[논문]비진공 방법에 의한 CIGS/CZTS계 박막 태양전지 제조

유다영; 이동윤

doi:10.3740/mrsk.2018.28.12.748

[국내논문] 비진공 방법에 의한 CIGS/CZTS계 박막 태양전지 제조
Fabrication of CIGS/CZTS Thin Films Solar Cells by Non-vacuum Process 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.12, 2018년, pp.748 - 757

유다영 (부산대학교 나노융합기술학과(대학원)) , 이동윤 (부산대학교 나노융합기술학과(대학원))

Abstract ▼ AI-Helper

Inorganic semiconductor compounds, e.g., CIGS and CZTS, are promising materials for thin film solar cells because of their high light absorption coefficient and stability. Research on thin film solar cells using this compound has made remarkable progress in the last two decades. Vacuum-based processes, e.g., co-evaporation and sputtering, are well established to obtain high-efficiency CIGS and/or CZTS thin film solar cells with over 20 % of power conversion. However, because the vacuum-based processes need high cost equipment, they pose technological barriers to producing low-cost and large area photovoltaic cells. Recently, non-vacuum based processes, for example the solution/nanoparticle precursor process, the electrodeposition method, or the polymer-capped precursors process, have been intensively studied to reduce capital expenditure. Lately, over 17 % of energy conversion efficiency has been reported by solution precursors methods in CIGS solar cells. This article reviews the status of non-vacuum techniques that are used to fabricate CIGS and CZTS thin films solar cells.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

현재까지 2세대 박막 태양전지에 대한 리뷰 논문들은 많이 있으나 비진공 방법에 의한 CIGS계 및 CZTS계 박막 태양전지 제조에 대한 리뷰 논문은 상대적으로 적다고 판단되어 이에 대해 여러 문헌을 살펴보고 본 연구진이 진행한 전기화학적 방법에 의한 CIGS계 광흡수층 제조 및 후속 공정에 대한 연구도 소개하고자 한다. 또한, 이를 바탕으로 발전된 화합물 반도체 박막 태양전지의 연구 방향에 대해서도 기술해 보고자 한다.
현재까지 2세대 박막 태양전지에 대한 리뷰 논문들은 많이 있으나 비진공 방법에 의한 CIGS계 및 CZTS계 박막 태양전지 제조에 대한 리뷰 논문은 상대적으로 적다고 판단되어 이에 대해 여러 문헌을 살펴보고 본 연구진이 진행한 전기화학적 방법에 의한 CIGS계 광흡수층 제조 및 후속 공정에 대한 연구도 소개하고자 한다. 또한, 이를 바탕으로 발전된 화합물 반도체 박막 태양전지의 연구 방향에 대해서도 기술해 보고자 한다.
본 연구진은 2012년도부터 태양전지 구조 중 광흡수층을 전기도금을 이용하여 형성하는 연구를 진행해왔다. 전기화학적 방법을 기반으로 여러 가지 조건을 변화시킴으로써 태양전지 셀에 직접 적용 가능한 CIGS 광흡수층을 제조하는데 성공하였다.

제안 방법

본 연구진은 2012년도부터 태양전지 구조 중 광흡수층을 전기도금을 이용하여 형성하는 연구를 진행해왔다. 전기화학적 방법을 기반으로 여러 가지 조건을 변화시킴으로써 태양전지 셀에 직접 적용 가능한 CIGS 광흡수층을 제조하는데 성공하였다.^7,31) 그러나 용액 기반 공정에서 필연적으로 따르는 산화의 문제는 완벽하게 해결할 수 없었다.
^7,31) 그러나 용액 기반 공정에서 필연적으로 따르는 산화의 문제는 완벽하게 해결할 수 없었다. 특히, Ga 산화물(Ga₂O₃)의 형성은 광흡수층의 표면에 크랙을 발생시키는 문제를 야기하였고 이러한 문제를 해결하기 위하여 균열을 메우는 2차 전해도금법에 대한 연구도 병행하였다.^32,33) 본 연구진은 습식법의 가능성 타진을 위하여 태양전지 전체 셀을 습식법을 이용하여 제조하였으며, 습식법을 사용함으로써 경제성이 뛰어난 태양전지를 제조하는 데에 초점을 맞추었다.
특히, Ga 산화물(Ga₂O₃)의 형성은 광흡수층의 표면에 크랙을 발생시키는 문제를 야기하였고 이러한 문제를 해결하기 위하여 균열을 메우는 2차 전해도금법에 대한 연구도 병행하였다.^32,33) 본 연구진은 습식법의 가능성 타진을 위하여 태양전지 전체 셀을 습식법을 이용하여 제조하였으며, 습식법을 사용함으로써 경제성이 뛰어난 태양전지를 제조하는 데에 초점을 맞추었다. Ga을 제외함으로써 광흡수층 표면에 발생하는 크랙의 문제를 최소한으로 줄이는 것과 동시에 광흡수층으로서 역할을 수행할 수 있는 CuInSe₂ 광흡수층을 제조하는 연구도 진행하였다.
^32,33) 본 연구진은 습식법의 가능성 타진을 위하여 태양전지 전체 셀을 습식법을 이용하여 제조하였으며, 습식법을 사용함으로써 경제성이 뛰어난 태양전지를 제조하는 데에 초점을 맞추었다. Ga을 제외함으로써 광흡수층 표면에 발생하는 크랙의 문제를 최소한으로 줄이는 것과 동시에 광흡수층으로서 역할을 수행할 수 있는 CuInSe₂ 광흡수층을 제조하는 연구도 진행하였다. 또한 광흡수층을 제조하는 연구와 더불어 화학 용액성장법을 이용한 In₂S₃ 버퍼층과 졸겔법을 이용한 ZnO 윈도우층까지 모든 공정을 비진공 방식으로 제조하는 연구를 진행한 바 있다.
예를 들어, 3단 열처리 조건을 통하여 용존산소량을 줄여서 산화물에 의한 효율 저하 조건을 완화시키기 위한 연구도 진행되고 있으며, 치밀한 광흡수층 제조를 위하여 여러 차례에 걸쳐 전구체를 코팅하는 방법도 시도되었다. 또한 Ga-graded CIGSSe와 같은 광흡수층을 제작하여 효율이 13%에 가까운 비진공 공정에 대한 연구도 진행되었다.⁵⁾
⁶⁷⁾ 또한, 화학 용액성장법은 박막 형성이 매우 간단하고 비교적 낮은 온도에서 공정이 가능하며 대면적화가 가능하기 때문에 태양전지 모듈 제작에 있어 가격 경쟁력이 뛰어난 공정으로 판단된다. 본 연구진은 화학 용액성장법을 이용하여 In₂S₃ 버퍼층을 제조하는 연구를 진행하였으며 모든 공정을 습식법으로 진행하였기 때문에 In₂S₃ 버퍼층의 제조 과정 중에 CIGS 광흡수층 박막의 손상을 동반할 수 있다는 단점이 있으며 이에 대한 보완 연구가 필요하며 박막의 적층 순서를 달리하는 방안도 제시 하였다.³⁴⁾

이론/모형

2. Manufacturing costs for a monolithic CIGS module fabrication by vacuum-based method. Manufacturing cost of sputtering Cu/Ga/In is only about 18% of total costs.

성능/효과

이 중에서도 무기계 태양전지는 에너지 변환 효율, 생산 경제성 등 여러 측면에서 많은 관심을 받고 있다.⁴⁾ 비진공 공정으로 제조가 가능한 무기계 태양전지로는 CIGS계, CZTS계, CdTe계, 비진공에 의한 박막 실리콘계, 그리고 Cu₂O 등 기타 반도체계로 크게 분류할 수 있다.⁵⁾

후속연구

2) 따라서 태양광 모듈 폐기를 위한 산업도 지속적으로 팽창할 것으로 판단되며 태양광 모듈 폐기 산업에는 도시광산 산업은 물론이며 유해한 물질에 대한 처리 산업도 포함되어야 할 것으로 보인다. 이에 앞서 앞으로의 태양광 에너지 발전 산업은 친환경 및 지속 가능한 자원을 이용한 태양광 에너지 발전 산업으로 변화하여야 할 것으로 판단된다.
²⁾ 따라서 태양광 모듈 폐기를 위한 산업도 지속적으로 팽창할 것으로 판단되며 태양광 모듈 폐기 산업에는 도시광산 산업은 물론이며 유해한 물질에 대한 처리 산업도 포함되어야 할 것으로 보인다. 이에 앞서 앞으로의 태양광 에너지 발전 산업은 친환경 및 지속 가능한 자원을 이용한 태양광 에너지 발전 산업으로 변화하여야 할 것으로 판단된다.
이것은 상온에서 칼코피라이트형 반도체 박막이 형성되는 유일한 방법이라는 견해도 있으며 이 방법은 원료 이용 효율이 다른 방법에 비해 압도적으로 유리한 특징이 있다. 그러나, 4성분계 전기화학 적층법에 의한 CIGS계 박막 태양전지 제조법은 여타의 방법과 비교해서 에너지 변환 효율이 낮다는 단점이 있기 때문에 후속 공정을 통한 개선 연구가 진행되고 있다. 최근까지 알려진 비진공 방식에 의한 CIGS계 태양전지의 최고 효율은 하이드라진 기반 용액 전구체를 사용한 경우 17.
50%⁸⁵⁾의 광효율을 가진다 연구결과가 있다. 따라서 CZTS계 태양전지의 경우도 전극물질 개발 등을 통하여 전자의 이동을 더 용이하게 하면 더 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 용액 기반 공정면에서 살펴보면 D.
고가의 원소인 In과 Ga를 Zn 및 Sn으로 교체한 CZTS 계 태양전지의 연구가 그 하나이고, 비진공 방식을 이용함으로써 공정 비용을 줄이는 노력이 또 하나이다. 앞서 기술한대로 원소재의 교체는 전체 제조 원가에 큰 영향을 미치지 못한다는 견해도 있으나 희소 원소의 사용을 줄일 수 있는 방안은 계속 연구되어야 할 것으로 판단된다. 비진공 방식에 대한 연구는 공정 개선에 대한 것으로 기술적 극복이 새로운 원소를 찾아내는 것보다는 접근이 쉬울 것으로 판단되기 때문에 이에 대한 꾸준한 연구가 필요하다고 판단된다.
CIGS계 태양전지의 경우 용액 전구체 기반 공정을 통해서 17%가 넘는 에너지변환 효율을 달성하였고, CZTS계 태양전지의 경우 값비싼 In과 Ga를 사용하지 않고 13%에 가까운 에너지변환 효율이 보고 되었다. 앞으로의 연구는 제조 공정 중에 발생할 수 있는 환경 오염 문제, 희소 원소의 배제, 그리고 폐기시에 발생할 수 있는 환경 오염 문제까지 종합적이고 전주기적인 관점에서 비진공 방법의 화합물 박막 태양전지 제조 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비진공 기반 방법의 장단점은?	진공기반 방법에는 열기상 증착법(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering) 그리고 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)이 있으며 비진공 기반 방법에는 전기화학적 적층법(electrochemical deposition),6-8)화학 용액 성장법(chemical deposition),9,10) 졸겔법(sol-gelmethod), 분무열분해법(spray pyrolysis),11,12) 그리고 스크린 프린팅(screen printing)13) 등이 있다. 앞서 언급한 바와 같이 비진공 기반 방법의 경우 진공장비를 사용하지 않아 제조 단가를 낮출 수 있으며 대면적화와 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 일반적으로 비진공 기반 방법에 의해 제조한 박막 태양전지의 경우, 진공 기반 방법으로 제조한 박막 태양전지에 비해 현재까지는 낮은 광전변환 효율을 나타낸다는 단점이 있다. 이는 비진공 기반 공정 과정 중에 발생할 수 있는 산화물, 잔여 유기물 등에 의해 전자의 생성 및 흐름에 방해를 받는 것이 가장 큰 원인으로 지적되고 있는데14) 최근 들어 이러한 단점을 극복하기 위한 연구에 많은 진전이 이루어졌으며 괄목할 만한 결과들이 발표되고 있다.
	박막 태양전지를 제조하는 방법 중 진공기반 방법의 종류는?	박막 태양전지를 제조하는 방법은 크게 건식법과 습식법 또는 진공기반 방법과 비진공 기반 방법으로 나눌 수 있다. 진공기반 방법에는 열기상 증착법(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering) 그리고 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)이 있으며 비진공 기반 방법에는 전기화학적 적층법(electrochemical deposition),6-8)화학 용액 성장법(chemical deposition),9,10) 졸겔법(sol-gelmethod), 분무열분해법(spray pyrolysis),11,12) 그리고 스크린 프린팅(screen printing)13) 등이 있다. 앞서 언급한 바와 같이 비진공 기반 방법의 경우 진공장비를 사용하지 않아 제조 단가를 낮출 수 있으며 대면적화와 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
	CIGS계 태양전지가 효과적으로 빛 흡수가 가능한 이유는?	CIGS는 기본적으로 칼코피라이트(chalcopyrite) 구조이며 직접천이형 반도체이다. 잘 알려진 바와 같이 1 × 105cm−1의 높은 광흡수계수를 가지고 있기 때문에 1~2 µm의 얇은 두께의 광흡수층 만으로도 빛을 효과적으로 흡수할 수 있기 때문에 박막형 태양전지로 활용이 가능하여 지금에 이르고 있다. 또한, 열적 안정성과 내방사선 효과가 뛰어나 우주에서의 활용을 목적으로도 많은 연구가 진행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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