보다 CIGS 결정성장에 보다 유리함을 확인 할 수 있었다.
본 논문에서는 Cu, In, Ga, Se 네 가지 구성 재료를 HCl : DI water를 부피비 1:1로 혼합한 용액에 원료 세척을 실시 하였으며, 각 질량비 3:3:1:4로 하나의 흑연보트에 담아 RF furnace를 이용하여 1090℃의 고온에서 약 1시간 30분 동안 합성하였다. 그 후 원료조성의 균일도를 향상시키기 위하여 막자사발로 분말형태의 CIGS 출발원료를 제작하였다.
성장시의 유량은 HCl 40 cm3/min과 N2 캐리어 가스 200 cm3/min를 함께 흘려 주었고, 성장은 성장존 온도 안정화 후 HCl 안정화 후 HCl을 흘려주며 4시간 동안 성장 하였다. 성장된 기판은 그 후 FE-SEM과 EDX를 통해 성장결과를 관찰하였다.
원료부의 온도는 Se의 기화점에 가까운 650℃로 설정하였으며, 성장부는 750℃로 설정하였다. 성장시의 유량은 HCl 40 cm3/min과 N2 캐리어 가스 200 cm3/min를 함께 흘려 주었고, 성장은 성장존 온도 안정화 후 HCl 안정화 후 HCl을 흘려주며 4시간 동안 성장 하였다. 성장된 기판은 그 후 FE-SEM과 EDX를 통해 성장결과를 관찰하였다.
그 후 원료조성의 균일도를 향상시키기 위하여 막자사발로 분말형태의 CIGS 출발원료를 제작하였다. 원료 제작 후 일부분을 분리해서 FE-SEM과 EDS를 측정하여 결정상태와 대략적인 조성비를 확인하였다. 기판은 동일한 육방정계 표면을 갖는 c-sapphire 기판과 u-GaN/c-sapphire 기판을 HF용액을 이용한 화학적 식각 과정으로 세척하여 준비하였다.
두 기판 모두 CIGS 결정성장이 이루어졌으며, 두 기판의 격자상수에 따른 결정성장 형태를 비교 분석한 결과, u-GaN 기판에서 c-Sapphire 기판보다 CIGS 결정성장에 보다 유리함을 확인 할 수 있었다. 이 후 보다 확실한 결정성장 상태를 확인하기 위해 u-GaN 기판 위에서 성장시간을 8시간 이상 성장하였다. 그 결과 SEM 측정을 통하여 표면에서의 2차원 성장을 확인하였다.
대상 데이터
원료 제작 후 일부분을 분리해서 FE-SEM과 EDS를 측정하여 결정상태와 대략적인 조성비를 확인하였다. 기판은 동일한 육방정계 표면을 갖는 c-sapphire 기판과 u-GaN/c-sapphire 기판을 HF용액을 이용한 화학적 식각 과정으로 세척하여 준비하였다. CIGS 성장을 위해 새롭게 시도한 HVT법은 N2 분위기에서 원료부의 CIGS 혼합물을 HCl과 반응시켜 염화물 기체상태로 변환 후 성장부까지 이동하여 성장을 하는 방식이다.
성능/효과
3(b)의 결정 모양이 Fig. 3(c)의 결정모양보다 한쪽을 긴 육각형태의 모습을 보임으로써 예상과 일치함을 확인하였다. 결과적으로 CIGS 결정성장에 있어 u-GaN 기판이 결정성장에 더 유리함이 확인되었다.
3(c)의 결정모양보다 한쪽을 긴 육각형태의 모습을 보임으로써 예상과 일치함을 확인하였다. 결과적으로 CIGS 결정성장에 있어 u-GaN 기판이 결정성장에 더 유리함이 확인되었다.
이 후 보다 확실한 결정성장 상태를 확인하기 위해 u-GaN 기판 위에서 성장시간을 8시간 이상 성장하였다. 그 결과 SEM 측정을 통하여 표면에서의 2차원 성장을 확인하였다. 이로써 우리의 새로운 HVT법을 이용하여 고효율의 박막태양전지의 흡수층으로 사용 가능한 고품질 단결정 CIGS 박막의 성장의 가능성이 기대된다.
Table 1에 d(111) 및 d(112)를 면과 점의 거리 공식을 이용하여 계산하였다. 그 결과, (112)면간 거리의 차이가 u-GaN기판 쪽이 더 작은 것으로 확인되었다. Fig.
기존에 co-evaporation과 같은 PVD 기법과 차별화된 HVT법으로 c-sapphire 기판과 u-GaN기판 등 2종류의 기판에 결정성장을 시도하였다. 두 기판 모두 CIGS 결정성장이 이루어졌으며, 두 기판의 격자상수에 따른 결정성장 형태를 비교 분석한 결과, u-GaN 기판에서 c-Sapphire 기판보다 CIGS 결정성장에 보다 유리함을 확인 할 수 있었다. 이 후 보다 확실한 결정성장 상태를 확인하기 위해 u-GaN 기판 위에서 성장시간을 8시간 이상 성장하였다.
5와 같이 기존의 CuInSe2 계열의 결정들과 비슷한 형태로 chalcopyrite 구조의 (001)면으로부터 [221]방향 성장의 결과임을 예상할 수 있으며 SEM으로 관찰되는 hexagonal면은 (112)면으로 판단된다[5, 6]. 두 기판 모두 [221]방향의 성장한 것으로 관찰되었지만 성장된 hexagonal plate 형태가 다른 것을 확인하였다. Fig.
4는 Fig 3의 각 샘플의 EDS 결과로서 기판강도에 비에 상대적으로 미약하지만 Cu, In, Ga, Se이 모두 검출 되었다. 따라서 HVT법에 의한 CIGS의 성장이 가능 함을 확인하였다.
성분 조성에 따른 밴드갭의 조절을 통해 태양전지 효율에 가장 적합한 밴드갭인 1.4 eV의 흡수층을 제작하기 용이하며, 높은 광흡수 계수(1 × 105cm−1)를 통해 보다 얇은 두께의 박막을 사용함으로써 태양전지 소자의 직렬저항을 감소시켜 고효율 달성에 유리하다.
후속연구
3(a)의 경우처럼 많은 hexagonal plate CIGS가 성장 되나 초기 성장의 밀도가 상대적으로 낮은 곳에서는 성장 조성비의 불균일 때문에 완전한 형태의 hexagonal plate의 형태가 아닌 변형된 형태로 성장 되었다고 판단된다. 따라서 HVT 법에서 가스의 laminar flow의 형성을 좀더 넓은 범위에서 균일하게 해 줄 필요가 있을 것으로 판단된다. Fig.
그 결과 SEM 측정을 통하여 표면에서의 2차원 성장을 확인하였다. 이로써 우리의 새로운 HVT법을 이용하여 고효율의 박막태양전지의 흡수층으로 사용 가능한 고품질 단결정 CIGS 박막의 성장의 가능성이 기대된다.
이 방식은 진공 챔버 내에 증발된 원료들이 기체상태에서 무작위로 혼합되어 증착되는 방식이기 때문에 일정한 물질 조성비의 CIGS 박막을 조절하기 어렵다는 문제점이 있으며, CIGS 결정질 형성에 있어서 비정질 박막의 소결공정에만 의존해야 한다는 단점이 존재한다. 하지만 이러한 단점에도 불구하고 현재 최고 19.9 %의 연구효율을 기록하고 있고, 16.4 %에 달하는 sub-module 연구효율과 독일의 Wurth Solar社에 의해 7,200 cm2의 대면적에서 최고 13 %까지 확보한 상태로 고효율 태양전지로써 장점들이 확인되고 있으며 [3, 4], 이러한 상황에서 다결정의 CIGS 박막이 아닌 단결정의 CIGS가 연구 개발된다면, 고효율 태양전지의 실현을 기대할 수 있다고 판단한다. 이에 본 논문에서는 새로운 hydride vapor transport(HVT)법을 고안하여 기존의 증착 후 소결에 의존한 CIGS 결정질 형성이 아닌 기상법에 의한 성장방식으로 새로운 형태의 CIGS 성장법을 제시하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물리적 기상 증착 방법의 단점은?
현재 상용화 되어있는 CIGS 박막태양전지의 경우 co-evaporation 방법 등의 물리적 기상 증착(physical vapor deposition: PVD) 방식을 주로 사용하여 제작한다[1, 2]. 이 방식은 진공 챔버 내에 증발된 원료들이 기체상태에서 무작위로 혼합되어 증착되는 방식이기 때문에 일정한 물질 조성비의 CIGS 박막을 조절하기 어렵다는 문제점이 있으며, CIGS 결정질 형성에 있어서 비정질 박막의 소결공정에만 의존해야 한다는 단점이 존재한다. 하지만 이러한 단점에도 불구하고 현재 최고 19.
물리적 기상 증착 방법이란?
현재 상용화 되어있는 CIGS 박막태양전지의 경우 co-evaporation 방법 등의 물리적 기상 증착(physical vapor deposition: PVD) 방식을 주로 사용하여 제작한다[1, 2]. 이 방식은 진공 챔버 내에 증발된 원료들이 기체상태에서 무작위로 혼합되어 증착되는 방식이기 때문에 일정한 물질 조성비의 CIGS 박막을 조절하기 어렵다는 문제점이 있으며, CIGS 결정질 형성에 있어서 비정질 박막의 소결공정에만 의존해야 한다는 단점이 존재한다. 하지만 이러한 단점에도 불구하고 현재 최고 19.
현재 상용화된 CIGS 박막태양전지는 어떤 방식을 이용하여 제작하는가?
또한 최근 신 재생에너지 산업이 각광을 받으며 성장함에 따라 태양전지 시장에서 주목받고 있는 물질이다. 현재 상용화 되어있는 CIGS 박막태양전지의 경우 co-evaporation 방법 등의 물리적 기상 증착(physical vapor deposition: PVD) 방식을 주로 사용하여 제작한다[1, 2]. 이 방식은 진공 챔버 내에 증발된 원료들이 기체상태에서 무작위로 혼합되어 증착되는 방식이기 때문에 일정한 물질 조성비의 CIGS 박막을 조절하기 어렵다는 문제점이 있으며, CIGS 결정질 형성에 있어서 비정질 박막의 소결공정에만 의존해야 한다는 단점이 존재한다.
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