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문제 정의
- 본 연구에서는 화학습식공정을 이용한 ZnS 박막에 황산아연과 암모니아 수용액 농도와 각 최적화된 용액농도에서 증착시간을 가변하여 증착된 ZnS 박막의 구조적, 광학적, 조성, 전기적 특성에 대하여 연구하였다.
제안 방법
- 22 at.% 성분을 측정하였다. 0.
- ZnS 박막을 성장시키기 위해 비이커에 일정량의 초순수와 각 시약의 실제 사용량을 준비하고, 물질이 녹을 때까지 교반하여 필요한 양의 솔루션을 제조하였다. ZnS 박막의 빠른 성장을 위해 용액의 온도를 90℃로 고정하였다.
- ZnS 박막은 표 1과 표 2에 제조 조건으로 각각 황산아연과 암모니아 수용액 용액농도 변화에 따른 증착을 하였고, 최적화된 각각의 용액농도 조건으로 증착시간에 따른 제조 조건을 표 3에 나타내었다. ZnS 박막의 미세구조와 결정립 크기는 FE-SEM (field-emission scanning electron microscope)으로 관찰하였다. ZnS 박막의 조성은 FE-SEM에 설치된 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 조사하였다.
- ZnS 박막의 미세구조와 결정립 크기는 FE-SEM (field-emission scanning electron microscope)으로 관찰하였다. ZnS 박막의 조성은 FE-SEM에 설치된 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 조사하였다. 파장에 따른 박막의 광투과율은 UV/VIS spectrometer를 이용하여 측정하였으며, 가시광선 영역 300 ∼ 800 nm에서 평균 광투과율을 나타내었다.
- ZnS 박막의 황산아연과 암모니아 수용액의 농도를 최적화했다는 조건으로 증착시간에 따른 제조 조건을 표 3에 나타내듯이 황산아연 농도 0.085 M, 티오요소 농도 0.52 M, 암모니아 수용액 1.6 M, 반응 온도 90℃로 고정하고, ZnS 박막을 30분, 40분, 50분, 60분까지 증착시간을 변화시켜 ZnS 박막을 제조하였다.
- 본 연구에서는 반응물질인 황산아연과 촉매로 사용되는 암모니아 수용액 (28%)의 농도를 변화하여 수조에서 ZnS 박막을 성장시키고, 성장한 박막의 특성을 분석하였다.
- 이 연구에서 최적화된 황산아연과 암모니아 수용액 농도와 증착시간을 통하여 균일하고 조밀한 ZnS 박막을 성장을 하였다. 이러한 ZnS 박막은 CIGS 층과 좋은 접합을 형성하여 결함을 감소시켜 CIGS 태양전지의 성능을 개선시킬 수 있을 거라고 판단된다.
- 5 cm2의 크기로 절단한 ITO (indium tin oxide)가 증착된 유리 기판을 사용하였다. 초음파세척기에 아세톤, 메틸 알코올, 초순수를 사용하여 10분씩 세척한 후 질소가스로 건조하였다. Zn 전구체로는 황산아연과 S의 전구체로는 티오요소, 촉매로는 암모니아 수용액 (28%)을 사용하였다.
- 티오요소 0.52 M로 고정하고 황산아연의 농도를 가변하여 황산아연 농도 0.085 M에서 가장 균일하고 조밀한 박막을 확인하였다. 또한, Zn at.
- 티오요소 농도 0.52 M과 암모니아 수용액의 농도 1.6 M로 고정하고 황산아연의 농도를 0.055 M, 0.07 M, 0.085 M, 0.1 M로 변화하여 ZnS 박막을 성장하였다.
- 티오요소의 농도를 0.52 M과 황산아연의 농도를 0.085 M로 고정하고 암모니아 수용액의 농도를 1.2M, 1.6 M, 2 M, 2.4 M로 변화하여 ZnS 박막 증착하였다.
- 파장에 따른 박막의 광투과율은 UV/VIS spectrometer를 이용하여 측정하였으며, 가시광선 영역 300 ∼ 800 nm에서 평균 광투과율을 나타내었다.
대상 데이터
- 초음파세척기에 아세톤, 메틸 알코올, 초순수를 사용하여 10분씩 세척한 후 질소가스로 건조하였다. Zn 전구체로는 황산아연과 S의 전구체로는 티오요소, 촉매로는 암모니아 수용액 (28%)을 사용하였다.
- 화학습식공정법에 의한 ZnS 박막을 성장시킬 기판으로 2.5 × 2.5 cm2의 크기로 절단한 ITO (indium tin oxide)가 증착된 유리 기판을 사용하였다.
이론/모형
- 파장에 따른 박막의 광투과율은 UV/VIS spectrometer를 이용하여 측정하였으며, 가시광선 영역 300 ∼ 800 nm에서 평균 광투과율을 나타내었다. ZnS 박막의 비저항 특성은 vander pauw method를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 마찬가지로 Zn at.% 성분이 증가할수록 비저항이 낮아지는 것으로 보아 결정성 향상과 밀접하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, Zn at.% 성분이 증가할수록 비저항이 낮아지는 것으로 보아 결정성이 향상되었다고 판단된다. 이로 인해 투과율은 단파장 영역에서 가장 높아진 것을 확인할 수 있었다.
- 이로 인해 투과율은 단파장 영역에서 가장 높아진 것을 확인할 수 있었다. 또한, 황산아연 0.085 M과 티오요소 0.52 M 고정하여 암모니아 수용액 농도를 가변하여 암모니아 수용액 농도 1.6 M에서 가장 균일하고 조밀한 박막을 확인하였다. 마찬가지로 Zn at.
- 2 M에서 FE-SEM으로도 확인되지 않는 작은 ZnS의 입자들로 ZnS 박막이 형성되어 가장 낮은 비저항을 보인 것으로 판단된다. 암모니아 수용액 농도의 구조적 특성에서 확인할 수 있듯이, 암모니아 수용액의 농도가 1.6 M일 때 가장 균일한 ZnS 박막이 형성되고, 농도가 증가할수록 ZnS 박막의 균일도가 감소되어 비저항 감소되었다고 판단된다.
- 그림 6은 암모니아 수용액 농도 변화에 따른 비저항을 나타낸다. 암모니아 수용액의 농도가 증가할수록 비저항이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 암모니아 수용액 1.
- 얇은 ZnS 박막으로 인해 평균 투과율은 86 ∼ 88%로 비슷하지만, 투과율 350 nm ∼ 400 nm 파장영역인 흡수단에서 증착시간 60분에서 가장 높은 값을 확인하였다.
- 6 M에서 가장 균일하고 비저항이 낮은 ZnS 박막을 증착할 수 있었다. 최적화된 황산아연 0.085 M과 암모니아 수용액 1.6 M을 고정하고 증착시간을 가변하여 증착시간이 길어질수록 ZnS 박막의 두께가 두꺼워지며, 결정성이 향상이 되어 투과율이 단파장 영역에서 가장 높아진 것을 확인할 수 있었다. CIGS 박막 태양전지에서 완충층은 pn접합 형성에 중요한 요소로 균일하고 조밀한 ZnS 박막을 통하여 CIGS층과의 좋은 pn접합을 형성시켜 CIGS 박막 태양전지 성능 개선에 이바지할 것이다.
- 투과율 350 nm ∼ 400 nm 파장영역인 흡수단에서 산화아연 0.085 M에서 가장 높은 값을 보여주었고, 0.055 M, 0.07 M, 0.1 M에서는 별다른 차이가 없는 것을 확인하였다.
- 그림 1은 황산아연 농도 변화에 따른 ZnS 박막의 미세구조를 FE-SEM 분석을 통해 보여준다. 황산아연 농도 0.085 M 이하에서는 황산아연의 농도가 증가할수록 박막의 균일도가 증가하는 경향을 보였고, 0.085M 이상에서는 균일도가 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 이는 황산아연 0.
- 그림 5는 암모니아 수용액 농도 변화에 따른 광투과율을 나타내었다. 황산아연 농도 변화 실험과 마찬가지로 350 nm ～ 550 nm 파장영역의 흡수단에서 차이가 보였으며 암모니아 수용액의 농도가 1.2 M일 때는 ZnS 박막의 결정성이 엉성하여 ITO 기판과 거의 유사한 투과율을 나타냈다.
후속연구
- 6 M을 고정하고 증착시간을 가변하여 증착시간이 길어질수록 ZnS 박막의 두께가 두꺼워지며, 결정성이 향상이 되어 투과율이 단파장 영역에서 가장 높아진 것을 확인할 수 있었다. CIGS 박막 태양전지에서 완충층은 pn접합 형성에 중요한 요소로 균일하고 조밀한 ZnS 박막을 통하여 CIGS층과의 좋은 pn접합을 형성시켜 CIGS 박막 태양전지 성능 개선에 이바지할 것이다.
- 이 연구에서 최적화된 황산아연과 암모니아 수용액 농도와 증착시간을 통하여 균일하고 조밀한 ZnS 박막을 성장을 하였다. 이러한 ZnS 박막은 CIGS 층과 좋은 접합을 형성하여 결함을 감소시켜 CIGS 태양전지의 성능을 개선시킬 수 있을 거라고 판단된다.
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