[논문]열처리와 In 중간층 적용에 의한 CBD-In2S3/CIGS 태양전지의 특성 향상

김희섭; 김지혜; 신동협; 안병태

doi:10.3740/mrsk.2011.21.8.432

열처리와 In 중간층 적용에 의한 CBD-In2S3/CIGS 태양전지의 특성 향상
Annealing and In Interlayer Effects on the Photovoltaic Properties of CBD-In2S3/CIGS Solar Cells 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.8, 2011년, pp.432 - 438

김희섭 (한국과학기술원 신소재공학과) , 김지혜 (한국과학기술원 신소재공학과) , 신동협 (한국과학기술원 신소재공학과) , 안병태 (한국과학기술원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, chemical bath deposited (CBD) indium sulfide buffer layers were investigated as a possible substitution for the cadmium sulfide buffer layer in CIGS thin film solar cells. The performance of the $In_2S_3$/CIGS solar cell dramatically improved when the films were annealed at $300^{\circ}C$ in inert gas after the buffer layer was grown on the CIGS film. The thickness of the indium sulfide buffer layer was 80 nm, but decreased to 60 nm after annealing. From the X-ray photoelectron spectroscopy it was found that the chemical composition of the layer changed to indium oxide and indium sulfide from the as-deposited indium hydroxide and sulfate states. Furthermore, the overall atomic concentration of the oxygen in the buffer layer decreased because deoxidation occurred during annealing. In addition, an In-thin layer was inserted between the indium sulfide buffer and CIGS in order to modify the $In_2S_3$/CIGS interface. The $In_2S_3$/CIGS solar cell with the In interlayer showed improved photovoltaic properties in the $J_{sc}$ and FF values. Furthermore, the $In_2S_3$/CIGS solar cells showed higher quantum efficiency in the short wavelength region. However, the quantum efficiency in the long wavelength region was still poor due to the thick buffer layer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CBD-In₂S₃/CIGS 태양전지의 특성 향상을 위해 열처리와 In 중간층을 적용하는 시도를 하였다. 열처리로 인해 조밀하고 단단한 버퍼층의 형성으로 In₂S₃/ CIGS 태양전지 제작의 가능성을 보여 주었다.
본 연구에서는 In₂S₃/CIGS 박막 태양전지 구조에서 버퍼층을 먼저 형성 하고 후속 열처리를 하는 방법과 버퍼층 형성 전에 In 중간층을 증착하고 In₂S₃를 증착한 후 열처리하는 방법으로 In₂S₃/CIGS 태양전지의 특성을 향상시키고자 하였다. CIGS 박막에 In₂S₃ 버퍼층을 적용한 CIGS 소면적 셀을 제조한 후 에너지 전환효율과 양자효율을 측정함으로써 전기적 특성을 확인하였다.

가설 설정

42eV인 CdS 는 흡수층과 윈도우층 사이에서 밴드 alignment를 개선하고, 윈도우층 증착시 있을 수 있는 물리적인 충격으로부터 흡수층을 보호하는 버퍼층이 된다.²⁾그러나 CdS 버퍼층은 독성 물인 Cd을 포함하고 있어서 상용화의 저해요소로 작용해왔다. 또한 CdS 밴드갭 에너지인 2.

제안 방법

/CIGS 태양전지의 특성을 향상시키고자 하였다. CIGS 박막에 In₂S₃ 버퍼층을 적용한 CIGS 소면적 셀을 제조한 후 에너지 전환효율과 양자효율을 측정함으로써 전기적 특성을 확인하였다. 그리고 전자주사현 미경(scanning electron microscopy : SEM), 오제이 전자분광기(Auger Electron spectroscope : AES) 그리고 X-선광전자 분광법(X-ray Photoelectron spectroscopy : XPS) 을 이용하여 열처리와 In 중간층 적용에 따른 In₂S₃막의미세구조 및 구조적 특징을 관찰하였다.
박막의 제조 후 초음파 세척으로 표면에 남아 있는 입자들을 제거하였다. In₂S₃ 버퍼층의 증착이 마무리 되면 300℃의 온도와, 압력 1torr의 질소 분위기에서 10분 동안 열처리를 진행하였다. 이후에 스퍼터 방법으로 intrinsic ZnO (50 nm)와 Al doped ZnO (180 nm)를 증착 하여 윈도우층을 형성한 후, 전면전극으로는 Al 그리드를 진공증발 방식으로 형성하여 셀을 완성하였다.
그 위에 Cu0.82(In0.66Ga0.34)Se1.91의 조성을 가지는 흡수층을 3단계 동시증발법을 이용해 약 2 µm 두께로 증착하였다.
CIGS 박막에 In₂S₃ 버퍼층을 적용한 CIGS 소면적 셀을 제조한 후 에너지 전환효율과 양자효율을 측정함으로써 전기적 특성을 확인하였다. 그리고 전자주사현 미경(scanning electron microscopy : SEM), 오제이 전자분광기(Auger Electron spectroscope : AES) 그리고 X-선광전자 분광법(X-ray Photoelectron spectroscopy : XPS) 을 이용하여 열처리와 In 중간층 적용에 따른 In₂S₃막의미세구조 및 구조적 특징을 관찰하였다.
다음으로 CIGS/Mo/soda-lime glass 구조 위에 In을 열 증발(thermal evaporation)방식 으로 증착하였다. In이 증착된 CIGS 흡수층에 In₂S₃ 버퍼층의 형성과 열처리, 윈도우층, 상부전극의 형성 방식은 위의 열처리 실험과 동일한 조건으로 셀을 완성하였다.
1M 이었다. 용액 내의 수소이온 농도(pH)는 CH₃COOH 를 이용하여 조절하였고, 본 실험에서는 pH = 2.5로 일정 하게 하여 용액의 pH에 따른 변화를 배제하였다. CIGS/ Mo/soda-lime glass 구조의 기판을 반응조 내부에 고정시키고 75℃의 온도로 설정 된 Thermostat에 넣은 후 반응조 내부의 온도가 45℃가 되는 이후부터 약 30분간 박막을 증착하였다.

대상 데이터

기판은 soda-lime glass를 사용하였고, Mo 후면전극을 스퍼터링 방법으로 약 1 µm 두께로 증착하였다.

성능/효과

1) CIGS 태양전지가 고효율을 보이게 된 데에는 ZnO 층 스퍼터 전에 chemical bath deposition (CBD) 방법으로 증착한 CdS 층의 적용이 주요한 역할을 하였다. 밴드갭 에너지가 2.
In₂S₃ 버퍼층의 성장기구를 분석해보면 용액성장동안 반응조 내에서는 아래 식 (1) 과 (2) 의 반응으로 막이 형성되는 것으로 보고된 바 있다.⁴⁾ 용액성장 초기에는 수용액에 (1) 과 (2)의 반응이 평형적으로 일어나지만, 진행 될수록 수소이온농도가 증가해 (2) 의 반응이 활발해지면서 표면에서 S가 증가한 것으로 생각된다. 실제 실험시에도 용액 성장반응 후 pH 는 2.
8 은 태양전지의 QE를 측정한 그래프이다. 600 nm 부근의 단파장대에서 QE가 크게 증가되어 J_SC를 증가 시켰다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 900 nm 부근의 장파장 대에서는 QE가 크게 개선되지 않았다.
다음으로 CIGS/Mo/soda-lime glass 구조 위에 In을 열 증발(thermal evaporation)방식 으로 증착하였다. In이 증착된 CIGS 흡수층에 In₂S₃ 버퍼층의 형성과 열처리, 윈도우층, 상부전극의 형성 방식은 위의 열처리 실험과 동일한 조건으로 셀을 완성하였다.
표면부터 CIGS 흡수층 계면 쪽으로 sputtering 하면서 depth profile을 확인한 결과이다. 버퍼층에서는 In, S, O 가 관찰되었으며, In의 양은 약 40% 정도로 깊이에 따라 균일하게 분포하고 있는 반면, S는 표면으로 갈수록 급격히 증가하고 O 는 감소하는 양상으로 불균일한 분포를 보였다(Fig. 3(a)).
태양전지 효율 향상을 위해 In 중간층의 적용 하였을 때 가장 크게 변화한 것은 버퍼층 내부에 존재하는 산소의 감소였다. 이 결과는 버퍼층에 In₂S₃ 함량이 증가한 것을 의미하고 이로 인해 In₂S₃/CIGS 전도대의 에너지 장벽을 낮춤으로써 단락전류밀도를 증가시켰거나 후속 i-ZnO 증착시 스퍼터 손상을 줄여준 것으로 추정된다. In 중간층 적용 시에 태양 전지 양자효율 측정 결과에서 단파장 영역의 양자효율 향상이 추정을 뒷받침 해준다.
또한 In₂S₃ 버퍼층 표면에서 황의 농도가 증가하는 경향을 보이던 앞선 경우와 달리 흡수층 계면에서 표면까지 전체 적으로 고르게 되어있음을 볼 수 있다. 이 경우에도 산소와 황의 XPS 분석 결과 In 중간층 없이 열처리만 한 경우와 비슷한 양상을 보였으며, oxide 에 대한 hydroxide 비가 더욱 감소하였고 sulfide에 의한 peak의 세기가 약간 크게 나타난 것을 볼 수 있었다. 즉, In 중간층으로 인해 탈산화작용이 더욱 활발하게 일어난 것으로 판단되고, 그결과 박막의 조성이 더욱 In rich 해지고 In₂S₃ 비중이 증가 했다는 것을 알 수 있었다.
7 과 Table 1 은 CIGS 위에 In 중간층의 두께를 10 nm 와 30 nm 로 증착하고 In₂S₃ 버퍼층을 적용한 태양전지의 전압-전류 특성 특성 그래프와 그래프로부터 얻어진 광전압 특성을 보여준다. 중간층이 적용된 태양전지의 경우 V_OC 값의 차이는 거의 없지만 J_SC 값이 In 중간 층의 적용 후 상당히 증가하였고, F.F. 값 또한 향상된 결과를 보여 In 중간층의 두께가 10 nm 일 때 최대 8.9%의 효율을 얻을 수 있었다. Fig.
이 경우에도 산소와 황의 XPS 분석 결과 In 중간층 없이 열처리만 한 경우와 비슷한 양상을 보였으며, oxide 에 대한 hydroxide 비가 더욱 감소하였고 sulfide에 의한 peak의 세기가 약간 크게 나타난 것을 볼 수 있었다. 즉, In 중간층으로 인해 탈산화작용이 더욱 활발하게 일어난 것으로 판단되고, 그결과 박막의 조성이 더욱 In rich 해지고 In₂S₃ 비중이 증가 했다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 태양전지는 박막형 태양전지로 어느정도의 효율을 보이는가?	Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 태양전지는 박막 형 태양전지 중가장 높은 약 20%의 효율을 보이는 태양전지이다.1) CIGS 태양전지가 고효율을 보이게 된 데에는 ZnO 층 스퍼터 전에 chemical bath deposition (CBD) 방법으로 증착한 CdS 층의 적용이 주요한 역할을 하였다.
	CBD 방법으로 형성된 In2S3는 In2S3와 inOOH와 혼합된 형태로 존재하는데 이들의 장점은?	일반적으로 CBD 방법으로 형성된 In2S3는 단일상의 In2S3만으로 존재하지 않고 InOOH와 혼합된 형태로 존재하게 된다.7) 이 때 In2S3와 InOOH는 각각 약 2.1eV의 간접천 이형 밴드갭과 약 3.5eV의 직접천이형 밴드갭을 가지기 때문에 밴드갭 에너지가 조성에 따라 2.0~2.75eV8,9)을 보이므로 CdS의 2.42eV보다 밴드갭이 크게 형성될 가능성이 큰 만큼 단파장에서의 양자효율 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 CBD 법을 이용한 버퍼층 증착은 흡수층과의 계면 특성을 향상 시켜 개방 전압을 향상 시킬수 있는 이점이 있다.
	CdS 버퍼층은 왜 태양전지 효율 저하의 원인이 되는가?	2)그러나 CdS 버퍼층은 독성 물인 Cd을 포함하고 있어서 상용화의 저해요소로 작용해왔다. 또한 CdS 밴드갭 에너지인 2.42eV 이하의 에너지를 버퍼층에서 흡수하므로 단 파장 영역의 빛이 흡수층에 도달하지 못해 발생하는 양자효율의 손실이 태양전지 효율 저하의 원인이 된다. 따라서 독성 물질을 포함하지 않으면서 밴드갭 에너지가큰 새로운 대체물질로써 ZnS, Zn(OH,S), In2S3, In(OH,S)x, Inx(OOH,S)y등의 연구가 수년간 이루어졌다.

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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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