Cu-In-Ga 전구체 위에 $Ga_2Se_3$ 층을 적용하여 제조된 $Cu(In,Ga)Se_2$ 박막의 Ga 분포 변화 연구

Abstract

태양전지의 광흡수층으로서 적합한 CIGS 박막을 제조하기 위하여 $Cu_{40}In_{60}$, $Cu_{50}Ga_{50}$과 Cu 타겟으로부터 증착된 금속 층 위에 Ga과 Se을 후속 공급한 뒤 selenization하였다. Ga과 Se을 공급한 이유는 CIGS 박막 표면의 부족한 Ga의 분포를 보완하여 CIGS 태양전지의 개방 전압을 향상시키기 위함이다. Ga과 Se을 공급하기 전의 전구체 내의 조성은 In이 Cu내 고용하여 기존의 4장에서의 금속 전구체에서와 달리 Cu-rich 조성으로 제조하였고 Ga의 후속 보충되는 것을 고려하여 Ga-poor 조성으로 제조하였다. 이렇게 함으로써 비교적 평탄한 금속 전구체 위에 Ga과 Se을 공급한 precursor를 만들 수 있었다. Ga과 Se을 공급하는 실험은 첫 번째, Ga과 Se source를 co-evaportaion 방법으로 하는 것과 $Ga_2Se_3$를 이용하여 증착하는 두 번째 실험을 진행하였다. 먼저 후속 공급되는 막의 특성을 알아보기 위해, XRD와 XPS 분석결과 amorphous 형태의 $Ga_2Se_3$ 막으로 증착되는 것을 확인할 수 있었다. 첫 번째 실험은 금속 전구체 위에 Ga과 Se을 co-evaporation 하여 금속 전구체 위에 공급한 막을 selenization하여 CIGS의 특성을 분석하였다. Ga과 Se을 공급하는 두께가 커질수록 Cu조성비는 줄어들고, Ga조성비는 증가하는 것을 보였고, 이에 따라 결정립의 크기도 줄어드는 경향을 보였다. Ga과 Se을 490nm 이상 공급한 조건에서는 CIGS 박막이 두층으로 존재하였고, X선 회절 분석과 AES depth profile에서도 CIGS 상이 분리되어 존재하고 두층으로 나뉘어 있는 것을 확인할 수 있었다. CIGS 박막내의 Ga의 분포는 360nm를 공급한 조건에서 가장 균일한 분포를 보였다. one-step selenization 공정과 비교하여 표면에서 조금 더 상승된 것을 확인할 수 있었고 박막 내부에서도 비교적 균일한 분포를 보였다. 하지만 그림 4-15의 NREL의 CIGS 박막 표면의 Ga조성비(~0.3)에 비해 여전히 낮았다. 두 번째 실험인 $Ga_2Se_3$를 evaporation한 뒤 selenization 처리한 CIGS 박막 역시 $Ga_2Se_3$를 공급하는 두께가 커질수록 Cu조성비는 줄어들고, Ga조성비는 증가하는 것을 보였고, 이에 따라 결정립의 크기도 줄어드는 경향을 보였다. $Ga_2Se_3$를 400nm 공급한 조건에서는 CIGS 박막이 두층으로 존재하였고, X선 회절 분석과 AES depth profile에서도 Ga의 grading이 심하여 상이 분리되어 존재하고 두층으로 나뉘어 있는 것을 확인할 수 있었다. CIGS 박막내의 Ga의 분포는 220nm를 공급한 조건에서 가장 균일한 분포를 보였다. 마찬가지로 one-step selenization 공정과 비교하여 표면에서 조금 더 상승된 것을 확인할 수 있었고 박막 내부에서도 비교적 균일한 분포를 보였다. 하지만 그림 4-15의 NREL의 CIGS 박막 표면의 Ga조성비(~0.3)에 비해 여전히 낮았다. 본 연구를 통하여 Cu-rich, Ga-poor한 금속 전구체 위에 Ga과 Se을 co-evaporation 또는 $Ga_2Se_3$를 evaporation한 Ga과 Se을 후속 공급한 층을 적용한 후 selenization처리한 CIGS 박막을 제조하였고, 두 조건에서 Ga의 grading 현상을 줄일 수 있었고, 어느 정도 표면에서의 Ga 분포를 상승([Ga]/[In+Ga]~0.2)시킬 수 있었다. 그림 5-24는 [Ga]/[In+Ga] 조성비를 실험한 조건에 대해 비교 요약한 AES depth profile 이다. 앞으로 후속 공급한 Ga과 Se에 의해 제조된 CIGS 태양전지를 제조하여 광전압 특성에 기여하는 정도를 실험하여야 할 것이다.