초록 ▼

본 과제의 연구기간 동안에 기존의 용액공정들이 가지는 단점들을 보완한 용액공정을 이용하여 CIS계 화합물 박막 태양전지를 구성하고 있는 단위 박막 중 광흡수 층과 Cd-free 버퍼 층을 제조할 수 있는 저온 용액공정 기술을 개발하는 것이 본 연구의 최종 목표이다. 일반적인 화학적 용액 증착 방법은 균일반응과 불균일반응이 동시에 수반되어 박막증착 시 불필요한 입자의 생성, 표면의 불규칙성, 교차오염, 긴 증착시간, 공정온도 조절 곤란 등에 따른 문제점이 있다. 그러나 본 연구에서 개발한 용액공정은 기존의 용액 증착방법의 단점을 보완

본 과제의 연구기간 동안에 기존의 용액공정들이 가지는 단점들을 보완한 용액공정을 이용하여 CIS계 화합물 박막 태양전지를 구성하고 있는 단위 박막 중 광흡수 층과 Cd-free 버퍼 층을 제조할 수 있는 저온 용액공정 기술을 개발하는 것이 본 연구의 최종 목표이다. 일반적인 화학적 용액 증착 방법은 균일반응과 불균일반응이 동시에 수반되어 박막증착 시 불필요한 입자의 생성, 표면의 불규칙성, 교차오염, 긴 증착시간, 공정온도 조절 곤란 등에 따른 문제점이 있다. 그러나 본 연구에서 개발한 용액공정은 기존의 용액 증착방법의 단점을 보완하기 위하여 입자를 생성하는 균일반응과 박막 생성에 관여하는 불균일반응이 서로 분리되게 고안한 용액공정으로서 화학반응을 결정짓는 반응기 길이, 반응물 공급 속도, 반응시간, pH, 온도 등을 정확하게 제어함으로서 반응 시 발생하는 불순물을 최소화하고 정확한 성장속도 조절을 통해 최종 박막의 두께 제어, 표면에 발생되어지는 입자의 최소화, 경제성 및 대량생산에 용이한 공정이라는 큰 장점을 가지고 있다.
다성분계 차코지나이드 계열의 화합물 박막을 증착하는 데에는 전구체의 설계가 매우 중요한데, 1차 년도에는 문헌 조사와 기초 반응실험으로부터 CIS계 광 흡수층 물질을 합성할 수 있는 다양한 화학물질들을 조사하고 반응성, 용해도, 취급의 용이성, 반응조건 등을 기초로 하여 전구체 용액을 제조하기 위한 기초물질을 선정하였다. 제조한 전구체를 이용하여 새로이 개발한 용액공정에 의해 이성분계(Cu₂S, CuSe, In₂S₃ 등) 화합물 박막과 삼성분계(CuInS₂) 화합물 박막을 증착하였다. 증착온도는 모두 100℃ 이하였고 대기 중에서 수행하였으며, 증착 박막의 결정성과 치밀도를 향상시키기 위한 열처리 과정에서의 온도는 당초의 목표인 400℃ 이하를 유지하였다. 합성한 단위 박막의 결정성 및 결정구조, 표면 형상, 에너지 밴드 갭, 화학적 조성과 결합 에너지 등을 관찰하기 위해서 XRD, SEM, TEM, UV-vis, XPS를 이용하여 분석하였다.
2차 년도의 연구목표는 전구체를 설계하고 이를 이용하여 용액공정으로 유리기판 위에 박막을 증착한 후 열처리를 통하여 CIS계 삼성분계 화합물 박막을 증착하는 것으로서, 1차 년도의 연구결과를 바탕으로 직접 증착에 의해 삼성분계(CuInSe₂) 화합물 박막을 합성하였다. CuInSe₂ 화합물 박막을 합성하기 위하여 Cu, In, 그리고 Se의 전구체 물질을 사용하여 적절한 조성의 용액을 만들고, 용액공정으로 CuInSe₂ 박막을 기판 위에 직접적으로 증착하였다. 합성한 CuInSe₂ 박막의 결정구조, 표면형상, 에너지 밴드 갭 등은 열처리 온도에 따라 변하였으며, 그 변화정도는 열처리 온도에 따라 달리 나타났다. 실험결과에 따르면 500℃가 가장 적합한 열처리 온도로 나타났다. 500℃에서 열처리한 CuInSe₂ 박막의 광학적 에너지 밴드 갭은 1.06 eV로서 가장 이론적인 CuInSe₂ 박막의 에너지 밴드갭인 1.06 eV에 근접하였으며, 결정구조는 XRD 분석을 통하여 tetragonal 구조로 확인되었고, 표면 형상은 비교적 양호하였다.
3차 년도에는 1, 2차 년도의 연구결과를 바탕으로 사성분계 CIGS 박막을 직접 증착공정으로 합성하는 것을 목표로 하였으며, 태양전지에 사용되는 버퍼 층 박막은 CdS를 사용하고 있으나 CdS는 유해한 중금속인 카드늄을 함유하고 있으므로 향후 유해 중금속의 사용규제에 대비하여 Cd-free 버퍼 층 물질을 용액공정으로 증착하는 기술을 개발하고자 하였다. 사성분계 화합물인 CIGS(CuIn1-xGaxSe₂)는 일반적으로 CIG 박막을 증착한 후 셀렌화 과정을 거쳐 CIGS 박막을 형성하게 되는데, 본 연구에서는 공정을 단순화하기 위하여 셀렌화 과정이 없이 용액공정에 의해 CIGS 화합물 박막을 성공적으로 증착하였으며, 증착된 박막은 광학적, 물리화학적 특성을 분석하였다. 합성한 CIGS 박막의 결정구조는 열처리 온도와 전구체 용액의 pH에 따라 변하였으며, 그 변화정도는 온도와 pH 값에 따라 달리 나타났다. 본 연구에서 최적의 온도와 pH는 각각 200℃와 5.80으로 나타났으며, 200℃에서 열처리한 CIGS 박막은 tetragonal 결정구조로 확인되었다. 다만, 셀렌화를 생략하였기 때문에 향후 이를 보완하기 위한 최적화가 필요하다. CdS와는 달리 광대역 에너지 밴드 갭을 가지고 있어 단파장을 흡수하기 쉽고, 따라서 CIGS 박막 태양전지의 전류를 증가시키는 데 용이하며, 다양한 물리적, 화학적 물성을 가지고 있어 박막 태양전지 분야에서 CdS를 대체할 환경 친화적 물질로 각광받고 있는 ZnS를 Cd-free 버퍼 층 물질로서 선택하였다. CFR로 증착한 후 600℃에서 열처리 한 ZnS 박막은 XRD 분석으로부터 hexagonal 구조로 확인되었으며, ZnS 박막의 그레인 사이즈, 표면형상 등은 박막의 열처리 온도에 영향 받는다는 것을 확인하였다. 열처리 온도 600℃일 때가 표면 형상이 가장 균일하고 치밀하였는데, 이는 XRD 결과와도 일치하였다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8