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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 두께를 달리한 GAZO (Ga and Al co-doped ZnO) 박막의 전기적, 광학적 특성을 바탕으로 투명전극의 두께가 CIGS 태양전지의 성능에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다
- 본 연구에서는 GAZO 투명전극의 두께를 달리하여 단위 박막이 갖는 물성을 비교하였고, 이를 태양전지 소자에 적용하여 소자 성능에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다. 투명전극의 두께가 감소함에 따라 광학적 특성이 개선되었으나, 전기적 특성이 저하되는 경향을 확인하였다.
제안 방법
- 동시증발법으로 만들어진 25 mm × 25 mm 크기의 CIGS 흡수층 위에 용액성장법으로 CdS 박막을 증착하였다. Ga와 Al이 동시 도핑된 GAZO (Ga2O3 : 20 wt%) 3 inch 타겟과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템으로 soda lime glass (JMC glass)와 흡수층 샘플 위에 GAZO 박막의 두께를 100, 200, 300, 400, 500 nm로 증착하였다. 챔버 내부의 초기 진공도는 10-7 Torr을 유지하였으며, 타겟 표면의 오염원을 제거하기 위하여 증착 이전에 10분 간 pre-sputtering을 진행하였다.
- TCO층의 두께와 태양전지 성능 간의 영향을 파악하기 위하여 CdS/Cu(In,Ga)Se2/Mo/glass 구조 위에 두께를 달리한 GAZO 투명전극 박막을 적용한 소자를 제작하였다. 동시증발법으로 만들어진 25 mm × 25 mm 크기의 CIGS 흡수층 위에 용액성장법으로 CdS 박막을 증착하였다.
- 따라서 투명전극의 두께에 따른 단위 박막의 물성과 소자 성능 간의 관계를 면밀히 파악할 필요가 있다. Table 1에서와 같이, 100, 200, 300 nm 박막에서 전기적 특성의 저하가 나타났으므로 해당 두께의 투명전극을 적용한 소자들의 Micro I-V를 측정하여 비교하고자 하였다.
- 두께가 달리 증착된 단위 박막의 광 투과율과 밴드갭 분석을 위하여 자외선-가시광-근적외선 분광기 (UV-Vis-NIR spectroscopy, Agilent, Carry5000)를 사용하여 측정하였다. 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 홀 효과 측정 장치 (Hall effect measurements, Ecopia, HMS-5000)를 이용하였다.
- 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 홀 효과 측정 장치 (Hall effect measurements, Ecopia, HMS-5000)를 이용하였다. 또한, TCO층을 적용한 CIGS 박막 태양전지의 소자 성능을 확인하기 위하여 전류-전압 특성 (Current-Voltage, I-V), 양자효율 (Quantum Efficiency, QE)을 평가하였고, Micro I-V 측정을 통해 저항 변화와 소자 특성을 분석하고자 하였다.
- Ga와 Al이 동시 도핑된 GAZO (Ga2O3 : 20 wt%) 3 inch 타겟과 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템으로 soda lime glass (JMC glass)와 흡수층 샘플 위에 GAZO 박막의 두께를 100, 200, 300, 400, 500 nm로 증착하였다. 챔버 내부의 초기 진공도는 10-7 Torr을 유지하였으며, 타겟 표면의 오염원을 제거하기 위하여 증착 이전에 10분 간 pre-sputtering을 진행하였다. 순도 99.
- 999%의 Ar 가스를 20sccm (Standard cubic centimeter per minute)으로 공급하였고, 작업압력은 1×10-3 Torr, DC power는 200 W에서 별도의 기판 가열 없이 박막을 증착하였다. 타겟과 기판 사이의 거리는 6 cm으로 고정하였고, 9 rpm의 속도로 회전시켜 증착하는 동안 박막의 균질성을 확보하고자 하였다.
대상 데이터
- 순도 99.999%의 Ar 가스를 20sccm (Standard cubic centimeter per minute)으로 공급하였고, 작업압력은 1×10-3 Torr, DC power는 200 W에서 별도의 기판 가열 없이 박막을 증착하였다.
이론/모형
- 동시증발법으로 만들어진 25 mm × 25 mm 크기의 CIGS 흡수층 위에 용액성장법으로 CdS 박막을 증착하였다.
- 두께가 달리 증착된 단위 박막의 광 투과율과 밴드갭 분석을 위하여 자외선-가시광-근적외선 분광기 (UV-Vis-NIR spectroscopy, Agilent, Carry5000)를 사용하여 측정하였다. 박막의 전기적 특성을 확인하기 위하여 홀 효과 측정 장치 (Hall effect measurements, Ecopia, HMS-5000)를 이용하였다. 또한, TCO층을 적용한 CIGS 박막 태양전지의 소자 성능을 확인하기 위하여 전류-전압 특성 (Current-Voltage, I-V), 양자효율 (Quantum Efficiency, QE)을 평가하였고, Micro I-V 측정을 통해 저항 변화와 소자 특성을 분석하고자 하였다.
성능/효과
- Fig. 2(a)의 400~800 nm 구간에서 두께가 두꺼워짐에 따라 간섭 패턴(interference fringe)이 증가하는 경향이 관찰되었으며, 350 nm 부근에서 흡수단이 관찰되었다.
- 74%로 100 nm를 적용한 소자였다. 100 nm 소자는 400 nm 소자보다 약 7% (~2.3 mA/cm2 ) 정도 높은 단락전류를 보였으며, 이는 얇은 투명전극의 두께에 따라 투과율이 개선된 결과이다. 약 16% (~10.
- 가장 얇은 100 nm 박막의 경우, 캐리어 농도는 3.99×1020 cm-3으로 다른 박막과 유사하나, 이동도가 9.2 cm2/V·s로 소폭 낮게 확인되었고, 두께 대비 면 저항이 165.8 Ω/sq로 매우 높게 확인되었다.
- 투명전극의 두께가 증가함에 따라, 소자의 광전변환 효율이 일부 개선되었다. 그리고 단락전류는 감소하였으나, 개방전압과 FF가 증가하는 경향을 보였다. 최고 효율 소자는 400 nm의 투명전극을 적용한 것으로 16.
- 4의 I-V 측정 결과에서 300 nm 소자보다 높은 효율을 보였으나, Micro I-V에서는 상반된 결과를 보였고, 이는 그리드 주변의 낮은 개방전압에 의해 나타났다고 볼 수 있다. 또한, 100 nm 소자에서도 단락전류를 제외한 소자 성능이 모두 낮게 나타났다. 미소 측정 지점들의 분포를 통해 투명전극의 두께가 얇아질 경우, 높은 면 저항의 영향으로 Fig.
- 일반적으로 CIGS 박막 태양전지용 투명전극의 저항 한계치는 75 Ω/sq 정도라고 알려져 있으며, 본 연구에 사용된 그리드 전극 간의 거리가 2.5 mm임을 고려한다면 한계치와 그 이상의 면 저항을 갖는 투명전극의 전기적 물성 저하가 소자 성능에 충분히 영향을 미칠 수 있을 것이라 판단하였다.
- 그리고 단락전류는 감소하였으나, 개방전압과 FF가 증가하는 경향을 보였다. 최고 효율 소자는 400 nm의 투명전극을 적용한 것으로 16.18%의 효율을 기록하였고, 최저 효율은 14.74%로 100 nm를 적용한 소자였다. 100 nm 소자는 400 nm 소자보다 약 7% (~2.
- 본 연구에서는 GAZO 투명전극의 두께를 달리하여 단위 박막이 갖는 물성을 비교하였고, 이를 태양전지 소자에 적용하여 소자 성능에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다. 투명전극의 두께가 감소함에 따라 광학적 특성이 개선되었으나, 전기적 특성이 저하되는 경향을 확인하였다. 300 nm보다 얇은 두께에서는 3.
- 반면, 전기적 특성의 경우, 면 저항과 비저항이 모두 증가하였다. 특히, 100, 200 nm에서 뚜렷하게 나타나는 비저항 대비 면 저항의 증가는 소자의 개방전압을 감소시켜 성능 저하를 유발하는 요인으로 작용됨을 확인하였다.
- 특히, 500 nm에서 가장 뛰어난 전기적 특성을 보였으며(캐리어 밀도: 6.68×1020 cm-3, 이동도: 10.2 cm2/V · s, 비저항: 1.54×10-3 Ω·cm), 이는 두껍고 밀도 높은 박막이 형성되었기 때문에 낮은 면 저항을 비롯한 전기적 특성이 개선되어 나타난 결과로 볼 수 있다.
후속연구
- 따라서 태양전지를 위한 투명전극의 요구 물성인 광학적, 전기적 특성이 모두 고려되어야함을 알 수 있었고, 하지 막을 고려하여 적절한 두께를 설정한다면 개방전압과 FF를 개선시켜 태양전지의 효율 향상에 기여할 수 있을 것이라 판단된다.
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