Ag addition in chalcopyrite materials is known to lead beneficial changes in aspects of structural and electronic properties. In this work, the effects of Ag alloying of $Cu(In,Ga)Se_2$-based solar cells has been investigated. Wide bandgap $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x = 0.75...
Ag addition in chalcopyrite materials is known to lead beneficial changes in aspects of structural and electronic properties. In this work, the effects of Ag alloying of $Cu(In,Ga)Se_2$-based solar cells has been investigated. Wide bandgap $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x = 0.75~0.8) films have been deposited using a three-stage co-evaporation with various Ag/(Ag+Cu) ratios. With Ag alloying the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films were found to have greater grainsize and film thickness. Device were also fabricated with the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films and their J-V and quantum efficiency measurements were carried out. The highest-efficiency $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ solar cell with Eg > 1.5 eV had an efficiency of 12.2% with device parameters $V_{OC}=0.810V$, $J_{SC}=21.7mA/cm^2$, and FF = 69.0%.
Ag addition in chalcopyrite materials is known to lead beneficial changes in aspects of structural and electronic properties. In this work, the effects of Ag alloying of $Cu(In,Ga)Se_2$-based solar cells has been investigated. Wide bandgap $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x = 0.75~0.8) films have been deposited using a three-stage co-evaporation with various Ag/(Ag+Cu) ratios. With Ag alloying the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films were found to have greater grainsize and film thickness. Device were also fabricated with the $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ (x~0.8) films and their J-V and quantum efficiency measurements were carried out. The highest-efficiency $(Ag,Cu)(In_{1-x},Ga_x)Se_2$ solar cell with Eg > 1.5 eV had an efficiency of 12.2% with device parameters $V_{OC}=0.810V$, $J_{SC}=21.7mA/cm^2$, and FF = 69.0%.
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제안 방법
1단계로는 기판온도를 350°C로 증가시켜 In, Ga, Se을 증발시켜 (In,Ga)xSey 전구체를 형성하였으며, 2단계에서는 기판온도 530°C에서 Cu, Ag 및 Se 첨가하여 Cu-rich CIGS 박막을 형성하였다.
Ag의 함량을 변수로 설정하여 (AgCu)(InGa)Se2 (ACIGS) 박막태양전지의 조성비 변화에 대하여 비교·분석하였으며, Ag의 첨가가 CIGS계 박막태양전지에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
Fig. 5와 Table 1은 광상태 I-V 측정을 통해 얻어진 ACIGS (CIGS) 박막태양전지 광전압 특성치를 나타내었고, 참고문헌에서 제안된 경험식을 이용하여 각 ACIGS (CIGS) 박막태양전지의 금지대폭을 추정하였다(Table 1의 3번째 열)6). Ag/(Ag+Cu) = 0.
Ga/(Ga+In) 조성비를 약 0.8로 고정시킨 후, Ag/(Cu+Ag) 조성비를 0.0~1.0로 조절하면서 박막 및 태양전지의 특징을 살펴보았다. 광흡수층 공정을 끝낸 후 CdS 버퍼층을 용액 성장법으로 약 50 nm를 증착시킨 후, 투명전극인 ZnO를 i-ZnO와 n-ZnO 이중구조로 증착하였다.
후면 전극 증착 전 아세톤(acetone) - 에탄올(ethanol) - 증류수(distilled water) - 에탄올 (ethanol) 순서로 각각 30분씩 초음파세척 후 오븐에서 30 분간 건조시켰다. 건조된 SLG 기판에 CIGS 광흡수층을 성장시킬 후면전극 용 Mo을 스퍼터링 방법으로 증착시켰다. 스퍼터링 가스로는 Ar을 사용하였으며, 2단계 에 걸쳐 공정을 진행하였다.
0로 조절하면서 박막 및 태양전지의 특징을 살펴보았다. 광흡수층 공정을 끝낸 후 CdS 버퍼층을 용액 성장법으로 약 50 nm를 증착시킨 후, 투명전극인 ZnO를 i-ZnO와 n-ZnO 이중구조로 증착하였다. i-ZnO는 Ar과 O2 혼합가스를 이용하여 5 mTorr의 공정압력에서 증착되었으며, n-ZnO는 순수 Ar가스를 이용하여 1 mTorr의 공정압력에서 증착하였다.
이렇게 제조된 박막은 scanning electron microscope (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), XRD (x-ray diffraction), 및 secondary-ion mass spectroscopy (SIMS)로 미세구조 및 조성분석을 실시하였다. 또한 완성된 소자의 변환효율은 AM1.5조건 하에서 I-V 측정을 통하여 광전압 특성을 관찰하였다. 아울러, 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 측정으로 300~1000 nm 파장에서 광 전하 포집능력 의 특성을 측정하였다.
1단계로는 기판온도를 350°C로 증가시켜 In, Ga, Se을 증발시켜 (In,Ga)xSey 전구체를 형성하였으며, 2단계에서는 기판온도 530°C에서 Cu, Ag 및 Se 첨가하여 Cu-rich CIGS 박막을 형성하였다. 마지막 3단계에서는 In, Ga, Se을 재공급하여 Cu-poor CIGS 박막태양전지를 형성시켰다.
본 연구에서는 3단계 동시진공증발법 공정(3-stage process)을 이용하여 높은 Ga함량을 가져 넓은 금지대를 가지는 CIGS에 Ag를 추가하는 박막태양전지를 제조하였다. Ag의 함량을 변수로 설정하여 (AgCu)(InGa)Se2 (ACIGS) 박막태양전지의 조성비 변화에 대하여 비교·분석하였으며, Ag의 첨가가 CIGS계 박막태양전지에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 Eg > 1.5 eV 금지대 ACIGS (CIGS)계 태양전지의 효율 개선을 위해 일부 Cu를 Ag로 치환하였으며, Ag/ (Cu+Ag) 조성비를 0.0~1.0로 조절하면서 박막 및 태양전지의 특징을 살펴보았다.
5조건 하에서 I-V 측정을 통하여 광전압 특성을 관찰하였다. 아울러, 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 측정으로 300~1000 nm 파장에서 광 전하 포집능력 의 특성을 측정하였다.
2%의 변환효율을 보여주었다. 이러한 Ag 첨가에 의한 효율개선은 ACIGS 광흡수층의 결정성 향상에 의한 구조적/ 전자적 결함의 억제로 해석하였다.
이렇게 제조된 박막은 scanning electron microscope (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), XRD (x-ray diffraction), 및 secondary-ion mass spectroscopy (SIMS)로 미세구조 및 조성분석을 실시하였다. 또한 완성된 소자의 변환효율은 AM1.
대상 데이터
CIGS 박막태양전지 제조를 위한 기판으로 SLG (soda lime glass, 두께 1 mm)가 이용되었다. 후면 전극 증착 전 아세톤(acetone) - 에탄올(ethanol) - 증류수(distilled water) - 에탄올 (ethanol) 순서로 각각 30분씩 초음파세척 후 오븐에서 30 분간 건조시켰다.
이론/모형
광흡수층인 CIGS 층은 미국의 NREL에서 제안된 3단계 동시진공증발법으로 공정하였다5). 3단계 동시진공증발법은 Cu, In, Ga, Se 등의 원소를 세 단계의 과정으로 분리하여 박막을 제조하는 방법으로 현재 최고 효율을 보고하고 있는 공정법이다.
성능/효과
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 Ag가 첨가되지 않은 샘플 (a)보다 Ag가 첨가된 (b), (c), (d), (e)샘플 박막의 결정립이 증가하며 두께가 증가하는 것을 확인 하였다. 또한 표면에서 공공 과 구조결함이 줄어들어 박막의 결정성이 향상되는 것을 볼 수 있었는데, 그 이유로는 Ag 첨가로 인한 칼코파이라이트 물질의 융점 저하에 기인한 재결정화(recrystallization) 촉진으로 사료된다.
5와 Table 1은 광상태 I-V 측정을 통해 얻어진 ACIGS (CIGS) 박막태양전지 광전압 특성치를 나타내었고, 참고문헌에서 제안된 경험식을 이용하여 각 ACIGS (CIGS) 박막태양전지의 금지대폭을 추정하였다(Table 1의 3번째 열)6). Ag/(Ag+Cu) = 0.57로 조절되었을 때 가장 우수한 광전압 특성을 얻을수 있었다. 이는 Ag첨가에 의한 미세구조 개선과 이로부터 줄어든 구조적/전자적 결함 농도의 영향이라고 사료된다.
Ag의 첨가는 박막의 미세구조와 결정성을 향상시켰다. 또한 완성된 ACIGS 박막태양전지(Ag 첨가)는 CIGS 박막태양전지(Ag 미첨가)에 비하여 크게 향상된 광전압 특성을 보여주었다. 특히, Ag/(Ag+Cu) = 0.
또한 완성된 ACIGS 박막태양전지(Ag 첨가)는 CIGS 박막태양전지(Ag 미첨가)에 비하여 크게 향상된 광전압 특성을 보여주었다. 특히, Ag/(Ag+Cu) = 0.75 및 Ga/(In+Ga) = 0.76 조성비에서 제조된 넓은 금지대폭(Eg > 1.5 eV) ACIGS 박막태양전지는 12.2%의 변환효율을 보여주었다. 이러한 Ag 첨가에 의한 효율개선은 ACIGS 광흡수층의 결정성 향상에 의한 구조적/ 전자적 결함의 억제로 해석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CIGS 박막태양전지에서 금지대폭을 증가시키는 것은 무엇을 야기시키는가?
4 eV 금지대폭(bandgap)에서 추가적인 효율 확보가 가능하다. 아울러, 금지대폭을 증대시킬 경우 개방전압(VOC)의 증가와 단락전류(JSC)의 감소를 야기한다. 이 경우 태양전지 내에서 소모되는 효율감소가 덜하다는 장점이 추가 적으로 있다2,3). 또한 다중접합태양전지(Multi-junction tandem solar cell) 구조에서 상위 태양전지(top subcell)로 적용이 가능하다는 장점이 있다.
태양광전지에서 금지대폭의 의의는?
태양전지에서 금지대폭은 개방전압(VOC)과 단락전류(JSC) 를 동시에 결정짓는 중요한 요소이다. 그러나, CIGS계 박막태양전지의 경우 태양광 스펙트럼 대비 이상적인 금지대 값인 1.
CuInSe2 (CIS)계 태양전지의 특징은?
CuInSe2 (CIS)계 태양전지는 I-III-VI족 화합물 반도체로 광흡수계수(1x105 cm-1)가 높아서 1 µm 박막두께로도 광 흡수가 충분히 이루어질 수 있으며, 열 안정성도 우수하다. 또한 Si 태양전지에 비해 소재의 사용량이 적어서 비용절감을 할 수 있는 가능성이 크며, 다양한 첨가물을 이용하여 금지대폭 조절이 가능하다.
참고문헌 (8)
P. Jackson, D. Hariskos, E. Lotter, S. Paetel, R. Wuerz, R. Menner, W. Wischmann, M. Powalla, "New world record efficiency for $Cu(In,Ga)Se_2 $ thin-film solar cells beyond 20%", Prog. Photovoltaics, Vol. 19, pp. 894-897, 2011.
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S. Jung, S. Ahn, J. Yun, J. Gwak, D. Kim, and K. Yoon, "Effects of Ga contents on properties of CIGS thin films and solar cells fabricated by co-evaporation technique", Curr. Appl. Phys., Vol. 10, pp. 990-996, 2010.
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