[논문]Cu(In,Ga)Se2 박막의 KF 처리가 CIGS태양전지에 미치는 영향

정광선; 차은석; 문선홍; 안병태

doi:10.21218/cpr.2015.3.2.065

Cu(In,Ga)Se2 박막의 KF 처리가 CIGS태양전지에 미치는 영향
Effect of KF Treatment of Cu(In,Ga)Se2 Thin Films on the Photovoltaic Properties of CIGS Solar Cells 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.3 no.2, 2015년, pp.65 - 70

정광선 (한국과학기술원 신소재공학과) , 차은석 (한국과학기술원 신소재공학과) , 문선홍 (한국과학기술원 신소재공학과) , 안병태 (한국과학기술원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We applied KF on CIGS film to modify CIGS surface with a wider-bandgap surface layer. With the KF deposition the surface of CIGS film had fine particle on the CIGS surface at 350 and $300^{\circ}C$. No fine particle was detected at 500 and $250^{\circ}C$. With the KF treatment, the Ga and O content increased at the surface, while the In and Cu content decreased. The valence band maximum was lowered with KF treatment. The composition profile and band structure were positive side of applying KF on the CIGS surface. However, the efficiency decreased with the KF treatment due to high series resistance, probably due to too thick surface layer. A smaller amount of KF should be supplied and more systematic analysis is necessary to obtain a reproducible higher efficiency CIGS solar cells.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CIGS 표면 개질을 위하여 KF 열처리 온도에 따른 CIGS 박막의 특성과 태양전지 특성을 연구하였다. Cu/(In, Ga)₂Se₃적층전구체를 진공에서 500도 20분간 selenization 하여 CIGS 박막을 제조하였다.
하지만 이 경우 표면에 In 농도가 높아 Ga 농도가 낮아 태양전지를 제조하는 경우 효율이 8% 정도로 매우 낮았다¹³⁾. 본 연구에서는 KF를 위에서 제조된 CIGS 표면에 증착하여 열처리를 통하여 CIGS 박막태양전지를 제조하고 그 특성을 분석하고 원인을 분석하였다.
DI water 로 씻은 경우 CIGS 표면에 K 가 빠져나간 것을 알 수 있으며, KF 처리 온도가 낮을수록 Cd이 CIGS 표면으로 더 확산되어 들어간 것을 알 수있다. 여기에 KF 처리된 CIGS 표면을 water rinse하는 이유는 잔류 KF를 제거하는 것 이외에 표면에 들어간 K을 녹여 내고 그 자리에 Cd을 넣어 buried hetero interface효과도 볼 가능성을 확인하기 위한 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 CIGS 표면 개질을 위하여 KF 열처리 온도에 따른 CIGS 박막의 특성과 태양전지 특성을 연구하였다. Cu/(In, Ga)₂Se₃적층전구체를 진공에서 500도 20분간 selenization 하여 CIGS 박막을 제조하였다. 이 박막을 500, 350, 300, 250℃에서 KF와 Se을 30초간 증착한 후 20분간 Se 분위기에서 열처리를 하였다.
Fig. 1에 준비된 CIGS 박막을 Se 분위기에서서 KF를 증착할 온도까지 기판온도를 하강 시킨 다음, KF 와 Se을 effusion cell 을 이용하여 30초 증착하고 그 다음 Se 만으로 20분간 어닐링하였다. KF 와 Se 을 증착할 때, 기판온도는 일정하게 유지하였고, KF와 Se의 flux는 각각 1.
5 Å/s 와 30 Å/s 이었다. KF 증착 기판 온도는 500, 350, 300, 250℃로 변화를 주어 실험하였다. 이렇게 준비된 CIGS 박막은 SEM 을 이용하여 미세구조를 분석하였다.
XPS depth profile 을 이용하여 CIGS 표면에서 각 원소의 분포도를 살펴보았고, UPS depth profile 을 이용하여 KF 처리 후의 CIGS 표면의 valance band maximum 변화를 보고자 하였다. XPS 와 UPS 의 depth profile 은 Ar ion gun을 이용하여 동일한 조건의 2 kV × 1 μA 파워로 sputtering하여 분석하였다.
XPS 와 UPS 의 depth profile 은 Ar ion gun을 이용하여 동일한 조건의 2 kV × 1 μA 파워로 sputtering하여 분석하였다.
기판온도 500°C까지 승온 열처리 및 selenization을 20분간 수행하여 CIGS 박막을 성장시켰다.
태양전지는 Al/AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo 구조로 제조하였다. 다이오드 특성은 Keithley 236 source measure unit로 dark I-V와 Agilent 4284A precision LCR meter (100 kHz, 10 mV ac signal)로 C-V를 분석하였고, solar simulator로 AM1.5 의 조건에서 태양전지 특성을 살펴보았다.
본 연구실에서는 Cu/(In,Ga)Se₂ 전구체를 이용하여 500도에서 20분간 Se 열처리하여 표명이 평탄하고 결정립이 매우 큰 CIGS 박막을 형성하였다. 하지만 이 경우 표면에 In 농도가 높아 Ga 농도가 낮아 태양전지를 제조하는 경우 효율이 8% 정도로 매우 낮았다¹³⁾.
Cu/(In, Ga)₂Se₃적층전구체를 진공에서 500도 20분간 selenization 하여 CIGS 박막을 제조하였다. 이 박막을 500, 350, 300, 250℃에서 KF와 Se을 30초간 증착한 후 20분간 Se 분위기에서 열처리를 하였다.
. 이런 영향을 알아보고자 CIGS 표면의 valance band maximum (VBM) 과 태양전지를 만들어서 비교하여 보았다.
KF 증착 기판 온도는 500, 350, 300, 250℃로 변화를 주어 실험하였다. 이렇게 준비된 CIGS 박막은 SEM 을 이용하여 미세구조를 분석하였다.
표면에 존재하는 K농도를 줄이는 일환으로 표면을 물로 세척 하여 CIGS 표면의 K를 제거한 후 태양전지를 제조하였다. Fig.

대상 데이터

전구체의 구조는 Cu/(In,Ga)₂Se₃로 Mo 이 코팅된 소다라임 유리 위에 증착하였다. (In,Ga)₂Se₃층과 Cu층은 co-evaporator를 이용하여 증착하였다.
XPS 와 UPS 의 depth profile 은 Ar ion gun을 이용하여 동일한 조건의 2 kV × 1 μA 파워로 sputtering하여 분석하였다. 태양전지는 Al/AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo 구조로 제조하였다. 다이오드 특성은 Keithley 236 source measure unit로 dark I-V와 Agilent 4284A precision LCR meter (100 kHz, 10 mV ac signal)로 C-V를 분석하였고, solar simulator로 AM1.

성능/효과

500°C에서 KF 열처리 한 조건에서 가장 높은 효율을 보였으며, 온도를 낮출수록 효율저하가 있었다.
500℃에서 KF 열처리 한 조건에서 가장 높은 효율을 보였으며, 온도가 낮아짐에 따라 효율 및 FF 가 낮아지다가 250°C에서 다시 태양전지 특성 및 재결합 전류값 또한 향상되는 것을 보였다.
250℃경우에 표면에 작은 알갱이가 거의 보이지 않았다. CIGS 표면에 K가 존재하다 없어지는 깊이별 조성분포를 보였고, KF 열처리를 함으로써 열처리하지 않은CIGS 박막과 비교하였을 때, 표면에 산소와 Ga의 분포가 상승하였다. Cu 의 조성은 표면에서 거의 존재하지 않았다.
8은 KF 열처리를 500°C와 300°C에서 KF처리 한 다음 DI water 로 씻은 후 CdS 버퍼를 증착한 박막의 VBM 을 측정한 UPS depth profile 이다. CIGS의 표면 VBM 이 일반적으로 알려진 CIGS 박막¹⁷⁾보다 낮게 나타난 것을 알 수 있고, KF 처리 온도가 낮아지면 약간 더 낮아지는 것을 보였다. 이는 표면재결합속도를 줄여주는데 긍정적인 역할을 함을 의미한다.
KF 열처리의 온도가 250°C일 때, 효율 및 재결합 전류가 향상 되는 것을 보였다.
Cu 의 조성은 표면에서 거의 존재하지 않았다. KF 처리를 하지 않은 CIGS 와 비교 하였을 때, KF 처리 후 VBM이 낮아지는 긍정적인 것을 확인하였다. KF 처리에 의한 표면 개질로 효율 향상을 기대하였으나 직렬저항(R_s) 증가와 shunt 저항(R_sh) 감소로 효율이 크게 감소하였다.
KF 처리를 하지 않은 CIGS 와 비교 하였을 때, KF 처리 후 VBM이 낮아지는 긍정적인 것을 확인하였다. KF 처리에 의한 표면 개질로 효율 향상을 기대하였으나 직렬저항(R_s) 증가와 shunt 저항(R_sh) 감소로 효율이 크게 감소하였다. 추후 KF 공급량을 줄이는 연구가 필요하다.
위 결과를 보면 350도와 300도에서는 KF가 표면에 남아 있기는 하나 역효과가 나타났음을 알 수 있다. 원래 목표는 K가 들어간 표면 CIGS 두께가 1 nm 단위 두게여야 하는데 두꺼워 직렬 저항을 증가하였음을 알 수 있다.

후속연구

KF 열처리 및 DI water rinse 에 의한 Cd 이 V_Cu에 들어감에 따라 태양전지 특성 향상에 대한 것도 결과는 부정적이었다. KF 처리로 세계최고 효율을 스위스 EMPA대학과 독일의 ZSW연구소 보고하였으므로 향후 매우 얇은 층의 KF 증착과 더 낮은 온도에서의 열처리 등 좀 더 체계적인 연구 및 분석이 필요함을 알 수 있었다.
KF 열처리의 온도가 250°C일 때, 효율 및 재결합 전류가 향상 되는 것을 보였다. 또한 도핑 농도가 표면에서 증가되는 것을 확인하였는데 본 실험에서 더 낮은 온도에서의 KF 열처리가 필요하다.
KF 처리에 의한 표면 개질로 효율 향상을 기대하였으나 직렬저항(R_s) 증가와 shunt 저항(R_sh) 감소로 효율이 크게 감소하였다. 추후 KF 공급량을 줄이는 연구가 필요하다.
원래 목표는 K가 들어간 표면 CIGS 두께가 1 nm 단위 두게여야 하는데 두꺼워 직렬 저항을 증가하였음을 알 수 있다. 추후 KF 증착 시간을 줄이는 연구가 필요하다. 500도에서는 KF 처리하지 않은 CIGS 박막태양전지와 효율이 같아서 KF 처리 효과가 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CdS/CIGS 계면에서 재결합 확률을 어떻게 줄일 수 있는가?	CdS/CIGS 계면에서 전자의 표면재결합 확률이 높은데 이는 CdS/CIGS 계면 에서의 높은 deep-level trap 때문이다. CdS/CIGS 계면에서 재결합 확률(SHR recombination)을 줄이기 위해서는 CdS/CIGS 계면으로 홀이 이동되는 확률이 줄어들도록 hole blocking layer (HBL)를 형성시켜서 계면에서의 재결합을 줄 일 수 있다. 그 예로 Y.
	CdS/CIGS 계면에서 전자의 표면재결합 확률이 높은 이유는 무엇인가?	광흡수층인 CIGS 층에서 빛을 받아 전자와 홀이 생기면 전자는 투명전도막층인 Al-doped ZnO (AZO) 쪽으로 홀은 Mo 전극 쪽으로 이동하게 된다. CdS/CIGS 계면에서 전자의 표면재결합 확률이 높은데 이는 CdS/CIGS 계면 에서의 높은 deep-level trap 때문이다. CdS/CIGS 계면에서 재결합 확률(SHR recombination)을 줄이기 위해서는 CdS/CIGS 계면으로 홀이 이동되는 확률이 줄어들도록 hole blocking layer (HBL)를 형성시켜서 계면에서의 재결합을 줄 일 수 있다.
	표면에 In 농도가 높고 Ga 농도가 낮음이 일어나는 분포는 어떠한 경우에 일어나는가?	그림을 보면 표면에 In 농도가 높고 Ga 농도가 낮음을 알 수 있다. 이 분포는 Se이 부족한 전구체를 Se 분위기에서 세렌화 시킬 때 일어나는 현상이다.

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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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