Cu/(In,Ga)2Se3 적층 전구체의 CuIn 액상 및 표면처리를 이용한 Cu(In,Ga)Se2 박막 성장

Abstract

Cu(In,Ga)Se2 CIGS 를 기반으로 한 박막태양전지는 적절한 밴드갭, 장기적인 안정성 및 저가 생산으로 인해 박막태양전지 소자로서 선도적인 역할을 계속하였다. 지난 몇 년 동안, 세계에서 많은 연구 그룹들은 CIGS 박막 성장을 위한 다양한 공정을 보고했다. 현재까지, CIGS 흡수층의 증착을 위한 가장 성공적인 방법은 20% 이상의 효율을 달성한 Cu, In, Ga 과 Se 을 동시 진공증발법(co-evaporation)으로 CIGS 흡수층을 증착하는 것이다. 그러나 evaporation 공정은 대면적에서 조성제어에 불리하다. 반면 selenization 공정(two-step process)는 고품질의 CIGS 박막을 저비용으로 대량 생산하기에 각광받고 있는 방법이다. 또한 조성, 박막 두께 제어에 용이하다는 장점을 갖고 있다. 일반적으로 Cu-In-Ga 합금 또는 In/CuGa 적층 금속 전구체를 스퍼터링으로 증착하고 독성의 H2Se 분위기에서 selenization 함으로써 CIGS 박막을 성장시키게 된다. 이렇게 제조된 CIGS 태양전지는 16% 모듈효율을 보고하고 있다. 하지만 높은 고효율에도 selenization 공정의 문제점 및 세부사항은 아직 완전히 이해되지 않고 있다. 기본적으로 selenization 공정에는 두 가지 문제가 있다. 하나는 CIGS/Mo 계면에서의 adhesion 문제이고 다른 하나는 CIGS 박막 표면의 Ga 공핍 문제이다. 첫 번째, adhesion 문제는 selenization 동안 금속 원자 크기에 비해 상대적으로 매우 큰 Se 원자에 의해 발생된다. Adhesion 문제는 Se 과 반응하는 전구체의 부피 팽창에 의한 stress 로 인하여 발생된다고 알려져 있다. 또한 CIGS/Mo 계면 사이의 void는 Se 과의 금속 전구체 반응에서 표면에서 공급되는 Se 과의 반응과정 중 금속 전구체의 표면으로의 확산(Kirkendall effect)으로 인하여 발생된다고 알려져 있다. 이러한 문제점 adhesion 및 void 문제는 대면적에서 태양전지의 재현성 및 효율특성의 감소를 유도할 수 있다. 두 번째는, In과 Ga의 Se 과의 반응성 차이로 인한 Ga grading 현상이다. CuInSe2(CIS) 의 밴드 갭 향상을 위해 일반적으로 Ga 을 첨가하게 되는데, 거의 모든 Ga이 Mo 후면전극 쪽으로 축적되고 CIGS 표면에 Ga 이 부족한 현상이 일어나게 되고 표면에는 CuInSe2 와 바닥에는 CuGaSe2 상으로 분리되기도 한다. 따라서 소자는 CIS 태양전지 처럼 낮은 개방전으로 작동하게 된다. 이 Ga grading 은 In 과 Ga의 서로 다른 Se 과의 반응속도로 인해 박생되는데, 본 연구에서 이를 해결하기 위해 Se을 포함하고 있는 Cu/(In,Ga)2Se3 적층 전구체를 제안하였다. 또한, CIGS 표면의 밴드갭의 증가하더라도, deep level 결함으로 인한 계면 재결합에 의한 개방전압 감소 효과가 일어나기도 하는데, 이를 해결하기 위해 CIGS 표면처리에 대한 연구를 하였다...