Cu-In 합금 콜로이드 전구체로부터 형성된 CuxIny(SzSe1-z)2 박막의 미세구조 및 조성 변화에 미치는 황화의 영향

Abstract

CuIn1− xGax(SySe1− y)2 태양전지는 높은 광전변환효율과 광흡수계수, 조절 가능한 밴드갭 특성으로 인해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 상업화를 위해서는 기존의 동시증발법으로는 생산 원가와 유지 보수 측면에서 문제점을 가지고 있기 때문에 흡광층 증착이 용이하고 생산비를 줄일 수 있는 비진공 방식이 요구된다. 다양한 비진공 방식 중에서 콜로이드 공정에 속하는 Cu− In 합금 나노 분말법은 1− 2 μm의 전구체 박막을 만드는데 용이할 뿐만 아니라 셀렌화 또는 황화 과정 중에 부피가 팽창함으로써 전구체 박막 내에 존재하는 기공을 제거할 수 있는 장점이 있는 반면에 산화물의 생성을 막아야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 합성한 Cu− In 합금 분말을 이용하여 전구체 박막을 만든 후 반응 기구가 다른 황과 셀레늄 분위기에서 열처리함으로써 morphology의 차이, 산화물 생성 여부, 부피 팽창으로 인한 기공 제거 여부를 확인하였다. 각각 황화와 셀렌화를 거친 Cu− In 합금 전구체 박막은 morphology와 결정성 측면에서 차이를 나타내었다. 황화를 거친 박막의 상단부와 하단부의 morphology는 균일하였고 XRD 결과에서 황화를 거친 시료에서는 셀렌화와 다르게 In2O3상이 검출되지 않았다. 이로써 Cu− In 합금 전구체 박막을 직접 셀렌화하는 것보다 사전에 황화 단계를 거치는 것이 박막 morphology와 산화물 제거 측면에서 유리함을 확인하였다. 황화를 거친 시료를 400, 450, 500도에서 셀렌화한 결과 450도일 때 CuIn(S,Se)2상의 peak intensity가 가장 높았으며 550도에서는 박막의 morphology를 저해하는 수 μm의 판상형 입자가 생성되는 것을 확인하였다. 조성 변화가 셀렌화 후 박막 특성에 미치는 영향은 XRD 상에서 [Cu]/[In]=0.98인 시료가 [Cu]/[In]=0.80보다 CuIn(S,Se)2상의 peak intensity 컸으며 박막 하단부의 기공이 적은 것으로 나타났다. [Cu]/[In]=0.80인 전구체 박막을 황화한 후 400도, 450도에 셀렌화한 시료를 태양전지 제조 공정을 거쳐 광전 특성을 분석한 결과 450도일 때 광전변환효율이 높게 나타났으며 이는 XRD 결과에서 450도일 때 CuIn(S,Se)2상의 peak intensity가 400도보다 높은 것과 연관이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서 실험을 진행한 결과 열처리 후의 편평한 morphology의 유지와 산화물 생성을 막는 것은 셀렌화 전에 황화 단계를 도입함으로써 해결할 수 있었다. 하지만 열처리 후의 박막 내에서 기공이 남아있고 결정립이 작아 낮은 광전변환효율이 나왔다고 판단된다. 앞으로 향상된 광전변환효율을 얻기 위해서는 콜로이드 내의 입자 크기를 줄이고 전구체 박막의 기공을 최소화한 후 셀렌화 조건을 세분화하여 최종적인 광흡수층을 치밀하게 하는 과정이 요구된다.