[논문]Mo : Na/Mo 이중층 구조 두께에 따른 태양전지 후면전극의 조직 및 전기적 특성

신윤학; 김명한

doi:10.3740/mrsk.2013.23.9.495

Mo : Na/Mo 이중층 구조 두께에 따른 태양전지 후면전극의 조직 및 전기적 특성
Morphology and Electrical Properties of Back Electrode for Solar Cell Depending on the Mo : Na/Mo Bilayer Thickness 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.9, 2013년, pp.495 - 500

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Mo-based thin films are frequently used as back electrode materials because of their low resistivity and high crystallinity in CIGS chalcopyrite solar cells. Mo:Na/Mo bilayer thin films with $1{\mu}m$ thickness were deposited on soda lime glass by varying the thickness of each layer using dc-magnetron sputtering. The effects of the Mo:Na layer on morphology and electrical property in terms of resistivity were systematically investigated. The resistivity increased from $159{\mu}{\Omega}cm$ to $944{\mu}{\Omega}cm$; this seemed to be caused by increased surface defects and low crystallinity as the thickness of Mo:Na layer increased from 100 nm to 500 nm. The surface morphologies of the Mo thin films changed from a somewhat coarse fibrous structures to irregular and fine celled structures with increased surface cracks along the cell boundaries as the thickness of Mo:Na layer increased. Na contents varied drastically from 0.03 % to 0.52 % according to the variation of Mo:Na layer thickness. The change in Na content may be ascribed to changes in surface morphology and crystallinity of the thin films.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

% Na이 도핑된 Mo 박막을 100~500 nm 두께로 변화를 주어 Mo 박막으로 최종 두께 1 µm를 증착시켜 박막의 조직 및 물성특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
% 도핑된 Mo과 순수 Mo 타겟을 이용하여 bilayer 형태로 1 µm 두께를 증착시킨 후 Na이 도핑된 Mo층의 두께와 순수 Mo층 두께의 변화에 따라 소다라임글라스 기판에서 함유하고 있는 Na 및 하부층인 Na이 도핑된 Mo층에서의 Na의 농도변화에 따른 순수 Mo층에 끼치는 영향을 알아보기 위해 면저항, 화학적조성, 조직, 표면형상, 조도 및 결정구조를 조사 분석하였다.

대상 데이터

이중층은 1 wt.% Na 도핑된 Mo 타겟과 99.99 %의 고순도 Mo 타겟을 사용하였다. 진공챔버내의 초기진공은 5.
소다라임글라스 기판을 25 × 25 × 0.4 mm로 사용하였고, Mo의 이중층(bilayer)을 증착하기 전 기판의 이물질을 제거하기 위하여 초음파 세척을 한 후 건조하였다.

데이터처리

기판은 박막을 균일하게 증착시키기 위해 10 rpm으로 회전을 하였다. 후면전극의 표면저항은 4단자법(AIT사의 CMT-100MP)를 이용하여 5개 포인트를 측정하여 평균값을 표현하였으며, 후면전극의 국부적 Na의 농도를 확인하기 위해 XRF(Rigaku사의 ZSX400)를 이용해 10포인트를 측정하여 평균값을 나타내었다. 표면형상 및 단면형상은 FE-SEM(Carl Zeiss사의 supra6)을 이용하여 두께 및 구조적 형상을 관찰하였으며, 표면조도 형상 및 조도측정에는 AFM(Veeco사의 Dimension V)가 사용되었고, 결정구조 분석은 XRD(Rigaku사의 SmartLab)을 이용하였다.

이론/모형

후면전극의 표면저항은 4단자법(AIT사의 CMT-100MP)를 이용하여 5개 포인트를 측정하여 평균값을 표현하였으며, 후면전극의 국부적 Na의 농도를 확인하기 위해 XRF(Rigaku사의 ZSX400)를 이용해 10포인트를 측정하여 평균값을 나타내었다. 표면형상 및 단면형상은 FE-SEM(Carl Zeiss사의 supra6)을 이용하여 두께 및 구조적 형상을 관찰하였으며, 표면조도 형상 및 조도측정에는 AFM(Veeco사의 Dimension V)가 사용되었고, 결정구조 분석은 XRD(Rigaku사의 SmartLab)을 이용하였다.

성능/효과

1) CuInSe2(CIS) 박막은 직접천이형 반도체로 광흡수계수가 1 × 105 cm−1로 가장 높으며, 여기에 In 자리 일부에 Ga이나 Al을, Se 대신 일부자리에 S을 첨가하면 광학적 밴드갭을 1.05 eV~2.43 eV로 폭넓게 범위를 조절할 수 있다.
1) Mo : Na 박막의 두께 변화에 따라 Mo 박막은 Mo : Na 박막이 두꺼울수록 표면의 크랙이 커짐을 알 수 있 었다.
2) 표면조도는 0~200 nm까지는 거의 변화가 없으나 300 nm를 기점으로 조도값이 3.03에서 4.22 및 4.95로 증가함을 알 수 있었다.
3) 박막의 단면은 대부분의 막은 주상정 형상으로 성장하였으나, Mo : Na두께가 두꺼울수록 내부 크랙이 심해졌으며, 이는 Na이 첨가되면서 Mo의 입자 성장에 불순물로 작용하여 방해한다고 볼 수 있다.
이는 Mo : Na의 함유량에 따라 상부층인 Mo 박막으로 확산되어 결정성에 영향을 끼치는 것으로 판단되어지며, CIGS 광흡수층 내의 적정한 Na농도가 4 × 1020 atoms/ cm³의 범위로 광흡수층에 이 정도의 Na농도를 공급하기 위해서 필요한 Na함량을 가진 Mo : Na층이 요구되어 진다.⁶⁾ Mo의 결정구조는 CIGS 광흡수층의 결정 성장에 많은 영향을 주게 되며, 특히 우선성장면인 (110) 면으로 성장된 Mo 박막은 CIGS 박막의 우선성장 방향인 (112) 면의 성장을 촉진시키며, 2차상에 해당하는 (200) 및 (211) 등의 결정성장면은 CIGS 박막의 (112)성장을 제한하게 된다.^5,7)
5) 갖게 해줌과 동시에 막의 결정성장에도(Fig. 6) 영향을 주는 것으로 판단되어 지고, 0.28 % 이상의 농도에서는 Mo : Na 막에서의 과도한 크랙 형성에 따라 상부층인 Mo층에서 영향을 받아 막성장을 저해하는 요인으로 여겨지며, 많고 깊은 크랙형성에 따라 높은 표면조도와 높은 면저항값을 가짐으로써 Na의 농도에 따라 박막의 결정성장 및 결함발생의 원인중 하나임 을 알 수 있다.⁸⁾
03 %의 함유량을 분포하고 있으며, 이는 기판이 소다라임글라스로 Na이 기판 내부에 함유되어 있어 여기서 기인한 것으로 판단된다. Na이 도핑된 Mo 박막의 두께가 두꺼울수록 Mo 박막 표면의 Na 함유량이 0.17~0.52 %로 나타남을 알 수 있으며, Mo : Na의 두께가 300 nm에서 0.28 % 농도분포를 나타내었는데 이 농도가 상부층인 Mo 막의 낮은 표면조도(Fig. 2~3)와 낮은 면저항 값을(Fig. 5) 갖게 해줌과 동시에 막의 결정성장에도(Fig.

후속연구

따라서 Mo : Na의 두께가 300 nm 이며, Na의 농도가 0.28 % 함유되면서, 159 µΩ·cm 비저항을 나타내는 박막이 형성되어야 우수한 결정구조를 갖는 것을 알 수 있었으며, 추후 낮은 압력에서 높은 입자 밀도, 즉 낮은 표면저항을 기대할 수 있기 때문에 상부 Mo층을 증착 시 Ar분압을 조절하여 표면저항을 낮출 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CIGS 박막의 특성은?	Cu(In,Ga)Se2(CIGS)박막은 직접천이형 반도체로서 광흡수계수가 1 × 105 cm−1로 가장 높으며, 여기에 Al, S등을 첨가하면 광학적 밴드갭을 1 eV~2.7 eV로 폭넓은 범위로 조절이 가능하다.1) CuInSe2(CIS) 박막은 직접천이형 반도체로 광흡수계수가 1 × 105 cm−1로 가장 높으며, 여기에 In 자리 일부에 Ga이나 Al을, Se 대신 일부자리에 S을 첨가하면 광학적 밴드갭을 1.
	CIGS 박막제조방법은?	이러한 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다. 물리적인 박막제조방법으로는 동시진공증발(co-evaporation)법 및 스퍼터링, 화학적인 방법으로는 프린팅 및 전착(electrodeposition)이 적용되고 있다.
	Cu(In,Ga)Se2 박막의 경우 제조공정이 까다로운 이유는?	이러한 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다. 물리적인 박막제조방법으로는 동시진공증발(co-evaporation)법 및 스퍼터링, 화학적인 방법으로는 프린팅 및 전착(electrodeposition)이 적용되고 있다.

참고문헌 (8)

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Y. C. Lin, Y. Y. Tu and C. H. Shen, Mateials Science, 24. 514 (2013).

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