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 다결정 CIGS (Cu(In,Ga)Se2) 흡수층에 기초한 태양전지는 모든 박막 형태의 태양전지중 최고의 변환 효율을 갖고, 유연성 폴리머 박막을 기판으로 사용함으로서 생산 단가를 낮추는데 몇가지 이점이 있다. 변환 효율은 가격 경쟁력을 위해 매우 중요하고 이는 일반 기판뿐 아니라 유연성 기판위에 소자를 개발할 필요성을 또한 제시한다. 그러나 유연성 기판위의 태양전지의 효율은 일반적으로 일반 금속이나 유리 기판위 소자보다 그 효율이 떨어지는 것으로 보고되고 있으며, 이는 폴리머로 구성된 흡수층 증착시 저온공정을 해야하기 때문에 효율 또한 낮은 것으로 분석되고 있다. 연구진은 흡수층내에 구성비를 조절하여 매우 높은 효율의 소자를 얻을 수 있었다. 이는 효율성 높은 유연성 태양전지의 생산이 태양 에너지의 가격을 낮출 수 있고 차세대 태양에너지 산업에 중요한 밑거름일 될 수 있음을 의미한다.
광전압 소자 (PV;Photovoltaics) 분야에서 현재 연구의 중점분야는 효율높은 저가의 소자를 생산하는 것이다 가장 유망한 박막 기술중 한가지는 다결정 황동성 (chalcopyrite) Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)으로서, 이에 기초하여, 일반 유리 기판 위에 공정된 소자를 통해 변환 효율이 최대 20.3 % 까지 시연된 바 있다. 유연성 기판위에 태양전지를 집적할 수 있는 기술은 roll-to-roll 증착 방법을 가능케 해주고, 매우 저렴한 단가와 대량생산의 잠재성등을 갖고 있어 매우 유망한 연구분야로 대두되고 있다. 가장 가능성이 높은 유연성 기판은 금속과 polyimide (PI) 박막이다. PI 박막위에 집적된 CIGS 태양전지의 외부 압력에 대한 안정성이 테스트된 바 있고, 우수한 유연성을 지니고 있다. 금속 포일과 비교하여, PI는 전기적으로 절연이라는 장점을 갖고 있다. 뿐만 아니라, 금속 불순물을 가지지 않기 때문에, 공정시 불순물 확산에 의한 어려움을 고려치 않아도 되는 장점 등이 있다. 그러나, PI 기판의 최대 적용 가능한 온도는 500 도 미만으로 금속 또는 유리 (~600 도) 기판보다 낮다. 이 낮은 최고 공정온도의 제한요소는 CIGS 태양 전지의 변환 효율을 낮추는 원인이 된다.
그림 1(a)는 CIGS 태양전지에 아무런 전압이 인가되지 않았을때의 밴드 다이어그램을 보여준다. CIGS 흡수층 성장시 몰리브뎀은 Back 컨택을 위해 선호되는 재료이고, 접합층 MoSe2가 형성되어, quasi-ohmic 컨택을 이룬다. p-type CIGS 흡수층과 n-type CdS 와 ZnO층 사이에 pn 접합이 형성된다. CIGS 레이어는 대다수의 전하 캐리어가 depleted 공간 전하 영역 (SCR; Space Charge Region)과 반중성 영역 (QNR;Quasi-Neutral Region)으로 나뉜다. CIGS 밴드갭보다 높은 에너지의 빛이 입사되면 대부분 첫 마이크로미터의 흡수층 내에의해 흡수되어 전자-정공 쌍이 pn 접합 내부 전계에 의해 분리된다. CIGS 흡수층의 전자들의 최적화된 수집은 최대 변환 효율을 얻기위해 반드시 필요하다. 그림 1(b)는 CIGS 태양전지의 측면에 대한 SEM 이미지이고, 그림 1(c)는 PI 위에 공정된 CIGS 태양전지 샘플의 사진이다.
연구진은 PI 위에 세 소자에 대해 서로 다른 효율과 Grading 프로파일에 대한 전기적 특성과의 상관관계를 분석하였다. 첫번째 샘플은 일반적인 3단계 공정 (그림 2(a))으로 성장된 샘플이고, 약 16 %의 효율성을 갖는다. 17.6 %의 효율을 갖는 두번째 샘플은 개선된 성장 레시피 (그림 2(b))를 사용하였으며, 그림 2(c)는 새로운 성장 공정으로 18.7 %의 효율을 갖는다. 유연성 기판위에 성장된 태양전지에서 18 % 이상의 효율은 처음으로 보고되는 것으로 평가된다. 태양전지의 전체 면적은 약 0.582 cm2, 712 mV의 개방회로 전압, 34.8 mA/cm2의 단락회로 전류밀도, 75.7 %의 FF, 효율은 18.7 %가 된다. 그림 2(d)는 측정된 전류-전압과 전력- 전압 곡선이다. 그림 2(e)는 외부 양자 효율 (EQE; External Quantum Efficiency)을 의미한다.
구성 프로파일을 분석하기 위해서, CIGS 레이어는 SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)로 조사되었고, 세 샘플의 Ga 프로파일이 그림 2(f)를 통해 볼 수 있다. 앞의 grading 부분 (Xf)과 뒤의 grading 부분 (Xb)으로 나뉘는데, 샘플A의 앞은 0.38, 샘플C는 0.16의 감소가 관찰됐다. 그러나 이 변화가 소자 효율에 미치는 영향은 작은 것으로 보인다. 샘플C에서 낮은 Ga의 성분이 상대적으로 넓고 평평한 부분에서 얻어지는 것을 XRD (X-ray Diffraction)을 통해 확인할 수 있으며, 이는 그림 2(g)에서 볼 수 있다. CIS 내에 Ga의 혼합은 더 작은 격자 상수의 결과를 낳고, 높은 회절 각을 야기시킨다. 따라서 graded Ga 프로파일은 특성 peak 프로파일의 결과를 낳게된다. 샘플 A에서, 더 낮은 회절 각 방향의 shoulder는 박막내의 Ga이 적은 구성비의 넓은 영역을 의미한다. 샘플 B는 이 shoulder가 main peak에 더 가깝고, 높아 적은 grading 프로파일을 의미한다. 샘플 C는 가장 좁은 peak를 가지므로, 전체적으로 가장 부드러운 Ga grading 프로파일을 갖는다.
그림 3(a), (b), (e)는 샘플 A, B, C 각각의 전류-전압 특성을 온도에 따라 측정한 결과이다. 낮은온도에서, 샘플A는 베리어의 효과가 명확히 드러나며, 샘플 B의 경우는 거의 드러나지 않고, 샘플 C에서는 측정이 되지 않는 것으로 나타났다. 이 특성은 베리어가 전자들을 반사하여, 가장 낮은 온도에서 샘플 A에서 측정된 것처럼, 이중 다이오드 곡선을 갖도록 한다. 그림 3(b), (d), (f)는 온도에 따른 전류-전압 특성을 시뮬레이션 한 결과이다. 측정값과 매우 흡사한 결과를 가지므로, 관찰된 효과는 위에서 언급한 grading 프로파일과 관련이 있음을 알 수 있다.
금속 포일이나 유리 기판보다 낮은 증착 온도를 요구하는 유연성 PI (polyimide) 박막위에 CIGS 흡수층의 성장을 조사하였다. 더 낮은 온도는 더 확실한 밴드갭 grading 프로파일을 갖도록 한다. 순방향 전압인가시, 더 가파른 (steeper) 밴드갭 변화는 흡수층내에 생성된 전자에 대해 더 강한 베리어를 유입시켜 재결합 손실을 증가시키고 낮은 변환 효율의 원인이 된다. 이 발견은 온도에 의한 전류-전압 측정에 의해 확인될 수 있고, 시뮬레이션을 통해 재확인 하였다. 소자공정과 시뮬레이션 방법등은 원문을 통해 비교적 자세히 묘사하고 있다.
출처 : http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3122.html
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