선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- Su는 밴드갭을 조절하고 결정의 크기를 증가시켜 소자의 효율을 증가시키기 위하여 CZTS에 Zn와 Ag를 도핑한 연구 결과를 보고하였다.[26] CZTS에 Cd를 첨가한 일명 CZCTS는 sol-gel용액을 제작시에 Cd(CH3COO)2∙H2O의 형태로 첨가하였고 화학적 조성비는 Cu/(Zn+Cd+Sn) = 0.
- 지금까지 CZTS 기반의 태양전지의 효율을 향상시기기 위하여 많은 물리적 화학적 기반의 증착방법들이 채용되어 왔으며, 많은 연구 성과들을 보고해 오고 있다. 본 글에서는 최근에 보고된 CZTS 태양전지의 합성 기술을 소개하고 CZTS 태양전지의 제조 기술과 개발현황에 대하여 논의하고자 한다.
제안 방법
- Hsu는 NaF (15 nm)가 적용된 Mo위에 co-evaporation법을 이용하여 CZTSe를 495-505 ℃의 온도에서 합성하고, Zn의 evaporation flux를 5분씩 다르게 하여 Zn/(Zn+Cu+Sn), Se/(Zn+Cu+Sn) 화학적 조성비에 따른 CZTSe 태양전지의 특성을 비교 연구하여 8.45%의 변환 효율을 얻었다.[20] 열처리 공정을 통해 합성된 흡수층에서 ZnSe상의 분포위치에 따라 소자에 미치는 영향을 보고 하였는데, ZnSe상이 버퍼쪽과 근접한 영역에 형성 될 경우 전자의 유동을 방해하는 역할을 하여 전기적 특성 을하락시키는 요인으로 작용함을 보였고, 이로 인해 소자의 효율이 8-6%로 감소함을 확인 하였다.
- Lee는 Cu, Zn, Sn, Se source를 co-evaporation법을 사용하여 약 2.2um 두께의 흡수층을 제조하였다.[12] 재결정과 grain 크기의 향상을 위해, Se 파우더와 함께 590 ℃의 온도에서 hot-plate를 이용하여 N2분위기를 조성하여 열처리를 진행하였다.
- Redinger는 MBE (molecular beam epitaxy)시스템을 이용한 고온 co-evaporation 공정을 통해 CZTSe 흡수층을 제조하였다.[21] Se의 반응성을 높이기 위해 cracker source를1000 ℃의 온도에서 가열하고, 기판온도를 470 ℃로 유지 하였다.
- 3%의 변환 효율을 획득하였다.Se와 SeS2의 공급 비율에 따라서 흡수층의 밴드갭이 변할 때 나타나는 Voc와 Jsc의 트레이드 오프를 최적화하고, Voc 결손의 완화를 통해 Voc를 향상시켜세계 최고 효율 (IMB, 2014)에 근접한 결과를 획득하였다. 이 소자의 밴드갭은 1.
- 2um 두께의 흡수층을 제조하였다.[12] 재결정과 grain 크기의 향상을 위해, Se 파우더와 함께 590 ℃의 온도에서 hot-plate를 이용하여 N2분위기를 조성하여 열처리를 진행하였다. 이러한 방법을 이용해, 상대적으로 크고 순수한 상의 CZTSe 결정을 제조하여 결함을 감소시키고 소수 캐리어의 확산길이를 증가시켜, 효율적인 캐리어의 수집을 달성했다.
- [14] 500 ℃의 온도에서 sulfo-selenization이 진행된 CZTSSe 흡수층을 칼코피라이트계 이상을 제거하기 위하여 KCN용액을 통해 에칭 공정을 진행하였다. 그후에 CdS를 CBD법, ZnMgO을 스퍼터링법으로 증착하여 이층구조의 버퍼층을 형성하여 소자를 제조하였다 CdS는 sputtering으로부터 흡수층으로 가해지는 피해를 완화하기 위하여 채용되었고 제조된 소자에서 9.
- [17] ZnCdS의 새로운 버퍼를 적용한 것은 CZTS의 바람직한 CBO를 설계하여 Voc를 향상시키기 위한 것으로 스파이크타입의 CBO를 형성하여 버퍼와 흡수층 계면에서 발생하는 재결합을 완화하고 762 mV의 향상된 Voc값을 획득하였다. ZnCdS가 적용된 CZTSe 소자는 9.
- [18] 그 후 550 ℃의온도에서 Ar, N2, N2+H2S, S 파우더의 다양한 열처리분위기를 형성하여 CZTS 흡수층 특성을 평가 하였다. 전구체의 열처리 분위기에 따라 박막의 형상은 상이하게 달라졌고 Sulfur 분위기에서 합성한 박막은 향상된 결정성을보였다.
- [22] Sn과 Ge의 휘발성을 최소화하기 위하여 약 250 ℃ 미만의 온도에서 증착을 실시한이후 CZTGSe의 합성을 위해, GeSe2, SnSe2, Sepellet을 이용하여 450~530 ℃의 온도에서열처리 하였다. 이렇게 제작된 흡수층은, Ge 원소 함량이 증가할수록, 흡수층의 밴드갭이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고 Ge의 도핑을 통해 흡수층의 결정성이 향상되면서 결정립을 감소시켜 캐리어의 재결합률을 감소시킨 결과를 보였다.
- [36] ZnS의 두께에 따른 연구를 통해 Raman 분광법과 켈빈 탐침력 현미경(kelvin prove force microscopy)를 이용하여 CZTSSe 합성시 발생하는 이차상에 대해 규명했으며, 제조된 CZTSSe 태양전지에서 최고 9.1%의 변환 효율을 획득하였다.
- 24%의 변환 효율을 보고하였다.또한 CZTSSe 서브모듈(활성 면적: 22.4 cm2)을 제작하여 2.76%의 변환 효율을 획득하였다.전남대에서는 PLD법을 이용하여 타겟의 조성에 따른 CZTS 흡수층을 합성하고 최고 4.
- [21] Se의 반응성을 높이기 위해 cracker source를1000 ℃의 온도에서 가열하고, 기판온도를 470 ℃로 유지 하였다. 또한 SnSe를 진공증발원으로 이용하여 SnSe의 과포화를 촉진 시켰다. 흡수층의 합성은 두 번의 과정을 거쳐 진행되었는데 먼저 Cu, Zn, Sn, SnSe, Se를 45분 동안 co-evaporation 시킨 이후에 Cu와 Zn를 제외한 원소들을 90분 동안 증착하고 냉각시킨 이후에 추가적인 Zn층을 2분동안 증착하여 표면에 Zn가 풍부한 영역을 형성하였다.
- [29] 전 열처리는 0, 20, 40, 80, 150, 200분의 시간으로 진행했고, 310 ℃의 온도에서 진행했으며, 이후 590 ℃의 온도에서 10분동안 열처리하여 CZTS 흡수층을 합성하였다. 전 열처리를 통해 Cu6Sn5,Cu5Zn8와 같은 이성분계 원소를 합성하여 사성분계 흡수층 합성을 용이하게 하였다. 전 열처리 시간의 증가에 따라 최종 합성된 CZTS의 결정성 및 캐리어의 수명이 향상되었다.
- [33] SnSx 합성한 후 나노 입자를 Cu와 Zn용액에 분산 시켜 spin coating으로 Mo/soda lime glass위에 증착 후 230 ℃와 350 ℃로 열처리하여 전구체를 제작하였다. 전구체는 Se 분말과 H2S gas를 주입하여 550 ℃에서 열처리를 진행하였으며 CZTS, CZTSSe, CZTSe 박막을 제작하여 각각 특성을 비교 분석하였으며 CZTS 박막의 경우 10% 효율을 달성하였다. 특히 이 그룹은 SCAPS modeling을 통하여 deep n-type 결함 존재를 보고 하였으며 deep n-type 결함 억제와 p-type 결함의 생성이 효율 향상에 기여한다는 사실을 보고했다.
- Jin은 Sn, Cu, Zn가 포함된 용액을 Citric acid와 혼합하여 5시간동안 열처리 한 후 20초간 자연연소를 하는 공정을 도입하여 CZTS를 합성하는 연구를 보고하였다. 합성된 분말을 doctor blade 법으로 박막으로 형성하여 sulfur 파우더를 이용하여 열처리 온도에 따른 특성을 분석하였다.[32] 열처리의 온도에 따라 CZTS 흡수층 1.
- 또한 SnSe를 진공증발원으로 이용하여 SnSe의 과포화를 촉진 시켰다. 흡수층의 합성은 두 번의 과정을 거쳐 진행되었는데 먼저 Cu, Zn, Sn, SnSe, Se를 45분 동안 co-evaporation 시킨 이후에 Cu와 Zn를 제외한 원소들을 90분 동안 증착하고 냉각시킨 이후에 추가적인 Zn층을 2분동안 증착하여 표면에 Zn가 풍부한 영역을 형성하였다. 그로 인한 밴드갭 tailing 현상 및 주요 재결합 요인에 대해규명하였으며 7.
대상 데이터
- 6%의 변환 효율을 얻었다.열처리는 400 ℃와 550 ℃의 두단계에 걸쳐 진행 되었으며, 버퍼층으로는 In2O3-SnO2가 투명전극으로는 ITO가 채용되었고, Ni/Al 상부전극과 MgF2반사방지막이 이용되었다.
이론/모형
- Sun은 sulfide계 타겟을 이용하여 Cu/ZnS/SnS의 전구체를 증착하고 560 ℃의 온도와 sulfur 분위기에서 CZTS를 합성하고 SILAR법을 이용하여 ZnCdS의 삼성분계 버퍼를 합성하여 소자를 제조하였다.[17] ZnCdS의 새로운 버퍼를 적용한 것은 CZTS의 바람직한 CBO를 설계하여 Voc를 향상시키기 위한 것으로 스파이크타입의 CBO를 형성하여 버퍼와 흡수층 계면에서 발생하는 재결합을 완화하고 762 mV의 향상된 Voc값을 획득하였다.
- 13 eV의 밴드갭을 보고하였다. 또한 KIST에서는 추가적인 용매의 첨가 없이 순수 원소만을 이용하여 ball-milling법으로 CZTSe 나노 입자를 합성하였다.[39] 제조된 나노 입자를 doctor-blade법을 Mo위에 형성하고 열처리 시간을 조절하여 CZTSe 흡수층을 합성하고 특성 평가한 연구를 보고하였다.
성능/효과
- 66%의 향상된 효율을 달성하였다. CZTS에 Ag를 도핑한 일명 ACZTS 박막은 안티사이트의 결함들의 감소와 결정성의 향상에 기인하여 Voc가 570 mV에서 650mV로 증가하였고 제조된 소자에서 7.12%의 변환효율을 확인하였다.
- 이렇게 제작된 흡수층은, Ge 원소 함량이 증가할수록, 흡수층의 밴드갭이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고 Ge의 도핑을 통해 흡수층의 결정성이 향상되면서 결정립을 감소시켜 캐리어의 재결합률을 감소시킨 결과를 보였다.Ge/(Sn+Ge) 비율이 0.39이고, 밴드갭이 1.19eV일 때 가장 최적의 조건임을 보였고, 10.03%의 최고 효율을 획득하였다.
- 13%의 변환 효율을 보고하였다.[35] Cu/(Zn+Sn)의 조성에 따라 PLD법을 통해 제조된 CZTS 흡수층의 밴드갭은 1-53-1.72 eV까지 변하였고, 1.54 eV의 흡수층에서 700 mV의 높은 Voc와 함께 가장 좋은 전기적 특성을 나타냈다. 전남대에서는 학회에 연구 보고를 하지는 않았으나 최근 sputtering법을 이용하여 제조한 CZTS 태양전지를 통해 KIER부터 인증 받은 11.
- 1)로 최적화시킨후 이를 Mo/Glass위에 spin coating하여 500 ℃ 열처리하여 CZTSSe 박막을 제조하였다.[8] MgF2/Ni-Al grid/ITO/ZnO/CZTS/Mo/Glass 구조의 태양전지 제작하여 12.6%의 높은 변환 효율을 달성하였다. 또한 같은 그룹의 Kim은 CZTSSe 흡수층이 갖는 주요 쟁점인 높은 Voc 결손의 해결방안으로 버퍼층을 In2S3/CdS의 두층으로 증착하는 방법을 채용하였다.
- [14] 500 ℃의 온도에서 sulfo-selenization이 진행된 CZTSSe 흡수층을 칼코피라이트계 이상을 제거하기 위하여 KCN용액을 통해 에칭 공정을 진행하였다. 그후에 CdS를 CBD법, ZnMgO을 스퍼터링법으로 증착하여 이층구조의 버퍼층을 형성하여 소자를 제조하였다 CdS는 sputtering으로부터 흡수층으로 가해지는 피해를 완화하기 위하여 채용되었고 제조된 소자에서 9.28%의 변환효율을 획득하였고, MgF2의 반사 방지막을 적용한 후 10.9%의 향상된 변환 효율을 달성하였다.
- [16] 이를 통해 Se 원소의 확산이 용이하게 만들었고 성공적인 CZTSe 박막을 결정화 시켰다.또한 selenization이 최적화된 조건에서 Cu가 부족한 조성을 형성하여 CZTSe의 결정성을 더욱 향상 시켰다.Cu 양의 감소는 표면의 박막을 거칠게 만들어 light trapping을 일으켜 CZTSe 태양전지의 Jsc를 향상시켰다.
- [12] 재결정과 grain 크기의 향상을 위해, Se 파우더와 함께 590 ℃의 온도에서 hot-plate를 이용하여 N2분위기를 조성하여 열처리를 진행하였다. 이러한 방법을 이용해, 상대적으로 크고 순수한 상의 CZTSe 결정을 제조하여 결함을 감소시키고 소수 캐리어의 확산길이를 증가시켜, 효율적인 캐리어의 수집을 달성했다.PL분석으로부터 확인된 sub band-gap state(≈0.
- [22] Sn과 Ge의 휘발성을 최소화하기 위하여 약 250 ℃ 미만의 온도에서 증착을 실시한이후 CZTGSe의 합성을 위해, GeSe2, SnSe2, Sepellet을 이용하여 450~530 ℃의 온도에서열처리 하였다. 이렇게 제작된 흡수층은, Ge 원소 함량이 증가할수록, 흡수층의 밴드갭이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였고 Ge의 도핑을 통해 흡수층의 결정성이 향상되면서 결정립을 감소시켜 캐리어의 재결합률을 감소시킨 결과를 보였다.Ge/(Sn+Ge) 비율이 0.
- 또한 같은 그룹의 Kim은 CZTSSe 흡수층이 갖는 주요 쟁점인 높은 Voc 결손의 해결방안으로 버퍼층을 In2S3/CdS의 두층으로 증착하는 방법을 채용하였다. 이에 12.7%로 CZTSSe의 향상된 최고 변환 효율을 달성하였다.[9]
- 전 열처리를 통해 Cu6Sn5,Cu5Zn8와 같은 이성분계 원소를 합성하여 사성분계 흡수층 합성을 용이하게 하였다. 전 열처리 시간의 증가에 따라 최종 합성된 CZTS의 결정성 및 캐리어의 수명이 향상되었다. 그러나 기존의 200분동안전 열처리를 진행한 소자에서 1.
- Hsu은 oleylamine 에 Zn, Cu , Sn 금속염을 130 °C 에서 30분간 유지하고 sulfur가 녹아있는 Oleyamine 용액과 섞어 225 °C에서 1시간 동안 반응시켜 나노입자를 합성하였다. 전구체의 Zn/ (Cu+Zn+Sn) 화학적 조성비를 변수로 두고 560 ℃에서의 Se 분위기의 열처리로 CZTSSe 박막을 제작하였으며 8.6%의 최고 변환 효율을 확인하였다.[30] 같은 방법으로 Miskin은 전구체의 몰 분율을 조절하여 250 °C 에서 1시간동안 열처리를 진행하여 합성하였으며 변환효율 9.
- [18] 그 후 550 ℃의온도에서 Ar, N2, N2+H2S, S 파우더의 다양한 열처리분위기를 형성하여 CZTS 흡수층 특성을 평가 하였다. 전구체의 열처리 분위기에 따라 박막의 형상은 상이하게 달라졌고 Sulfur 분위기에서 합성한 박막은 향상된 결정성을보였다.
- 86, (Zn+Cd)/Sn = 125로 구성되었다.제조된 CZCTS 소자에서 9.24%의 변환 효율을 획득하였고, 캐리어의 농도를 증가시키기 위하여 CZCTS 흡수층에 ITO를 적용하여 10.66%의 향상된 효율을 달성하였다. CZTS에 Ag를 도핑한 일명 ACZTS 박막은 안티사이트의 결함들의 감소와 결정성의 향상에 기인하여 Voc가 570 mV에서 650mV로 증가하였고 제조된 소자에서 7.
- 반면 대표적인 물리적 증착 방법중의 하나인 sputtering법의 경우 계속적으로 연구의 수가 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 종합적으로 평가하였을 때 sputtering법과 나노 입자 합성법이 주를 이루고 있으며 현재는 sputtering법을 이용하여 CZTS 태양전지를 제조하는 연구가 강세를 보이고 있다. Sputtering법은 용액법에 비해 증착 공정이 간소하고,재현성이 높으며, 균일하며 품질이 좋은 전구체 박막을 획득할 수 있는 장점과 더불어 체계적인 공정 조건 조절이 가능하여 현재 CZTS 박막형 태양전지 주 연구 분야로 쓰이고 있다.
- 그 중 다결정 기반의 CdTe, Cu(In,Ga)(S,Se)2(CIGS)를 기반으로 하는 박막형 태양전지는 우수한 광학적 특성과 광 에너지 변환 효율로 인하여 각광받고 있으며 그 연구는 산업화 단계에 접어들어 있다. 특히, CdTe와 CIGS 박막형 태양전지는 연구실 단위에서 각각 22.1 %(First solar, Japan), 22.6 %(ZSW, 독일)의 변환 효율을 달성하였고, 모듈의 경우 의 변환 효율을 보이는 태양전지를 생산하고 있다.[1] 그러나 Cd의 독성과 함께 In과 Ga의 희소성으로 인해 미래의 상업화를 위한 태양전지의 구성 물질로서는 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.
- 국내의 CZTS 태양전지에 관한 연구는 영남대의 김규호 연구팀에서 최초로 시작된 이례로 주요 연구 기관 및 대학 연구 그룹에서 다양한 증착 방법을 이용하여 세계 최고 효율에 근접하는 연구 결과 및 성과들을 활발하게 보고해 오고 있다. 표 1은 국내 주요연구 그룹들의 대표적인 CZTS 태양전지 연구 활동을 보여주는 것으로 표를 통해 다양한 증착 방법 및 열처리 공정을 이용하여 CZTS 박막에 대한 연구 활동을 진행하였고, CZTS 태양전지 소자를 개발하여 세계 최고 효율에 근접한 연구 성과들을 이루어 온 것을 확인 할 수 있다. 표에 게재한 결과들은 연구 보고된 것을 포함한 학회 발표와 보고되지 않아도 인증을 받은 결과들을 옮긴 것이다.
후속연구
- 이러한 특성을 만족시키기 위하여 저항이 높고 접착력이 좋은 층을 아래쪽에 형성하고 그 상부에 저항이 매우 낮은 박막을 형성하는 2층 구조의 박막을 제조하여 배면전 극으로서 활용하고 있다.[6] CZTS 태양전지는 p-type의 CZTS와 n-type의 투명전극이 pn접합을 형성하는데 두 물질 사이의 격작상수와 밴드갭 에너지의 차이가 커, 불연속적인 밴드갭 정렬이 발생하여 질 좋은 접합을 형성하는데 제한이 있다.[2] 이러한 불연속적인 정렬을 완화하기 위하여 p-type과 n-type 반도체 사이에 n-type의 버퍼층을 채용하여 접합 특성을 개선시키는 과정이 필요하다.
- 또한 안정된 CZTS 상 영역을 구축하기 위한 조성 연구와 함께 후 공정의 조절을 통한 밴드갭의 정렬은 CZTS 태양전지의 특성을 향상시기 위해 필수적인 과정이다. 현재와 같은 지속적인 연구를 통해 기존의 CZTS가 않고 있는 과제를 해결한다면 저가 태양전지의 재현이 가속화 될 수 있을 것으로 기대한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.