화학습식공정법을 이용한 CIGS 태양전지용 카드뮴이 없는 버퍼층 박막 제조 및 특성 분석 = Properties and Characterization of Cd-free ZnS Thin Film Buffer Layer for CIGS Solar Cells by Chemical Bath Deposition

국문 초록 (Abstract)

CIGS(Cu,(Inx,Ga1-x),Se2) 4원소 화합물 박막 태양전지에서 버퍼층(Buffer layer) 물질로 화학습식공정법(Chemical Bath Deposition, CBD)을 이용하여 증착한 CdS (Cadmium Sulfide)가 사용된다. 하지만 CdS 버퍼층에 사용되는 카드뮴은 인체에 매우 해롭다. 또한 단파장 영역에서 빛을 투과하지 못하고 흡수하여 짧은 파장 영역의 광손실을 일으키는 단점이 있다. 이번 연구에서는 CdS의 단점을 극복한 ZnS (Zinc Sulfide) 물질을 이용하여 제작 공정이 단순하고 제조 단가가 저렴한 화학습식공정법을 이용하여 CIGS 태양전지의 버퍼층으로 적용하기 위한 최적의 증착 조건을 성립하고 적용하였다.
ZnS 버퍼층은 300~800 nm 영역에서도 90% 이상의 뛰어난 광투과 특성을 보였으며, 밴드갭은 3.78 eV 로 확인되었다. 박막 증착 시 Complex agent로 사용되는 암모니아 농도가 묽으면 박막 증착이 거의 일어나지 않았으며 2 M 의 암모니아 농도일 때 가장 좋은 박막 증착률을 보였다. 또한 암모니아 농도가 진해지면 다시 증착률이 감소하는 경향으로 나타났다. 열처리 온도에 따라 ZnS 버퍼층이 공기 중의 산소와 반응하여 ZnO (Zinc Oxide)로 변화하는 것을 확인하였으며, 그 결과 밴드갭이 3.78 eV 에서 3.19 eV 로 낮아졌다. ZnS 버퍼층을 적용한 CIGS 태양전지는 상온, A.M 1.5, 100 mW/cm2 의 측정조건에서 14.18%의 변환효율을 달성하였으며, Jsc = 36.99 mA/cm2, Voc = 0.58 V, Fillfactor = 66.12% 를 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The fabrication of CIGS (Cu,(Inx,Ga1-x),Se2) solar cells has been generally achieved by employing a CdS (Cadmium sulfide) buffer layer deposited by chemical bath deposition (CBD). However, Cadmium causes serious poisoning problems in the human body. Moreover, the quantum efficiency of a CdS/CIGS solar cell drops at short wavelengths due to a loss of optical absorption from the CdS buffer layer. In this study, we have focused on the optimization of a good quality of ZnS buffer layer by chemical bath deposition and applying this ZnS buffer layer to the CIGS thin film solar cells.
The ZnS thin films showed good transmittance spectra above 90% in the spectral range from 300 to 800 nm and its band gap energy was 3.78 eV. The deposition rate was found to be dependant on the concentration of ammonia (complex agent). When the ammonia concentration was either too high or low, a decrease in the deposition rate was observed. Under such experimental conditions, the ammonia concentration was optimized as 2 M. When ZnS thin films were treated at high temperature, part of the ZnS thin films changed into ZnO because of the reaction of ZnS with O2 in the air. As a result, the band gap energy of ZnS thin films changed from 3.78 eV to 3.19 eV. In the present study, all the characteristics of the solar cells with CBD-ZnS buffer layers were measured under conditions of AM 1.5, and 100 mW/cm2 illumination. The CIGS solar cell with the CBD-ZnS buffer layer yielded an active area efficiency of 14.18% with Jsc = 36.99 mA/cm2, Voc = 0.58 V, and Fillfactor = 66.12%.

목차 (Table of Contents)

• Ι. 서론 1
• 1. 태양전지의 필요성 1
• 2. 화합물 박막 태양전지 2
• 가. 태양전지의 종류 2
• 나. 화합물 박막 태양전지 4
• 3. Cd-free 버퍼층의 필요성 5
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 태양전지의 기본원리 6
• 2. Cu(In,Ga)Se2 태양전지 8
• 가. Cu(In,Ga)Se2 태양전지 8
• 나. 동시진공증발법(Co-evaporation) 9
• 다. 스퍼터링법(Sputtering) 10
• 3. 버퍼층(Buffer Layer) 11
• 4. 화학습식공정법(Chemical Bath Deposition) 12
• Ⅲ. 실험방법 14
• 1. 흡수층 증착 14
• 2. 화학습식공정법을 이용한 버퍼층 증착 17
• 가. 버퍼층 증착 17
• 나. ZnS 버퍼층 증착 18
• 다. CdS 버퍼층 증착 19
• 3. 태양전지 소자 제작 20
• 4. 분석기기 21
• Ⅳ. 결과 및 고찰 22
• 1. Cu(In,Ga)Se2 흡수층 특성분석 22
• 가. SEM 22
• 나. EDX 23
• 다. XRD 24
• 2. ZnS 박막과 CdS 박막의 특성 비교분석 25
• 가. SEM 25
• 나. XRD 26
• 다. Optical properties 27
• 3. 암모니아 농도에 따른 ZnS 박막 특성변화 28
• 4. 열처리 온도에 따른 ZnS 박막 특성변화 30
• 가. Optical properties 30
• 나. XRD 31
• 다. SEM 32
• 5. ZnS/CIGS 태양전지와 CdS/CIGS 태양전지의 효율비교 33
• Ⅴ. 결론 34
• 참고문헌 35
• 영문초록 37
• 국문초록 39