[논문]고온 및 고온고습 환경 내에서 ZnO:Al 투명전극의 열화가 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하에 미치는 영향

김도완; 이동원; 이희수; 김승태; 박지홍; 김용남

doi:10.4191/kcers.2011.48.4.328

[국내논문] 고온 및 고온고습 환경 내에서 ZnO:Al 투명전극의 열화가 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하에 미치는 영향
Effect of Degraded Al-doped ZnO Thin Films on Performance Deterioration of CIGS Solar Cell 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.48 no.4, 2011년, pp.328 - 333

김도완 (부산대학교 재료공학부) , 이동원 (한국산업기술시험원 재료평가센터) , 이희수 (부산대학교 재료공학부) , 김승태 (LG이노텍(주) Solar Cell Lab) , 박지홍 (LG이노텍(주) Solar Cell Lab) , 김용남 (한국산업기술시험원 재료평가센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of Al-doped ZnO (AZO) thin films degraded under high temperature and damp heat on the performance deterioration of Cu(In,Ga)$Se_2$ (CIGS) solar cells was investigated. CIGS solar cells with AZO/CdS/CIGS/Mo structure were prepared on glass substrate and exposed to high temperature ($85^{\circ}C$) and damp heat ($85^{\circ}C$/85% RH) for 1000 h. As-prepared CIGS solar cells had 64.91% in fill factor (FF) and 12.04% in conversion efficiency. After exposed to high temperature, CIGS solar cell had 59.14% in FF and 9.78% in efficiency, while after exposed to damp heat, it had 54.00% in FF and 8.78% in efficiency. AZO thin films in the deteriorated CIGS solar cells showed increases in resistivity up to 3.1 times and 4.4 times compared to their initial resistivity after 1000 h of high temperature and damp heat exposure, respectively. These results can be explained by the decreases in carrier concentration and mobility due to diffusion or adsorption of oxygen and moisture in AZO thin films. It can be inferred that decreases in FF and conversion efficiency were caused by an increase in series resistance, which resulted from an increase in resistivity of AZO thin films degraded under high temperature and damp heat.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 CIGS 박막형 태양전지에 적용된 AZO 박막을 대상으로 하여 투명전극의 열화가 태양전지의 성능 저하에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 고온 및 고온고습 환경에 장시간 동안 노출된 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하 원인을 투명전극인 AZO 박막의 전기적 및 구조적 특성 변화와 연계하여 규명하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 CIGS 박막형 태양전지에 적용된 AZO 박막을 대상으로 하여 투명전극의 열화가 태양전지의 성능 저하에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 고온 및 고온고습 환경에 장시간 동안 노출된 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하 원인을 투명전극인 AZO 박막의 전기적 및 구조적 특성 변화와 연계하여 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 고온 및 고온고습 조건에 장시간 동안 노출된 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하를 AZO 투명전극의 전기적 및 구조적 특성 변화와 연계하여 고찰하였다. 고온 및 고온고습 분위기 내에서 산소, 수분 등이 AZO 박막에 확산 또는 흡착될 수 있기 때문에 캐리어의 농도 및 이동도가 감소함에 따라 AZO 투명전극의 비저항이 증가하였다.

가설 설정

3. Variation in (a) carrier concentration and (b) hall mobility of AZO thin films in CIGS solar cells as a function of degradation time.

제안 방법

AZO/CdS/CIGS/Mo/glass 구조의 CIGS 박막형 태양전지(LG이노텍)를 대상으로 하여 고온 및 고온고습 조건에서의 내구성 시험을 진행하였다. 고온시험 및 고온고습시험은 내구성 시험 챔버 (Challenge 250, ACS)를 사용하여 각각 85℃ 및 85℃/85% RH의 조건으로 1000시간 동안 진행하였고 50, 100, 150, 200, 400, 600, 800, 1000시간 경과된 후 시료를 채취하여 특성평가를 수행하였다.
CIGS 박막형 태양전지를 대상으로 하여 고온 및 고온 고습 환경에서의 내구성 시험 전과 후의 곡선율 및 변환효율 값을 측정하였고 이를 Table 1에 나타내었다. CIGS 박막형 태양전지의 초기 곡선율 및 변환효율 값은 각각 64.
CIGS 박막형 태양전지를 대상으로 하여 내구성 시험 전후의 곡선율 (Fill factor; FF) 값 및 변환효율 (Conversion efficiency; Eff) 값을 측정하였다. 태양전지 내 투명전극인 AZO 박막의 비저항, 캐리어 농도 및 이동도는 Hall effect measurement system (HMS-3000, Ecopia)을 이용하여 측정하였다.
CIGS 태양전지 및 AZO 박막의 미세구조는 FE-SEM (S-4700, Hitachi)을 이용하여 분석하였고, X-ray diffractometer(X’pert PRO, Panalytical)를 사용하여 AZO 박막의 결정구조 변화를 분석하였다.
고온 및 고온고습 환경에서 열화시간에 따른 AZO 박막의 비저항, 캐리어 농도 및 이동도 변화를 Hall effect measurement system을 이용하여 측정하였고, 이를 Fig. 2 및 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
AZO/CdS/CIGS/Mo/glass 구조의 CIGS 박막형 태양전지(LG이노텍)를 대상으로 하여 고온 및 고온고습 조건에서의 내구성 시험을 진행하였다. 고온시험 및 고온고습시험은 내구성 시험 챔버 (Challenge 250, ACS)를 사용하여 각각 85℃ 및 85℃/85% RH의 조건으로 1000시간 동안 진행하였고 50, 100, 150, 200, 400, 600, 800, 1000시간 경과된 후 시료를 채취하여 특성평가를 수행하였다.
이와 같이 고온 환경에 노출된 경우보다 고온 고습 환경에 노출된 경우에 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하가 더 크게 발생한 것은 고온고습 환경에 포함된 수분에 의해 열화가 더욱 심하게 발생하였기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 고온 및 고온고습 환경에서 CIGS 태양전지의 성능이 저하된 원인을 규명하기 위해 투명전극인 AZO 층에 대한 전기적 및 구조적 분석을 진행하였다.

이론/모형

CIGS 박막형 태양전지를 대상으로 하여 내구성 시험 전후의 곡선율 (Fill factor; FF) 값 및 변환효율 (Conversion efficiency; Eff) 값을 측정하였다. 태양전지 내 투명전극인 AZO 박막의 비저항, 캐리어 농도 및 이동도는 Hall effect measurement system (HMS-3000, Ecopia)을 이용하여 측정하였다. CIGS 태양전지 및 AZO 박막의 미세구조는 FE-SEM (S-4700, Hitachi)을 이용하여 분석하였고, X-ray diffractometer(X’pert PRO, Panalytical)를 사용하여 AZO 박막의 결정구조 변화를 분석하였다.

성능/효과

^3,4) Indium tin oxide (ITO)에 비해 가격이 저렴한 ZnO는 ITO 대체물질 중 하나로서 전기전도도 및 광투과율을 향상시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.⁵⁾ 특히, Al-doped ZnO (AZO) 박막은 전기전도성과 가시광선 영역에서의 광투과율이 높으며, ITO 박막과 비교하여 저온 성장이 가능하고 생산단가가 크게 낮다.⁶⁾ 이와 같은 장점들로 인해 AZO 박막은 태양전지의 투명전극으로 적용되고 있으며, 또한 CIGS 박막형 태양전지에 적용하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
04%였다. 85℃의 고온에 1000시간 동안 노출된 후 곡선율 및 변환효율 값은 각각 59.14% 및 9.78%로 감소한 반면에 85℃ 및 85%RH의 고온고습 조건에 1000시간 동안 노출된 후에는 각각 54.00% 및 8.78%로 더욱 크게 감소하였다. 이와 같이 고온 환경에 노출된 경우보다 고온 고습 환경에 노출된 경우에 CIGS 박막형 태양전지의 성능 저하가 더 크게 발생한 것은 고온고습 환경에 포함된 수분에 의해 열화가 더욱 심하게 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.
특히, 고온고습 환경에 노출된 AZO 박막의 경우에는 비저항이 더욱 크게 증가하였는데, 이것은 수분의 화학적 흡착에 의한 것으로 추정된다. CIGS 박막형 태양전지에서 투명전극의 비저항이 증가함에 따라 직렬저항의 증가를 유발하여 초기값 대비 Fill factor 및 전환효율이 감소하였다. 또한, CIGS 박막형 태양전지가 고온 및 고온고습 환경에 노출되면 AZO투명전극의 미세구조 및 결정구조 변화를 유발하여 비저항 증가에 영향을 주었으며 특히, 고온고습 환경은 수분에 의하여 AZO 투명전극 및 CIGS 박막형 태양전지의 열화를 가속화 시켰다.
CIGS 박막형 태양전지를 대상으로 하여 고온 및 고온 고습 환경에서의 내구성 시험 전과 후의 곡선율 및 변환효율 값을 측정하였고 이를 Table 1에 나타내었다. CIGS 박막형 태양전지의 초기 곡선율 및 변환효율 값은 각각 64.91% 및 12.04%였다. 85℃의 고온에 1000시간 동안 노출된 후 곡선율 및 변환효율 값은 각각 59.
59 × 10⁻⁴Ω·cm로서 낮은 값을 나타내었지만 고온 및 고온고습 환경에 노출되는 시간이 증가함에 따라 비저항이 크게 증가하는 경향성을 나타내었다. Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, 85℃의 고온에서 유지할 경우 100시간까지는 캐리어 농도 및 이동도에 거의 변화가 없기 때문에 비저항도 거의 변화가 없었지만 100시간 이후부터는 캐리어 농도 및 이동도가 감소하기 때문에 캐리어의 농도와 이동도의 곱에 반비례하는 비저항은 증가하였다. 이와 달리 85℃/85% RH의 고온고습 조건에서 유지할 경우에는 초기부터 캐리어 농도 및 이동도가 감소하기 때문에 비저항은 초기부터 증가하는 경향성을 나타내었다.
두 가지 스트레스 모두에서 열화시간에 상관없이 CIGS층과 Mo 후면전극 층 사이의 계면은 특이한 변화 없이 명확하게 관찰되었다. 그러나 이와 달리 초기에 명확하게 관찰되었던 AZO/CdS층과 CIGS층 사이의 계면은 고온고습 환경에 노출된 경우에만 시간이 경과함에 따라 점차 불분명해지다가 소멸되는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과들을 종합하여 CIGS 박막형 태양전지 내의 AZO 투명전극은 고온 및 고온고습 환경에 노출될 경우 캐리어 농도 및 이동도 감소에 의해 비저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이는 산소, 수분 등의 확산 및 흡착 현상으로부터 영향을 받은 것으로 판단된다. 그리고 이와 함께 미세구조 및 결정구조 상의 변화가 AZO 투명전극의 비저항 증가에 영향을 주었다는 사실도 확인할 수 있었다. 또한, 고온고습 환경에서는 수분에 의하여 고온 환경에서보다 AZO 투명전극의 열화가 더욱 빨리 진행되었다.
5를 통해 고온 및 고온고습 조건에 노출된 CIGS 박막형 태양전지 단면의 미세구조 변화를 확인할 수 있다. 두 가지 스트레스 모두에서 열화시간에 상관없이 CIGS층과 Mo 후면전극 층 사이의 계면은 특이한 변화 없이 명확하게 관찰되었다. 그러나 이와 달리 초기에 명확하게 관찰되었던 AZO/CdS층과 CIGS층 사이의 계면은 고온고습 환경에 노출된 경우에만 시간이 경과함에 따라 점차 불분명해지다가 소멸되는 것을 확인할 수 있었다.
CIGS 박막형 태양전지에서 투명전극의 비저항이 증가함에 따라 직렬저항의 증가를 유발하여 초기값 대비 Fill factor 및 전환효율이 감소하였다. 또한, CIGS 박막형 태양전지가 고온 및 고온고습 환경에 노출되면 AZO투명전극의 미세구조 및 결정구조 변화를 유발하여 비저항 증가에 영향을 주었으며 특히, 고온고습 환경은 수분에 의하여 AZO 투명전극 및 CIGS 박막형 태양전지의 열화를 가속화 시켰다.
마지막으로 Fig. 6에 나타낸 XRD 분석을 통해 고온 및 고온고습 환경에 노출된 AZO 투명전극의 결정구조 변화를 확인할 수 있었다. Fig.
이상의 결과들을 종합하여 CIGS 박막형 태양전지 내의 AZO 투명전극은 고온 및 고온고습 환경에 노출될 경우 캐리어 농도 및 이동도 감소에 의해 비저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이는 산소, 수분 등의 확산 및 흡착 현상으로부터 영향을 받은 것으로 판단된다. 그리고 이와 함께 미세구조 및 결정구조 상의 변화가 AZO 투명전극의 비저항 증가에 영향을 주었다는 사실도 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과로 85℃ 및 85℃/85% RH의 조건에서 각각 1000시간 동안 노출된 후 AZO 투명전극의 비저항은 1.41 × 10−3 및 2.02 × 10−3 Ω·cm으로 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	박막형 태양전지는 어떻게 구분되는가?	단결정 태양전지 시장이 성장함에 따라 Si 계 원료·소재 부족의 문제로 인하여 박막형 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 박막형 태양전지는 비정질 및 결정질 실리콘 박막형 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 등으로 구분할 수 있다. 화합물 반도체인 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)는 직접천이형 반도체로서 열적으로 매우 안정하고 특히 높은 광흡수계수 (1 × 105 cm−1)를 가지기 때문에 박막형 태양전지의 광흡수층 재료로 널리 사용되고 있다.
	AZO 박막의 장점은?	3,4) Indium tin oxide (ITO)에 비해 가격이 저렴한 ZnO는 ITO 대체물질 중 하나로서 전기전도도 및 광투과율을 향상시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.5) 특히, Al-doped ZnO (AZO) 박막은 전기전도성과 가시광선 영역에서의 광투과율이 높으며, ITO 박막과 비교하여 저온 성장이 가능하고 생산단가가 크게 낮다.6) 이와 같은 장점들로 인해 AZO 박막은 태양전지의 투명전극으로 적용되고 있으며, 또한 CIGS 박막형 태양전지에 적용하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
	화합물 반도체인 CIGS가 박막형 태양전지의 광흡수층 재료로 널리 사용되는 이유는?	박막형 태양전지는 비정질 및 결정질 실리콘 박막형 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 등으로 구분할 수 있다. 화합물 반도체인 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)는 직접천이형 반도체로서 열적으로 매우 안정하고 특히 높은 광흡수계수 (1 × 105 cm−1)를 가지기 때문에 박막형 태양전지의 광흡수층 재료로 널리 사용되고 있다.1) 최근, Si계 태양전지를 대체할 수 있는 ZnO/CdS/CIGS/Mo 구조의 CIGS 박막형 태양전지에 대한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다.

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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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