CIGS 박막의 급속열처리 환경에 따른 CIGS 태양전지의 특성변화

김찬,이일수,김대환 한국물리학회 2012 새물리 Vol.62 No.3

Amorphous Cu(In,Ga)Se_2 (CIGS) films were deposited on molybdenum-coated soda-lime glass by using a co-evaporation method and were crystallized by using a rapid thermal process (RTP). Several different conditions for the RTP were used to investigate the effects of those conditions on the composition and the crystallization of the CIGS films. Less loss of selenium and more crystallization were observed in the CIGS film heat-treated at atmospheric pressure than in the film heat-treated in vacuum. In the film heat-treated with a glass cover, the loss of selenium was found to be even less, but the crystallization was not sufficient for use in CIGS solar cells. CIGS solar cells with a structure of AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo were fabricated with the CIGS films heat-treated under various conditions, and their characteristics were measured. The characteristics of the CIGS solar cells improved with the use of well-crystallized CIGS film. The energy conversion efficiency was largest for the CIGS solar cell with a CIGS film heat-treated at atmospheric pressure with no glass cover and with continuous argon flow. 몰리브덴이 증착되어 있는 유리기판 위에 비정질 Cu(In,Ga)Se_2 (CIGS)박막을 동시증발 방법으로 증착한 후 급속열처리 과정을 거쳐결정화시켰다. 이때 급속열처리 환경이 박막의 성분비와 결정화 정도에미치는 영향을 관찰하였다. 진공에서보다 상압에서의 열처리가 Se의소실은 줄이고, 결정 성장은 더 크게 만드는 것을 알 수 있었다. 그리고덮게 유리를 이용한 경우에는 Se의 소실은 줄일 수 있었지만 태양전지에사용할 정도로 결정성장이 충분히 되지 않는다는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 CIGS 박막들을 이용하여 AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo 구조의태양전지를 제작하고 특성을 확인하였다. CIGS 태양전지의 특성은 결정이크게 성장된 CIGS 박막을 이용한 태양전지에서 더 좋게 나왔으며, 덮게유리 없이 아르곤 가스가 흐르는 상압에서 열처리를 한 CIGS를 이용한태양전지 시료에서 가장 높은 에너지 변환효율인 4.0 %를 보여주었다.

CIGSe₂ 박막태양전지용 Mo 하부전극의 물리ㆍ전기적 특성 연구

최승훈(Seung-Hoon Choi),박중진(Joong Jin Park),윤정오(Jeong Oh Yun),홍영호(Young Ho Hong),김인수(In Soo Kim) 한국진공학회(ASCT) 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.3

CIGS 박막 태양전지 기판소재인 소다라임유리 표면에 플라즈마 전처리 후 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 Mo 박막을 제조하였다. 증착압력과 증착시간 변화에 따른 Mo 박막의 물리적, 전기적 특성을 분석하였고, 셀렌화 처리 조건에 따른 MoSe₂ 생성 여부와 경향성을 연구하였으며, Mo 박막 두께에 따른 AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 구조의 태양전지를 제조하여 그 특성을 분석 및 평가하였다. 증착압력이 4.9 mTorr에서 1.3 mTorr로 감소할수록 치밀하고 결정입자 사이의 공극이 적고, 증착속도가 감소하고 전기저항도가 낮은 Mo 박막이 증착되었다. 증착온도가 상온에서 200oC로 증가할수록 Mo 박막은 치밀한 구조를 가지고 결정성은 향상되어 면저항이 낮게 나타났다. 셀렌화 시간이 길어질수록 Mo 박막 층은 줄어들고, MoSe₂ 층 생성두께가 커지는 것을 알 수 있었고, 열처리로 인해 결정화 되면서 전체 박막의 두께가 줄어들었으며, MoSe₂ 층의 배양성은 c축이 Mo 표면과 수직 방향으로 성장된 것을 알 수 있었다. Mo 박막의 두께가 1.2 ㎛와 0.6 ㎛인 AZO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 구조로 이루어진 CIGS 박막 태양전지를 제조하였다. Mo 박막의 두께가 1.2 ㎛일 때 보다 0.6 ㎛일 때 CIGS 박막태양전지의 변환 효율은 9.46%로 비교적 우수한 특성을 나타났다. CIGS 박막 태양전지에서 하부전극인 Mo 박막 특성은 유리기판 및 광흡수 층과의 계면 형성 따라 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었고, 유리기판의 플라즈마 처리와 Mo 박막의 두께 조절로 Na 효과 및 MoSe₂층 형성 제어함으로써 CIGS 박막 태양전지의 특성 개선에 효과를 가질 수 있었다. In this Study, Mo back electrode were deposited as the functions of various working pressure, deposition time and plasma per-treatment on sodalime glass (SLG) for application to CIGS thin film solar cell using by DC sputtering method, and were analyzed Mo change to MoSe₂ layer through selenization processes. And finally Mo back electrode characteristics were evaluated as application to CIGS device after Al/AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG fabrication. Mo films fabricated as a function of the working pressure from 1.3 to 4.9mTorr are that physical thickness changed to increase from 1.24 to 1.27 ㎛ and electrical characteristics of sheet resistance changed to increase from 0.195 to 0.242 Ω/sq as according to the higher working pressure. We could find out that Mo film have more dense in lower working pressure because positive Ar ions have higher energy in lower pressure when ions impact to Mo target, and have dominated (100) columnar structure without working pressure. Also Mo films fabricated as a function of the deposition time are that physical thickness changed to increase from 0.15 to 1.24 ㎛ and electrical characteristics of sheet resistance changed to decrease from 2.75 to 0.195 Ω/sq as according to the increasing of deposition time. This is reasonable because more thick metal film have better electrical characteristics. We investigated Mo change to MoSe₂ layer through selenization processes after Se/Mo/SLG fabrication as a function of the selenization time from 5 to 40 minutes. MoSe₂ thickness were changed to increase as according to the increasing of selenization time. We could find out that we have to control MoSe₂ thickness to get ohmic contact characteristics as controlling of proper selenization time. And we fabricated and evaluated CIGS thin film solar cell device as Al/AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG structures depend on Mo thickness 1.2 ㎛ and 0.6 ㎛. The efficiency of CIGS device with 0.6 ㎛ Mo thickness is batter as 9.46% because Na ion of SLG can move to CIGS layer more faster through thin Mo layer. The adhesion characteristics of Mo back electrode on SLG were improved better as plasma pre-treatment on SLG substrate before Mo deposition. And we could expect better efficiency of CIGS thin film solar cell as controlling of Mo thickness and MoSe₂ thickness depend on Na effect and selenization time.

CuInGaSe2 단일 타겟을 이용한 대면적 CIGS 스퍼터링 박막의 특성

김태원(Kim, TaeWon),김영백(Kim, YoungBaek),송상인(Song, SangIn),박재철(Park, JaeCheol) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

CuInGaSe2 (CIGS)을 포함한 Chalcopyrite계 물질은 직접천이형 반도체이면서, {sim}1{times}10⁵cm^{-1} 이상의 광흡수계수를 보이며, 조성제어를 통한 밴드갭 조절이 가능해 차세대 고효율 박막태양전지재료로 매우 주목받고 있다. 최근, CIGS 박막태양전지 제조를 위해 CIGS 흡수층의 여러 가지 박막제조 공정들이 개발되고 있으나, 동시증착법과 소위 2단계법이라 일컬어지는 금속 전구체 스퍼터링 증착 후 셀렌화 공정을 가장 대표적인 공정이라 말 할 수 있다. 동시증착법은 실험실 수준의 소면적 셀에서 20%에 가까운 높은 효율의 CIGS 박막태양전지 제조에 성공하였음에도 불구하고, 상용화를 위한 대면적 셀 제조를 위해 해결해야 할 문제들이 아직 남아있다. 또한, 2단계법의 경우는 스퍼터링 공정을 기반으로 대면적 셀 제조에는 용이하나, CIGS/Mo 계면에서의 Ga 응집현상의 발생 및 셀렌화 공정에 사용되는 독성가스(H₂Se)의 문제 등이 남아 있어 새로운 시각에서의 접근 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 CIGS 4성분계 단일 타겟을 사용, RF 스퍼터링 공정을 통해 200{times}200mm² 기판 위에 CIGS 박막을 제조하여 그 특성을 분석하였다. XRD 분석결과, 동시증착법에서 일반적으로 관찰되는 CIGS/Mo 계면에서의 MoSe₂ 상의 존재는 관찰되지 않았으며, CIGS 단일상의 다결정 박막이 제조되었음을 알 수 있었다. 또한, CIGS 박막제조 후, RTA 공정을 통해 CIGS 박막의 결정성이 향상됨을 관찰 할 수 있었으며, SIMS 분석결과, Mo층의 공정 조건에 따라 CIGS/Mo 계면에서의 금속원소 (In, Ga, Mo)의 상호확산이 크게 억제됨을 알 수 있었다. 그 외의 특성평가 결과들을 통하여 CIGS 4성분계 단일 타겟을 사용한 CIGS 박막태양전지 제조의 유용성에 대해 논의하고자 한다.

Synthesis of the single phase CIGS particle by solvothermal method for solar cell application

Gu, Sin-Il,Shin, Hyo-Soon,Yeo, Dong-Hun,Hong, Youn-Woo,Nahm, Sahn Elsevier 2011 Current Applied Physics Vol.11 No.1

<P><B>Abstract</B></P><P>Uniform CIGS powder synthesis is required more these days to produce CIGS solar cell using thick film process. Solvothermal CIGS powder synthesis method, among other synthesis methods, is mainly used because it is simple and easy for mass production. But all CIGS synthesis result reported up to now are mixed with CIS, CIGS and CGS, and there was no result that reported single phase CIGS synthesis. Especially, comparable single phase CIGS was synthesized in the CIGS powder synthesis using metal source, but small amount of CIS powder were still remained. In this study, we examined the CIGS synthesis paths in solvothermal method, and synthesize single phase CIGS. CGS seed was synthesized using Cu, In, GaCl<SUB>3</SUB>, Se sources by keeping 12 h at 180 °C, and we were able to synthesize single phase CIGS by keeping it for 24 h at raised temperature of 230 °C. The synthesized CIGS formed uniform particles with its size of less than 100 nm, and was shown in strong agglomeration.</P> <P><B>Highlights</B></P><P>► CIGS powder synthesis is required more these days to produce CIGS solar cell using thick film process. ► The CIGS synthesis paths in solvothermal method, and synthesize single phase CIGS. ► The CIGS formed uniform particles with its size of less than 100 nm.</P>

도시 생활구조물 활용을 위한 CIGS 태양전지 심미성 향상 제품디자인 개발융합연구

조재윤,장희수,정제윤,남원석,장중식 한국융합학회 2020 한국융합학회논문지 Vol.11 No.4

본 논문은 도시 생활구조물 활용을 위한 CIGS 태양전지 심미성 향상 제품디자인 개발융합연구로써, 기존 태양 전지 패널의 문제점을 파악하고 제품디자인의 심미성 요소를 바탕으로 설문조사와 FGD [전문가 집단 토론]를 통해 CIGS 태양전지 심미성 향상을 위한 전문적인 심미성 요소를 도출하였다. 도출된 심미성 요소 중 ‘환경 조화성’, ‘패턴 균형성’, ‘시대 보편성’ 이렇게 상위 3종을 콘셉트로 제품 디자인 프로세스를 진행하여 심미성 향상을 위한 CIGS 태양전 지 모듈 디자인과 어셈블리 디자인을 도출하였으며, 제품 시뮬레이션을 통해 아파트, 베란다와 창호, 스트릿퍼니처에 적용했다. 본 연구는 추후 실제 도시 생활구조물에 활용해 심미성과 CIGS태양전지의 기능을 적용하기에 적합하며, 향 후 연구방향은 다양한 패턴과 구조적 디자인개발에 관한 연구가 필요하다. This paper is a product design convergence study to improve the aesthetic quality of CIGS solar cells for utilizing urban living structures, identifying problems of existing solar cell panels and drawing expert aesthetic elements for improving CIGS solar cells through survey and [Group discussion of experts] based on aesthetic elements of product design. Out of the aesthetic elements derived, the top three models of the product design process were 'environmental harmonization', 'pattern balance', and 'period universality' to derive the design and assembly design of the CIGS solar cell module for improving aesthetic quality, and applied to apartments, veranda, windows, and streetcar through product simulation. This study is suitable for applying aesthetic and CIGS solar cell function later to actual urban living structure, and future research direction needs to be studied on various patterns and structural design development of design.

Enhanced Photoresponse of Cu(In,Ga)Se2/CdS Heterojunction Fabricated Using Economical Non-Vacuum Methods

Suhash R. Dey,Sreekanth Mandati,Bulusu V. Sarada,Shrikant V. Joshi 대한금속·재료학회 2015 ELECTRONIC MATERIALS LETTERS Vol.11 No.4

1. INTRODUCTION Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) based solar cells have yielded highest conversion efficiencies (≈21%) among thin-film technologies due to their suitable direct bandgap and large optical absorption coefficient.[1-7] The most efficient CIGS devices have been known to use CdS as the buffer layer to yield a heterojunction that improves absorption in the space charge region and field assisted electron hole separation, while minimizing detrimental interface recombination.[8,9] In pursuit of scalable methods to realize commercialization of these devices, electrodeposition has been proven to be one of the simplest and economical methods, yielding CIGS based cells with high efficiencies ranging from 13 - 16% with CdS being deposited using chemical bath deposition (CBD) technique.[10-14] Conventional direct current electrodeposition of CIGS films employing a three-electrode system often requires multisteps and/or use of complexing agents during deposition, followed by selenization of electrodeposited precursor layer to obtain stoichiometric chalcopyrite CIGS films.[11,13,15] Several reports have also appeared on electrodeposition of CIS/CIGS films without selenization; however, The present study demonstrates the fabrication of a CIGS/CdS heterojunction with enhanced photoelectrochemical performance using low-cost non-vacuum methods. A simplified economical pulse electrodeposition technique, with a two-electrode system in an additive-free electrolyte, has been used for the preparation of chalcopyrite Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin-films avoiding the selenization process and CdS subsequently chemical bath deposited onto these CIGS films. Photoelectrochemical (PEC) performance of bare CIGS and the CIGS/CdS heterojunction has been investigated in conventional Na2SO4 electrolyte under chopped solar simulated light. The PEC analysis reveals nearly twenty-fold increase in the photoresponse of the CIGS/CdS heterojunction compared to bare CIGS films. The CIGS/CdS junction has also been tested in a PEC cell using a novel sulphide/sulphite electrolyte for the first time and found to yield further enhancement in photocurrent density with exceptional stability. Thus, apart from fabrication of an efficient CIGS/CdS heterojunction economically, the present study proposes use of a novel electrolyte yielding superior performance and showing potential for commercialization of CIGS devices and their use in photoelectrochemical cells.

새로운 HVT 성장방법을 이용한 CIGS 결정성장

이강석,전헌수,이아름,정세교,배선민,조동완,옥진은,김경화,양민,이삼녕,안형수,배종성,하홍주,Lee, Gang-Seok,Jeon, Hun-Soo,Lee, Ah-Reum,Jung, Se-Gyo,Bae, Seon-Min,Jo, Dong-Wan,Ok, Jin-Eun,Kim, Kyung-Hwa,Yang, Min,Yi, Sam-Nyeong,Ahn, Hyung-Soo 한국결정성장학회 2010 한국결정성장학회지 Vol.20 No.3

높은 광흡수 계수를$(1{\times}10^5cm^{-1})$ 가지는 CIGS는 Ga의 비율에 따라서 밴드갭을 조절할 수 있다는 장점을 지니고 있다. CIGS의 밴드갭은 Ga의 비율에 따라 $CuInSe_2$(Eg: 1.0 eV)에서 $CuGaSe_2$(Eg: 1.68 eV)까지의 범위에 존재하며, 태양전지에 서 이상적인 fill factor 모양을 가지도록 Ga의 비율을 높게 조성한다. CIGS 흡수층을 제작하는 방법에는 co-evaporator 방식이 가장 널리 사용되며 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 수평 형태의 hydride vapor transport (HVT)법을 고안하여 CIGS 나노 구조 및 에피성장을 시도하였다. HVT법은 $N_2$ 분위기에서 원료부의 CIGS 혼합물을 HCl과 반응시켜 염화물 기체상태로 변환 후 growth zone까지 이동하여 성장을 하는 방식이다. 성장기판은 c-$Al_2O_3$ 기판과 u-GaN을 사용하였다. 성장 후 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM)과 energy dispersive spectrometer(EDS)를 이용하여 관찰하였다. The Cu$(In_{1-x}Ga_x)Se_2$ is the absorber material for thin film solar cell with high absorption coefficient of $1{\times}10^5cm^{-1}$. In the case of CIGS, the movable energy band gap from $CuInSe_2$ (1.00 eV) to $CuGaSe_2$ (1.68 eV) can be acquired while controlling Ga contain ratio. Generally, the co-evaporator method have used for development and fabrication of the CIGS absorption layer. However, this method should need many steps and lengthy deposition time with high temperature. For these reasons, in this paper, a new growth method of CIGS layer was attempted to hydride vapor transport (HVT) method. The CIGS mixed-source material reacted for HCl gas in the source zone was deposited on the substrate after transporting to growth zone. c-plane $Al_2O_3$ and undoped GaN were used as substrates for growth. The characteristics of grown samples were measured from SEM and EDS.

초경량 CIGS계 유연 박막태양전지 고효율화 및 활용 기술

김기환,정인영,조윤애,신동협,송수민,안승규,어영주,조아라,조윌렴,김진혁,최벽파,곽지혜,윤재호 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)계 태양전지는 기판에 대한 폭넓은 선택지를 제공하여, 기존의 소다유리기판을 탈피한 다양한 유연/경량 기판에서 20% 상회하는 효율을 보여주고 있다. 이러한 기술적 진보는 유연/경량 CIGS 태양전지를 기반으로 한 BIPV 및 이동 전원과 같은 응응 기술 발전을 가속화시키고 있다. 본 발표에는 경량 기판으로 각광받고 있는 Polyimide (PI) 기판을 적용한 유연/경량 CIGS 박막태양전지 기술에 대해서 살펴보고자 한다. CIGS 박막 태양전지를 PI 기판 위에 안정적으로 구현하기 위해서는, 광흡수층인 CIGS 박막의 기계적 특성 유지를 위한 저온공정 적용이 필수적이다. 본 연구에서는 PI 기판 위에서 고품위 CIGS 박막태양전지 형성을 위한 저온 CIGS 광흡수층 증착 기술과 효율 향상을 위한 외인성 알칼리 주입 기술에서 대하여 논하고자 한다. 다양한 차세대 소재/소자 분석 기술을 접목하여 PI 기판 위 형성된 CIGS 박막의 특성을 파악하였으며, 나아가 이를 바탕으로 차세대 극초경량 고효율 CIGS 태양전지 개발 및 초경량 태양광모듈 구현도 함께 다루고자 한다.

커튼월 적용을 위한 CIGS 박막 모듈의 특성 분석 연구

강준구(Kang, Jun-Gu),장현호(Jang, Hyun-Ho),김진희(Kim, Jin-Hee),김준태(Kim, Jun-Tae) 한국태양에너지학회 2013 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.4

In this study, three different types of experimental models of BIPV curtain wall units with CIGS modules were built, and their thermal and electrical performances were analyzed. The experimental results showed that the temperature of the rear side of the CIGS module with the application of an insulation in the curtain wall spandrels was higher than a CIGS module standalone by 22℃, which results in a reduction in the power generation of the former by 8.3 % at most. Accordingly, when ventilation was applied to the model to improve the power generation performance, the module temperature was observed to be 14.2 ℃ lower compared to the enclosed type, and the power generation performance improved by 5 %. It confirmed that the temperature increase in the rear side of the CIGS module with insulation layer reduced the electrical performance of the module. Based on this, it is claimed that providing sufficient ventilation at the CIGS applied spandrels contribute to improve the power generation of the CIGS module.

Fabrication and Characterizations of CIGS Powder Evaporated Thin Films

서정대(Suh, Jeong-Dae),송기봉(Song, Ki-Bong),함창우(Ham, Chang-Woo),안세진(Ahn, Se-Jin),윤재호(Yoon, Jae-Ho),윤경훈(Yoon, Kyung-Hoon) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

We have fabricated CIGS thin film absorber layers by the evaporation of CIGS powders which were synthesized by solutions with different atomic ratio compositions. We found that the polycrystalline structural properties and optical properties of the deposited CIGS thin films were strongly dependent on the CIGS powder synthesis solution compositions. For three different solution compositions, Cu:In:Ga:Se= 4:3:1:8, 8:3:1:8, 12:3:1,8, the deposited thin film crystalline structures were varied form InSe crystalline structure to CIGS chalcopyrite structures. Our results showed that CIGS powder evaporation is potential for the one step fabrication process for CIGS thin film absorber layer deposition.