전해도금법을 이용한 CZTS 박막 태양전지의 흡수층 형성

국문 초록 (Abstract)

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 4원계 혹은 CuInSe2 (CIS) 3원계 화합물 반도체 태양전지는 태양광 시장의 주류를 이루고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대신하여 태양광의 발전을 증가시킬 수 있는 저가의 고효율 태양전지 재료로써 부각되고 있었다. 그러나 CIGS에 포함되는 재료인 In, Ga, Se은 지구상에 매장량이 매우 적어 원재료의 비용이 매우 비싸며, 유해한 물질로서 그 한계성이 지적되고 있다. 이러한 CIGS의 한계를 극복할 수 있는 물질인 4원계 화합물 반도체인 Cu2ZnSnS4 (CZTS)의 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. CZTS는 CIGS에서 Ga와 In를 Sn과 Zn으로, Se을 S로 치환함으로써 합성할 수 있다. 또한 CZTS는 박막형 태양전지의 흡수층으로서 CIGS와 유사한 Kesterite 혹은 Stannite 구조를 가지며, 104 ㎝-1 의 높은 광흡수계수와 1.45-1.50 eV 의 직접 천이형 밴드 갭 에너지를 가지고 있다.
CZTS 박막을 합성하기 위하여 스퍼터링과 증발증착 같은 진공 기술뿐만 아니라 전해증착, sol-gel 방법, spray pyrolysis, 용액 합성법 같은 비진공 기술을 포함하여 다양한 제조 기술이 연구되고 있다. 지금까지의 연구에 의하면 스퍼터링 (Co-sputtering)과 황화 방법 (Sulfurization)을 통하여 제조된 CZTS 박막 태양전지가 최고 11.0 % 의 광 변환 효율을 나타내고 있다. 전해전착은 위와 같은 제조기술 중에서도 간편한 제조 공정과 생산단가 절감이라는 기대효과를 가져올 수 있으며, 증착 조건을 간단하게 변화시킴으로서 합금의 조성을 제어하기 쉽고, 원하는 미세구조와 화학적, 물리적 물성을 구현할 수 있다는 큰 장점이 있다.
본 연구에서는 Sulfate 계의 수용성 도금용액을 사용하여 Single Step법과 2 Step법, 3 Step법 등 적층 순서 및 방법에 따라 Cu, Zn, Sn 박막의 전해 도금을 진행하였다. Cu, Zn, Sn 박막의 전해 도금 후에 Chemical Bath Deposition (CBD) 법에 따라 Sodium Sulfate 수용액을 이용한 S의 화학적 증착과 열처리과정을 거쳐 CZTS 박막을 합성하였다. 전해전착에 의해 화학 양론적으로 CZTS 박막이 요구하는 조건인 2:1:1 비율에 가까운 CuZnSn 박막을 제조하였다. 박막의 평균 두께는 약 2 μm 이었으며, 표면의 미세구조는 비교적 치밀하고 균일한 구조를 형성하였다. 최종적으로 황화 방법을 이용하여 형성된 CZTS 박막은 표면 미세구조에서 S의 합성 전인 CuZnSn 박막보다 결정립의 크기가 더욱 크고 치밀하게 성장하였으며, Cu-Sn/Zn 박막, Cu/Sn/Zn 박막 두 박막 모두 CZTS 상이 존재하는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2-1. 화합물 박막형 태양전지 3
• 2-1-1. 화합물 박막형 태양전지 개요 3
• 2-1-2. Cu2ZnSnS4 (CZTS) 박막형 태양전지 8
• 2-2. 전해 도금법 14
• 2-2-1. 전해 도금법의 원리 14
• 2-2-2. 합금 도금의 이론 19
• 2-3. 도금 시뮬레이션 23
• 3. 실험방법 27
• 3-1. Cu, Zn, Sn 박막의 전해 도금 27
• 3-1-1. Single Step법 (Cu-Zn-Sn) 27
• 3-1-2. 2-Step 법 (Cu-Sn/Zn) 29
• 3-1-3. 3-Step 법 (Cu/Sn/Zn) 29
• 3-2. 전해도금 용액 분석 32
• 3-3. 합금 도금 시뮬레이션 32
• 3-4. 황화방법을 이용한 Cu2ZnSnS4 (CZTS) 박막의 합성 34
• 3-5. 박막의 조직 및 구조 분석 38
• 4. 결과 및 고찰 39
• 4-1. Cu, Zn, Sn 박막의 화학조성 및 미세구조 39
• 4-1-1. Single Step법 (Cu-Zn-Sn) 39
• 4-1-2. 2-Step 법 (Cu-Sn/Zn) 44
• 4-1-3. 3-Step 법 (Cu/Sn/Zn) 48
• 4-2. Cu, Zn, Sn 박막의 결정구조 분석 50
• 4-3. Cu-Sn 합금 도금 시뮬레이션 52
• 4-4. Cu2ZnSnS4 (CZTS) 박막의 화학조성 및 미세구조 56
• 4-5. Cu2ZnSnS4 (CZTS) 박막의 결정구조 분석 58
• 5. 최종결론 60
• References 62