[논문]CIGS 태양전지 버퍼층으로의 활용을 위한 인듐설파이드의 전기화학적 합성

김현진; 김규원

doi:10.5229/jkes.2011.14.4.225

[국내논문] CIGS 태양전지 버퍼층으로의 활용을 위한 인듐설파이드의 전기화학적 합성
Electrochemical Preparation of Indidum Sulfide Thin Film as a Buffer Layer of CIGS Solar Cell 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.14 no.4, 2011년, pp.225 - 230

초록
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Copper indium gallium selenide (CIGS) 기반 박막 태양전지는 저렴한 제작 단가 및 다른 박막 태양전지에 비해 높은 효율을 보여 실리콘 기반 태양전지의 차세대 태양전지로 각광을 받고 있다. 구성 요소 중 buffer 층은 window 층과 absorber 층 사이의 높은 밴드 갭(band gap)을 해소 해주는 역할을 한다. 기존의 cadmium sulfide(CdS)의 인체 유해성 때문에 이를 대신할 indium sulfide(In2S3)를 이용한 buffer 층의 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기화학적인 방법을 통해 값싸고 간편하게 indium sulfide buffer 층을 전극 표면에 합성하는 연구를 진행하였다. Indium-Tin-Oxide(ITO) 전극표면을 sodium thiosulfate 및 indium sulfate의 혼합물 용액에 담그고 환원 전위를 인가하여 indium sulfide를 합성하였다. 크기가 다른 두 전압을 교대로 인가하여 확산 한계(diffusion limit)를 최소화 함으로써 표면에 균일한 조성을 가지는 buffer 층을 합성해 낼 수 있었다. 또한 합성 중 온도의 조절을 통해 buffer 층의 밴드 갭을 최적화 할 수 있었다. 이렇게 전기화학적으로 합성된 buffer 층은 X-선 광전자 분광법과 회절법의 분석을 통해 ${\beta}$-indium sulfide 결정구조를 가짐을 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

CIGS solar cells are kind of thin film solar cells, which are studied several years. CdS buffer layer that makes heterojunction between window layer and absorbing layer was one of issue in the CIGS solar cell study. New types of buffer layer consisted of indium sulfide are being studied these days owing to high price and environmental harmful of CdS. In this study, we demonstrated electrochemical synthesis of indium sulfide film as a buffer layer, which is cheaper and faster than other methods. A uniform indium sulfide film was obtained by applying two different alternating potentials. The band gap of the film was optimized by controlling temperature during the electrochemical synthesis. Using x-ray photoelectron spectroscopy and diffraction method we confirmed that ${\beta}$-indium sulfide was formed on ITO electrode surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁴⁾ indium sulfide buffer 층의 합성에는 대부분 진공증착법(evaporation)을 사용하는데 이는 값비싼 장비가 들뿐더러 시간이 오래 걸리는 문제점을 안고 있기 때문에 최근 전기화학적인 방법을 이용하여 저렴하고 빠르게 indium sulfide buffer 층을 합성하는 연구가 진행 되고 있다.⁵⁾따라서 본 연구에서는 전기화학적인 방법을 이용한 indium sulfide의 합성을 ITO 투명전극 위에서 시도하여, 전기화학 인가 조건 및 전기화학 반응온도 등의 합성조건의 변화를 통해 합성되는 indium sulfide의 밴드 갭을 조절하는 연구를 진행 하였다. 본 저자가 아는 한 전기화학 반응의 온도 조절을 이용한 buffer층의 밴드 갭의 최적화 연구는 지금까지 이루진 바가 없다.
또한 InS_xO_y(OH)_z의 조성 비율을 조절 하기 위해 점차로 증가하는 과전위를 조절할 필요가 있다.⁹⁾이에 본 연구에서는, 전기화학 합성 중의 온도를 조절하며 전기화학 반응 중의 전자 전달 과전위 및 확산 속도를 조절하고 이에 따라 hydroxyl 작용기 및 산화물의 양을 최적화하는 것이 가능할 것이라 예상하고, 합성 온도에 따른 밴드 갭 변화에 대한 실험을 진행 하였다. 합성 중 온도 변화를 통해 밴드 갭을 관찰한 결과 Fig.
다음으로, 합성된 박막의 조성과 구조에 대한 분석을 통해서 합성된 물질이 indium sulfide임을 확인하고자 했다. 먼저, X-선 광전자 분광법을 이용하여 합성온도에 따라 합성된 InS_xO_y(OH)_z 물질의 조성 변화를 관찰 하였다.
확산한계는 전극 주변 반응물들의 농도를 낮추고 이러한 현상은 주 과정의 반응 효율을 떨어뜨리게 되어, 결과적으로 부 생성물들의 양을 증가시키는 요인으로 작용한다. 이러한 점을 개선 하기 위해 환원 전위와 산화 전위를 일정 시간 동안 번갈아 가하여 반응물의 확산 한계를 극복하고자 하였다. 환원 전위를 가해줄 때에 indium sulfide 외에도 indium과 indium oxide와 같은 부 생성물 또한 생성된다.
또한 황에 대해 162와 164 eV 의 봉우리가 관찰 된 것으로부터 indium sulfide의 존재 또한 확신 할 수 있었다. 합성된 물질이 buffer층에 쓰이기에 적합한 결정 구조(lattice structure)를 가지고 있는지 조사하였다. 이를 위해, X-선 회절 분석법(X-ray diffraction)을 이용하였다.

가설 설정

7 eV에 비해 높은 값을 가지는 것을 볼 수 있다.⁷⁾ 이렇듯 높은 밴드 갭을 가지는 이유는 아래와 같이 indium sulfide가 합성되는 반응 메커니즘을 통하여 추측 가능하다. Indium sulfide 층이 형성되는 주 과정은 반응(1)과 반응(2)가 순차적으로 일어 나는 것으로 설명 할 수 있는데, 이때 부 반응 (3)과 (4) 또한 발생한다.

제안 방법

1 × 1 cm2 크기의 ITO 투명전극과 백금 상대전극을 피라냐 용액(piranha solution, H2SO4 : H2O2= 3 : 1)에 세척을 한 후 10 mM, indium sulfate(In2(SO4)3)와 100 mM, sodium thiosulfate(Na2S2O3)의 혼합 수용액을 pH 2.4로 준비한 뒤, 작업전극과 상대 전극, 그리고 기준전극을 담가 전기화학 환원 반응을 통해 indium sulfide 박막을 ITO 투명전극 위에 합성하였다.
4로 준비한 뒤, 작업전극과 상대 전극, 그리고 기준전극을 담가 전기화학 환원 반응을 통해 indium sulfide 박막을 ITO 투명전극 위에 합성하였다.⁶⁾ 순환전압전류법을 이용하여 indium sulfide가 합성되는 환원 전위를 확인하고, 알아낸 환원 전위를 두 가지 다른 방법으로 전극에 인가하는 방식으로 indium sulfide 박막을 제조하였다. 첫 번째로는 −1.
1 V의 전위를 2분 동안 가하는 방식으로 ITO 전극상에 indium sulfide buffer층을 합성하였다. Buffer층으로서 사용 가능 여부를 판별하는데 가장 중요한 요소 중 하나인 밴드 갭의 확인을 통해서 합성된 indium sulfide의 특성을 관찰하였다. Fig.
결정구조는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku D/max-RB, Japan)을 통해 얻었고, Cu karadiation source (λ = 0.1542 nm)가 장착되어 있는 Rigku 회절 분석기를 사용 하였다.
다음으로, 합성된 박막의 조성과 구조에 대한 분석을 통해서 합성된 물질이 indium sulfide임을 확인하고자 했다. 먼저, X-선 광전자 분광법을 이용하여 합성온도에 따라 합성된 InS_xO_y(OH)_z 물질의 조성 변화를 관찰 하였다. Fig.
본 연구를 통하여 ITO 전극 위에 전기화학적인 방법으로 indium sulfide의 buffer 층을 합성 하였다. 전기 화학 합성 중 반응 온도에 따라 oxide 및 hydroxyl 작용기가 도입되는 양을 조절 할 수 있었고 이로부터 밴드 갭을 최적화 할 수 있었다.
⁸⁾ 또한 여기서 ITO에 대한 어떠한 신호도 관찰되지 않은 것은 표면 위에 두껍게 형성된 In₂O₃에 의해 X선 회절이 방해를 받은 영향으로 보인다. 이 박막을 결정형으로 바꾸기 위해 열처리(thermal annealing)를 수행하였다.¹¹⁾다양한 열처리 온도와 시간을 적용하여 조사한 결과 Fig.
전기 화학 합성 중 반응 온도에 따라 oxide 및 hydroxyl 작용기가 도입되는 양을 조절 할 수 있었고 이로부터 밴드 갭을 최적화 할 수 있었다. 전기 화학적으로 합성된 indium sulfide는 무결정(amorphous) 내지는 초미세결정(nanocrystalline)에 해당됨을 관찰하였다. 이 후에 열처리(thermal annealing) 조건에 따라 β-indium sulfide의 결정 구조를 형성 시킬 수 있었다.
전기화학적인 방법을 이용하여 indium sulfide를 합성하고자 3 전극 시스템을 이용하였다. 기준전극으로는 Ag/AgCl, 상대전극으로는 백금 그리고 작업전극으로 ITO가 코팅된 유리를 사용하였다.
첫 번째로는 −1.1 V의 일정 전위를 2분 동안 가하였고, 두 번째는 −1.1 V 및 −0.4 V을 1초씩 번갈아 인가하는 방식으로 2분 동안 전위를 가하여 indium sulfide 박막을 형성 시켰다.

대상 데이터

전기화학적인 방법을 이용하여 indium sulfide를 합성하고자 3 전극 시스템을 이용하였다. 기준전극으로는 Ag/AgCl, 상대전극으로는 백금 그리고 작업전극으로 ITO가 코팅된 유리를 사용하였다. 1 × 1 cm² 크기의 ITO 투명전극과 백금 상대전극을 피라냐 용액(piranha solution, H₂SO₄ : H₂O₂= 3 : 1)에 세척을 한 후 10 mM, indium sulfate(In₂(SO₄)₃)와 100 mM, sodium thiosulfate(Na₂S₂O₃)의 혼합 수용액을 pH 2.

이론/모형

합성된 물질이 buffer층에 쓰이기에 적합한 결정 구조(lattice structure)를 가지고 있는지 조사하였다. 이를 위해, X-선 회절 분석법(X-ray diffraction)을 이용하였다. Indium sulfide는 α, β, γ의 다양한 결정구조를 가질 수 있고 각각은 다른 전기적, 광학적 성질을 가지고 있다.
전기화학 반응의 온도를 변화시키기 위해 외부 항온 수조를 연결한 물 jacket을 전기화학 반응의 용기로 사용하였다. 전기화학반응 후 전극상에 형성된 박막은 흡광도(Lamda 40, Perkin Elmer, U.S.A.) 측정을 통해 밴드 갭을 구하였고, 원자 비율은 X-선 광전자 분광법(SIGMA PROBE, ThermoVG, U.K)을 이용하여 얻어 낼 수 있었다. 결정구조는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku D/max-RB, Japan)을 통해 얻었고, Cu karadiation source (λ = 0.

성능/효과

그 중, CIGS 기반의 박막 태양전지의 경우, 두께 1~2 µm 의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있기 때문에 현재 사용되고 있는 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.¹⁾ CIGS 박막 태양전지는 pn 접합구조와, 이의 양면에 각각 음극전극으로 사용되는 absorber층, 양극 전극으로 사용되는 window층, 그리고 absorber층과 window층 간의 전기적 완충역할을 하는 buffer층으로 구성되어 있다.²⁾ absorber층(1.
¹⁾ CIGS 박막 태양전지는 pn 접합구조와, 이의 양면에 각각 음극전극으로 사용되는 absorber층, 양극 전극으로 사용되는 window층, 그리고 absorber층과 window층 간의 전기적 완충역할을 하는 buffer층으로 구성되어 있다.²⁾ absorber층(1.2 eV)와 window층 (3.3 eV) 사이의 에너지 차이는 매우 크기 때문에 두 층간에 완충으로써 buffer층이 존재하지 않는다면 pn 이종접합(heterojunction)을 만드는 것은 불가능하다. 이러한 이유로 좀더 좋은 특성을 가지는 buffer층의 개발은 태양전지 연구의 한 분야로써 수년간 많은 성과들이 보고 되었다.
본 연구를 통하여 ITO 전극 위에 전기화학적인 방법으로 indium sulfide의 buffer 층을 합성 하였다. 전기 화학 합성 중 반응 온도에 따라 oxide 및 hydroxyl 작용기가 도입되는 양을 조절 할 수 있었고 이로부터 밴드 갭을 최적화 할 수 있었다. 전기 화학적으로 합성된 indium sulfide는 무결정(amorphous) 내지는 초미세결정(nanocrystalline)에 해당됨을 관찰하였다.

후속연구

간단하게 전기화학 반응 조건을 바꾸어 줌으로써 목적에 맞는 indium sulfide buffer 층을 빠르고 값싸게 만들 수 있다는 것은 매우 큰 장점이라 할 수 있다. 본 연구 결과를 토대로 ITO 전극 위에서뿐만 아니라 더 나아가 CIGS absorber 층 위에서 전기화학적인 방법에 의한 indium sulfide buffer 층의 합성 연구를 진행 함으로써, 고효율의 박막 태양전지 개발에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.
환원 전위를 가해줄 때에 indium sulfide 외에도 indium과 indium oxide와 같은 부 생성물 또한 생성된다. 이러한 부 생성물에 의해 박막이 고르게 형성되지 못하는데, 산화 전위에 의해 부 생성물들이 산화됨으로써 고른 표면의 indium sulfide의 합성 또한 가능 할 것으로 기대되었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 기반 태양전지의 단점은?	1) 태양전지의 대표적인 예로써 실리콘 기반 태양전지의 경우 다른 종류의 태양전지에 비해 높은 효율을 가지기 때문에 현재까지 대부분의 태양광 발전 시설에 이용되어 왔다. 하지만 최근 급등한 실리콘의 가격과, 공정 자체의 복잡성 때문에 문제가 제기되고 있다. 이 같은 문제점을 해결하기 위해 기판의 두께를 줄이는 기술, 또는 값싼 기판 위에 박막형태의 태양전지를 만들어 내는 기술이 주목을 받고 있다.
	실리콘 기반 태양전지의 장점은?	태양 전지 연구는 수십 년 전부터 최근까지 계속 되어왔으며 다양한 형태로 개발 되어 왔다.1) 태양전지의 대표적인 예로써 실리콘 기반 태양전지의 경우 다른 종류의 태양전지에 비해 높은 효율을 가지기 때문에 현재까지 대부분의 태양광 발전 시설에 이용되어 왔다. 하지만 최근 급등한 실리콘의 가격과, 공정 자체의 복잡성 때문에 문제가 제기되고 있다.
	CIGS 박막 태양전지는 무엇으로 구성되어 있는가?	그 중, CIGS 기반의 박막 태양전지의 경우, 두께 1~2 µm 의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있기 때문에 현재 사용되고 있는 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.1) CIGS 박막 태양전지는 pn 접합구조와, 이의 양면에 각각 음극전극으로 사용되는 absorber층, 양극 전극으로 사용되는 window층, 그리고 absorber층과 window층 간의 전기적 완충역할을 하는 buffer층으로 구성되어 있다.2) absorber층(1.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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