진공증발법으로 증착한 β-CIGS 박막의 특성 및 광전압 특성 개선에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 wide bandgap 물질로 β-CIGS 박막 제조와 태양전지 특성 개선에 대한 연구를 진행하였다. β-CIGS 박막은 three-stage process 동시진공증발법을 이용하여 박막을 성장 시켰다. β-CIGS 박막은 3단계 증착 후 Cu/(In+Ga) 비가 0.29~0.52 일 때 단일 상으로 형성되며, Ga/(In+Ga) 비가 0.3 일 때 1.35eV 로 CIGS 박막에 비해 큰 bandgap 을 갖으며 이상적인 값에 가까운 광특성을 보였다. 다음으로 Ga 의 비가 박막의 물성 및 태양전지 효율에 큰 영향을 주는 것을 확인하고 이를 최적화 하고자 하였다. Ga 비가 증가할수록 결정입이 작아지고 결정입계가 많이 생기고, bandgap 이 증가하였다. Ga 비에 따른 β-CIGS 태양전지의 광전압 특성을 살펴 본 결과, Ga 비가 0.44 일 때 가장 높은 효율을 보이는 것으로 관찰되었다. 기존의 CIGS 태양전지에서와 마찬가지로 Ga 비가 태양전지 효율에 큰 영향을 끼치는 것으로 확인하였으나 Ga 비가 0.3으로 조절되어야 하는 반면, β-CIGS 태양전지에서 Ga 비가 0.4 근처로 조절되어야함을 알 수 있었다. Three-stage process에서 Se 증기압이 β-CIGS 박막 및 이로부터 제조되는 CIGS 태양전지의 광전압 특성에 대해서 알아보았다. Se flux 를 4, 7, 12, 16, 25Å/s 로 조절하였다. 먼저 Se flux가 4Å/s 수준으로 낮을 경우 (112) 우선 배향성이 관찰되었으나, Se flux가 점점 높아질수록 (112) 우선 배향성이 사라지고 랜덤 배향성이 되다가 25Å/s 수준으로 매우 높은 경우에는 강한 (204) 우선 배향성이 관찰되었다. 이는 기존의 보고된 CIGS 박막의 경우와 유사한 결과로 동일한 Three-stage process로 증착되기 때문인 것으로 이해되었다. Se flux 에 따른 박막을 depth profile 한 결과 표면에서 Cu/(In+Ga) 비가 전체적으롤 감소하는 양상으로 나타나나 Se flux가 증가할수록 Cu/(In+Ga) 비가 깊이에 따라 균일해 지는 현상이 관찰되었었다. 2단계 때 Cu2-xSe 증착 중 고온에서 액상과 고상이 함께 존재하게 되며 액상의 Cu2-xSe 는 3단계 $(In,Ga)_{2}Se_{3}$ 의 증착과정 중 상호 확산하게 되지만 고상의 Cu2-xSe 는 확산이 충분하지 않아 표면에서 Cu 의 양이 줄어들게 된다. Se flux 가 큰 경우에는 액상의 Cu2-xSe 가 늘어나게 되고 3단계 과정 중 In 과 Ga 과의 상호확산을 자유롭게 되어 균일한 분포를 갖게 된다. Se flux 가 증가함에 따라 결정립이 커지고 표면이 매끄러운 형상으로 되다가, 25 Å/s 수준에서는 pore가 생기고 미세구조가 나빠지게 된다. 이는 다량의 Cu2-xSe 액상이 결정립 성장 시 이온의 장거리 확산을 촉진하고, 소모된 Cu2-xSe 이차상의 빈자리가 결정립계에 남아 pore가 생성되기 때문이다. 그러나 Se 증기압 상대적으로 낮을 때, 3단계에서 Cu2-xSe 이차상은 대부분 고상으로 존재하게 되고, 따라서 pore의 생성도 억제되므로, 좋은 미세구조를 얻기 위해서는 Se flux 조절이 중요하다. 표면 XPS 분석에서는 적은 Se flux 하에서 증착된 박막에서 oxide가 발견되었고, 16Å/s 이상에서는 oxide 가 관찰되지 않았다. 낮은 온도에서 Se을 증발시킬 때, 충분히 분해되지 못한 oxide가 3단계 후 Se 분위기 증착 시 기판온도가 저온으로 될 때 표면에 잔류하나, 이 oxide는 태양전지 광전압 특성에 미치는 영향이 거의 없다. Se flux 에 따른 박막의 defect level을 분석한 저온 PL spectra에서 Se flux에 상관없이 모든 박막에서 shallow acceptor 인 VCu 와 shallow donor 인 VSe 관찰되었다. 한편, Se flux 가 클 때 deep level defect 의 peak 줄어드는 것으로 관찰었다. 이는 높은 S