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O2 플라즈마 처리된 PET 기판 위에 성장시킨 CBD-CdS박막의 특성에 관한 연구
이경원 강원대학교 산업대학원 2009 국내석사
현재 상용화되고 있는 태양 전지는 대부분 단결정 (single- 또는 mono- crystalline) 과 다결정 (mult- 또는 poly-crystalline) 결정구조인 결정형 Si 태양전지다. 하지만 결정형 Si-wafer 제조비용이 태양전지 원가 대비 상당한 부분을 차지하고 있어 저가의 태양전지를 대량으로 보급하는데 어려움이 있다. 박막형 태양전지는 이러한 어려움을 극복할 수 있으며 특히 태양전지 대부분의 기판 재료인 유리를 저가의 폴리머로 대체할 수 있다면 태양전지를 널리 보급할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서 태양전지 창층으로 선정한 CdS 박막의 제조법으로는 spray pyrolysis, 진공 증착법(Vacuum Evaporation), CBD(Chemical Bath Deposition)법 등이 있다. 이러한 방법들 중 CBD법의 경우 박막제작이 용이할 뿐만 아니라 저렴한 가격으로 대면적의 태양전지를 제작할 수 있다. 현재 박막형 태양전지는 다양한 제조방법으로 유리를 기판으로 하여 박막을 형성하고 있다. 폴리머 기판은 유리 기판에 비해 유연성이 뛰어나고 가볍고 가격이 저렴한 것 등 여러 가지 장점이 있기 때문이다. 하지만 폴리머 기판은 낮은 표면 에너지로 인해 증착될 박막과의 접착력이 매우 낮은 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 폴리머 표면을 개질할 필요가 있다. 본 논문에서는 폴리머 기판의 표면을 플라즈마 처리한 후, CBD법을 이용하여 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 태양전지의 창층으로 사용되는 CdS 박막을 제조하고, 기판의 플라즈마 처리에 따른 박막 특성을 조사함으로서 태양전지의 광투과층으로 적합한 제조조건을 제시하고자 하였다. Cadmium sulphide (CdS) films were successfully prepared on PET substrate by chemical bath deposition (CBD) technique, after the PET substrate was pre-treated with O₂ plasma by inductively coupled plasma (ICP) in order to improve adhesion between CdS film and PET substrate. The substrate material in order to deposit CdS thin films by CBD has made extensively use of glass. The Glass is heavy, fragileand expensive in comparison the polymer such as polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polymethyl methacrylates (PMMA). However, surface of polymer materials is generally characterized by a low surface energy and hence poor adhesive properties. In order to improve adhesion between the polymer substrate and the deposited film, the surface of the polymer must be modified. The surface characterizations of pre-treated PET substrate were carried out by water contact angle (WCA) and atomic force microscopy (AFM) studies. The results of these studies confirm that the surface of pre-treated substrate is changed from hydrophobic into hydrophilic. The structural properties of CdS films were determined by scanning electron microscopic (SEM) and X-ray diffraction (XRD). CdS films deposited on pre-treated substrate is formed a compact and granular structure.
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화학적으로 증착된 CdS 박막의 반응 온도에 따른 물성에 관한 연구
옥윤관 삼척대학교 산업대학원 2006 국내석사
본 연구는 CBD법을 이용하여 태양전지의 광투과층으로 사용되는 CdS박막의 제조시 반응온도에 대해서 최적의 온도를 찾기 위하여, 반응온도별로 CdS박막 시편을 제조하여, 박막의 구조적·광학적·전기적 특성을 조사하고 분석 하였다. 또한 그 결과로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1. 반응온도가 증가함에 따라 용액 내에서의 반응속도 증가로 인해 CdS 박막의 성장속도가 증가하였다. 2. 반응온도가 증가함에 따라서 박막 내 CdS 입자 크기는 커진다. 3. CdS 박막의 전기 비저항은 반응온도에 따라 큰 변화가 없다. 4. 가시광 영역에서의 광투과율은 온도 증가에 따라 향상되었으나, 85℃ 이상의 온도에서는 박막 내에 형성된 void와 표면에 흡착된 CdS 미립자들로 인해 오히려 감소하게 된다. 5. 광학적 밴드 갭의 경우 반응온도 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. In this paper, CdS thin films, which were widely used window layer of the CdS/CdTe and the CdS/CuInSe_(2) heterojunction solar cell, were grown by chemical bath deposition, and the structural, optical and electrical properties of the films on reaction temperatures were investigated. Cadmium acetate and thiourea were used as cadmium and sulfur source, respectively. And Ammonium acetate was used as the buffer solution. As the reaction temperatures were increased, the deposition rate of CdS films prepared by CBD was increased and the grain size was large due to increasing reaction velocity in solution, also optical transmittance of the films in visible lights was increased on rising reaction temperatures.
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Research on new process and buffer layer materials for CIGS thin film solar cells
CdS(Cadmium Sulfide) 박막은 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막태양전지에 버퍼층으로 사용되며, 화학용액증착법(Chemical Bath Deposition; CBD)에 의해 제조된다. 제조 공정에서 발생하는 독성 중금속 물질인 카드뮴의 오폐수 처리 문제는 CIGS 태양전지의 친환경적 에너지 이용에 큰 단점으로 지적된다. 따라서, CBD 공정에서 발생하는 카드뮴 폐수 발생을 최소화하기 위한 공정 기술의 개발과 카드뮴을 포함하지 않는 대체 버퍼층에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 건식 박막제조 공정인 고주파 마그네트론 스퍼터링 법을 사용하여 CdS 박막을 제조하였고, ZnS와 In2S3 박막을 성장시켜 기존 CdS 버퍼층 공정에서 발생되는 문제점의 개선과 새로운 버퍼층 재료에 대한 특성 연구를 수행하였다. CdS 버퍼층의 스퍼터링 파워와 기판온도에 변화에 따른 구조적 특성을 분석한 결과, 증착한 모든 박막에서 (002) hexagonal(H) 상과 (111) cubic(C) 상이 혼재된 다결정 구조를 가지는 것을 관찰하였다. 파워 및 기판온도 증가에 따라 hexagonal상이 우선 지배적으로 성장하였으며, 주 피크의 상대적 세기는 120W와 350℃에서 최댓값을 나타내었다. 결정 입자 크기 또한 두 공정변수에 따라 증가하는 경향을 보여 주었으며, 이는 미세 이미지 분석 결과와도 일치하였다. 광학적 특성을 보여주는 광 투과율의 변화는 구조적 특성 결과를 따르는 경향을 나타내었으며, 밴드 갭 에너지는 3.44eV(60W)에서 2.42eV(120W)로 파워 증가와 함께 감소하였고, 기판온도에 따라서는 2.41eV(상온)에서 2.44eV(250℃)로 증가하였다. 120W와 350℃공정 조건에서 증착한 CdS 박막의 화학적 성분비는 화학양론적 구성비(1:1)에 매우 근접하는 결과를 보여주었다. ZnS 박막의 경우, 증착 조건에 관계없이 2θ=28.49°부근에서 (111)면 우선방향성을 갖는 단일 피크가 관찰되었으며, 파워와 기판온도 증가에 따라 주 회절피크는 증가하는 경향을 나타내었다. 120W와 350℃에서 회절 강도와 결정입자 크기는 최댓값에 도달하였고, 두 공정조건의 증가에 따라 광 투과율 값은 향상되었다. 밴드 갭 에너지는 120W에서 3.47eV, 350℃에서 3.79eV로 변화하였다. In2S3 박막의 경우, (109)면에 대한 우선 방향성과 다결정 β-In2S3 상을 형성하였으며, 스퍼터링 파워의 증가에 따라 주 피크의 상대적 세기가 증가하였다. β-In2S3 박막의 S/In의 비율은 60W에서 1.55, 120W에서 1.36으로 나타나 화학적 조성비가 파워증가에 밀접하게 의존하는 것을 확인하였다. 특히, 높은 증기압에 따른 S의 휘발은 In2S3 박막을 제조하는데 있어 반드시 제어되어야 하는 공정변수로써 다양한 증착 조건에 따른 화학양론적 조성을 가진 In2S3 박막의 제조와 특성 변화에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 결과를 통해 스퍼터링 파워와 기판온도가 CdS, ZnS, In2S3 박막의 구조 및 광학적 특성과 양질의 버퍼층 제조에 영향을 미치는 주요 공정 변수임을 확인하였다.
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