고성능 태양광-변환 소자를 위한 용액공정기반 고품질 산화물 반도체 박막 제조공정 연구

Abstract

산화물 반도체 박막은 가격이 저렴하고 전기적, 광학적 특성이 우수하여 다양한 에너지 분야에 사용되고 있다. 이러한 응용을 위해 커버리지가 우수한 박막 합성이 필수적이므로 지금까지 대부분 진공공정을 통해 이러한 박막을 합성해 왔으나 진공공정은 높은 공정단가와 긴 공정시간이 소요된다. 이러한 문제를 해결하고자 간단하면서 저렴한 용액공정을 이용한 고효율의 방법이 제안되어 왔으나, 기존 진공공정에 비하여 막의 품질, 소자 특성이 우수하지 못하다. 따라서 본 논문에서는 용액공정으로 균일하면서 커버리지(coverage)가 우수한 고품질 산화물 반도체 박막 합성을 위한 전략을 제안하였다. 제안된 합성 전략은 Ramer model과 박막형성이론을 기반으로, 용매증발속도 제어를 통해 핵 밀도 (nucleation density) 조절로 박막의 형태를 변화시켜 균일하면서 핀홀 (pinhole) 없이 치밀한 박막을 합성하는 것이다. 추가적으로, 킬레이트제 첨가를 통해 핀홀을 제거하여 박막의 품질을 향상시키고자 하였다. 제안된 합성 전략을 증명하기 위하여, 모델실험으로 삼성분계 CuBi2O4 산화물 반도체 박막을 합성해 본 결과, 용매증발속도가 낮을 경우 생성된 핵의 밀도가 낮아 박막의 커버리지가 좋지 않으며, 이와 반대로 속도가 빠른 경우는 생성된 핵의 밀도가 너무 높아 핀홀은 감소하나 표면의 울퉁불퉁한 정도(roughness)가 증가되고 중간열처리 온도를 적절한 밀도의 핵이 생성되는 온도로 조절함으로써 핀홀 없이 균일하면서 우수한 커버리지를 갖는 박막이 합성되었다. 이 방법을 NiO와 CuFe2O4 등과 같은 다양한 고품질 산화물 반도체 박막 합성에 적용함으로써 다양한 산화물로의 확장성이 있음을 증명하였다. 특히 박막의 특성평가를 위해 합성된 박막을 다양한 디바이스들 중 수소생산용 광전기화학셀 (photoelectrochemical cell, PECs)에 광환원극 (photocathode) 그리고 페로브스카이트 태양전지 (perovskite solar cells, PSCs)의 정공 이동층 (hole transporting layer)으로 적용시켰다. 그 결과, 광전기화학셀의 광환원극으로 적용된 CuBi2O4 박막의 치밀한 표면특성과 큰 입계크기로 인해 전하운반체들의 이동특성 향상되었으며, 이로 인해 기존에 보고된 특성들 대비 약 3배 높은 효율을 보였다. 이와 더불어 태양전지의 정공 이동층으로 적용된 NiO 박막의 경우, 열처리 온도 조절을 통해 커버리지가 향상되었을 뿐만 아니라 NiO 합성 시 문제가 되고 있는 침입형 산소 결함이 최소화 되어 개방전압, 충진인자, 단락전류가 향상되어 소자의 최종적인 효율이 향상되었다. 따라서, 본 논문에서 개발된 용액공정이 고품질 산화물 반도체 박막 합성을 가능하게 하고, 더 나아가 합성된 박막이 에너지 소자의 효율 향상에 효과적임을 증명하였다.