Amorphous Indium Selenide Thin Films as a Buffer Layer for CIGS Solar Cells

Abstract

CIGS 태양전지는 적절한 광흡수, 전기적 안정성, 무 독성 등의 이유로 박막태양 전지에서 유망한 재료이며, 갈륨과 인듐의 조성비를 조절함으로써 밴드갭의 조절이 가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 CIGS 박막 태양전지는 유리기판/몰리브데늄 (Mo)/CIGS 흡수층/완충막/투명전극 (transparent conductive oxide, TCO) 의 구조를 가진다. 카드뮴 설페이드 (CdS)는 기존의 CIGS 태양전지의 완충막으로 가장 널리 쓰이고 있다. 그러나 카드뮴 (Cd)은 인체나 환경에 매우 유해한 중금속이기 때문에 이를 대체하기 위한 대체 재료가 많이 연구되고 있다. 태양전지 산업에서 환경 재활용 비용을 줄이기 위해 카드뮴을 대체하기 위한 재료에는 징크 셀레나이드 (zinc selenide)와 인듐 셀레나이드 (indium selenide) 등이 있다. 인듐 셀레나이드는 직접 천이형 밴드갭을 갖는 III-VI 화합물로 전자, 광전자 및 태양전지에서 사용할 수 있는 유용한 특성을 가지고 있다. 인듐 셀레나이드는 넓은 범위의 밴드갭 조절 (1.1~3.5 eV)이 가능하며 CIGS 흡수층과 이종접합이 가능하기 때문에 CIGS 태양전지의 완충막으로서 적합하다. 인듐 셀레나이드는 비화학양론적인 InxSey의 공존과 화학양론적인 InSe, In2Se3, In4Se3, In5Se7, In6Se7, In9Se11의 서로간 근접한 형성온도 때문에 화학양론적으로 조절하는 것이 매우 힘들다. 인듐 셀레나이드의 구조적, 광 및 전기적 특성은 증착공정 및 포스트-어닐링 처리에 의해 많은 영향을 받는다. 인듐 셀레나이드의 증착방법에는 동시증착법, 브리지만법, 분사 열분해법, 전착법, 졸-겔법, 화학기상증착법, 유기금속화학증착법, 스퍼터링법 등이 있다. 스퍼터링법은 유독성의 셀레늄 함유가스 (H2Se 또는 Se 가스) 없이 높은 증착률과 좋은 균일성을 제공한다. 동시 스퍼터링법은 간단한 인라인 처리를 수행 할 수eh 있다. CIGS 태양전지에서 기존의 버퍼층을 대체하기 위한 조건들에는 ≤104Ω∙cm 수준의 비저항, 적절한 밴드갭 에너지(1.68 eV ≤ Eg ≤ 3.4 eV), 80% 이상의 광투과율 등이 필요하다. 광투과율은 막두께에 직접적인 영향을 받지만, 결함 및 저항 등을 고려해야한다. 셀레늄은 장시간 고온에 노출되면 휘발성이 매우 강한 원소로 알려져 있다. N2 가스 분위기에서 급속열처리장치 (RTA)의 온도조절을 통한 셀레늄의 휘발성을 이용하여 박막의 화학적 조성비를 조정하는 실험을 진행하였다. RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 InSe2 단일 타겟으로 기판 위에 증착하였다. 또한 스퍼터링 파워를 조절하여 인듐 셀레나이드 박막의 두께를 조절하였다. 인듐 셀레나이드의 두께는 박막의 구조적, 광학적 및 전기적 특성에 중요한 역할을 한다. 그러나 기존의 연구는 100~800nm 범위에 있었고, CIGS 태양전지에 적용하기 위해 기존의 두께보다 얇은 ≤50 nm 규격의 두께에서 연구를 수행하였다. 실험에서 인듐 셀레나이드 박막의 결정과 구조적인 특성을 분석하기 위해 XRD (X-ray diffraction)를 수행하였고, 전기적, 광학적 특성을 분석하기 위하여 UV-Visible spectrometer와 Hall effect measurement를 사용하였다. 또한 박막의 표면특성을 관찰하기 위해 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 수행하였다. 급속 열처리 수행한 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착한 인듐 셀레나이드 박막은 동일한 타겟을 사용하여 증착하였음에도 열처리 온도 및 박막 두께에 따라서 상이한 인듐/셀레늄 분율을 나타내었다. 모든 공정조건에서 비정질 특성을 보였으며, 인듐/셀레늄 조성비는 제어 가능하였다. 인듐/셀레늄 조성비 변화를 이용하여 인듐 셀레나이드 박막의 광학적, 전기적 특성을 조절 할 수 있었다. 본 실험을 통해서 ≤1010Ω∙cm의 비저항, ≥87%의 광투과율, 2.875eV ≤ Eg ≤ 3.048eV의 밴드갭 에너지의 우수한 특성을 가진 인듐 셀레나이드 박막을 개발하였고, 기존 CdS를 대체 가능할 것으로 기대된다.