Cu(In1-xGax)Se₂박막의 화학적 제조 및 광기전 특성에 대한 연구

Abstract

화합물 박막 태양전지의 광흡수층인 CIGS 박막의 비진공 제조방식은, 고가의 장비를 사용하는 진공 증착법의 단점을 극복할 수 있는 대안으로 주목을 받고있다. 이 연구에서는 용액상 볼밀법을 이용하여 CIGS화합물의 전구체를 간단하게 합성하고 이를 이용하여 비진공 방식으로박막을 제작하였다. 각 원소 분말 (Cu, In, Ga, Se) 을 조성비에 맞춰 용기에 넣고 용액과 함께 볼밀링을 하여 비정질의 콜로이드 전구체를 얻었다. 넣어주는 용매를 달리하여 각 용매가 콜로이드 용액의 분산성에 미치는영향을 확인하였다. 또한 원소 분말 중 셀레늄 양이 용액 점도에 미치는영향을 확인하여 스핀코팅에 적절한 전구체 용액의 제조 조건을 최적화하였다. 이 전구체를 이용하여 박막을 제조한 후, 온도에 따른 결정성 변화를 in-situ 고온 X-선 회절분석을 통해 고찰하였다. 비정질 특성을 띄는전구체는 150℃ 이상에서 칼코피라이트 구조로 결정화 되기 시작하였으며, 450℃ 부근에서 결정성이 급격히 증가하였다. CuIn_(1-x)Ga_(x)Se₂박막의 격자상수는 갈륨의 양 (x) 이 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 것을 관찰하였다. 즉, x = 0 일 때 a = 5.781(3) Å , c = 11.559 (3) Å 로부터 x = 0.7 일때 a = 5.641 (3) Å , c = 11.306(3) Å 이다. 또한 갈륨의 양 (x) 이 증가할수록 밴드갭이 증가함을 관찰하였다. (x = 0 일 때 1.03 eV 에서 x = 0.7 일 때 1.50 eV 로 변화) 두 결과 모두 이미 발표된 연구들과 일치함을 보였고이것은 이 연구에서 개발한 ―용액상 볼밀법‖을 이용하여 전구체를 합성 하고 박막을 제조하였을 때 조성의 제어가 적절히 이루어질 수 있음을의미한다. 조성이 Cu_(0.85)In_(0.7)Ga_(0.3)Se_(2) 인 박막을 사용하여 제작한 화합물 박막 태양전지 (glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/Al) 의 에너지 전환효율은 2.14 % 를 나타내었고 외부 양자 효율은 550 ㎚ 에서 최대 55 % 를 나타내었다.아울러 이러한 용액상 볼밀법은 CuIn_(1-x)GaxSe_(2) (CIGS) 이외에CuSn_(0.5)Zn_(0.5)Se_(2) 와 같은 다른 광흡수층 제조에도 쉽게 적용이 가능함을확인하였다.