원자층 증착법을 이용한 고효율 CIGS 태양전지용 $Zn_{1-x}Sn_xO$ 버퍼층 개발에 대한 연구

Abstract

지난 십 년 간, $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 태양전지는 상업화 및 양산화의 잠재성이 큰 태양전지로 연구 개발이 진행되어오고 있다. 2016년, 알칼리 화합물의 도핑 기술을 이용하여 22.6 %의 가장 높은 태양전지 광 변환효율이 보고된바 있다. 그러나, 현재까지 연구되어오는 고효율 CIGS 태양전지의 경우, 환경에 유해한 황화카드뮴을 사용한 버퍼층을 이용하여 제조되고 있다. 이러한 이유로, 많은 연구자들이 황화 아연, 아연마그네슘 산화물, 아연주석 산화물을 이용하는 버퍼층의 연구개발이 진행되고 있다. 그러나, 황화 아연 및 아연마그네슘 산화물은 고효율 태양전지를 제조하기 위해서 추가적인 라이트 소킹 공정이 필요하고, 이는 상업화 및 양산화에 큰 걸림돌이 된다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 라이트 소킹 공정이 필요 없는 아연주석 산화물을 버퍼층으로 개발하고 사용하여 CIGS 태양전지의 광 변환효율을 증가시키는 연구를 진행하였다. CIGS 태양전지의 광변환 효율은 증가시키는 방법으로는, 광 흡수층의 벌크 특성 개선, 표면 구리 조성 개선, 불화 나트륨 처리기술, 표면 확산 방지층 기술이 사용되었다. 특히, 불화 나트륨 처리기술의 경우 저온에서의 열처리 공정을 통해서 점 결함의 변화를 체계적으로 분석했다는 점에서 그 의미가 상당히 크며, 게다가 구리의 표면 조성 또한 감소시키는 역할을 하는 것으로 분석되었다. 결론적으로, 불화 나트륨 처리기술로 인해서 CIGS 태양전지의 특성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이외에도, 버퍼층에서 CIGS 흡수층 내부로의 아연의 확산은 태양전지의 효율을 감소시키는 원인으로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해서 확산 방지층을 증착하는 방식을 사용했으며, 이렇게 증착된 확산 방지층은 매우 넓은 가전자대를 넓혀서 태양전지의 특성 향상에 도움을 준다. 결과적으로, CIGS 흡수층 표면에 증착된 확산 방지층은 아연을 확산을 방지하는 동시에 가전자대의 차이로 인한 정공의 재결합을 막는 포텐셜 에너지로 작용하여 태양전지의 특성 향상에 기여하는 것이다. 아연의 확산 여부는 표면으로부터 박막의 깊이 별 SIMS 분석 장비를 활용하여 분석을 진행하였고, 가전자대의 위치는 XPS 장비를 활용하여 분석을 진행하였다.