Cu(In1-xGax)Se₂박막의 화학적 제조 및 광기전 특성에 대한 연구
Chemical deposition of Cu(In1-xGax)Se₂thin films and their photovoltaic properties
- 발행기관 The Graduate School, Ajou University
- 지도교수 Kim, Seung-Joo
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011694
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
화합물 박막 태양전지의 광흡수층인 CIGS 박막의 비진공 제조방식은, 고가의 장비를 사용하는 진공 증착법의 단점을 극복할 수 있는 대안으로 주목을 받고있다. 이 연구에서는 용액상 볼밀법을 이용하여 CIGS화합물의 전구체를 간단하게 합성하고 이를 이용하여 비진공 방식으로박막을 제작하였다. 각 원소 분말 (Cu, In, Ga, Se) 을 조성비에 맞춰 용기에 넣고 용액과 함께 볼밀링을 하여 비정질의 콜로이드 전구체를 얻었다. 넣어주는 용매를 달리하여 각 용매가 콜로이드 용액의 분산성에 미치는영향을 확인하였다. 또한 원소 분말 중 셀레늄 양이 용액 점도에 미치는영향을 확인하여 스핀코팅에 적절한 전구체 용액의 제조 조건을 최적화하였다. 이 전구체를 이용하여 박막을 제조한 후, 온도에 따른 결정성 변화를 in-situ 고온 X-선 회절분석을 통해 고찰하였다. 비정질 특성을 띄는전구체는 150℃ 이상에서 칼코피라이트 구조로 결정화 되기 시작하였으며, 450℃ 부근에서 결정성이 급격히 증가하였다. CuIn_(1-x)Ga_(x)Se₂박막의 격자상수는 갈륨의 양 (x) 이 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 것을 관찰하였다. 즉, x = 0 일 때 a = 5.781(3) Å , c = 11.559 (3) Å 로부터 x = 0.7 일때 a = 5.641 (3) Å , c = 11.306(3) Å 이다. 또한 갈륨의 양 (x) 이 증가할수록 밴드갭이 증가함을 관찰하였다. (x = 0 일 때 1.03 eV 에서 x = 0.7 일 때 1.50 eV 로 변화) 두 결과 모두 이미 발표된 연구들과 일치함을 보였고이것은 이 연구에서 개발한 ―용액상 볼밀법‖을 이용하여 전구체를 합성 하고 박막을 제조하였을 때 조성의 제어가 적절히 이루어질 수 있음을의미한다. 조성이 Cu_(0.85)In_(0.7)Ga_(0.3)Se_(2) 인 박막을 사용하여 제작한 화합물 박막 태양전지 (glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/Al) 의 에너지 전환효율은 2.14 % 를 나타내었고 외부 양자 효율은 550 ㎚ 에서 최대 55 % 를 나타내었다.아울러 이러한 용액상 볼밀법은 CuIn_(1-x)GaxSe_(2) (CIGS) 이외에CuSn_(0.5)Zn_(0.5)Se_(2) 와 같은 다른 광흡수층 제조에도 쉽게 적용이 가능함을확인하였다.
more초록/요약
Non-vacuum deposition of CuIn_(1-x)GaxSe_(2) (CIGS) thin film, a light absorption layer in solar cell, have attracted attention because of their simplicity in process and cost competitiveness. In this work, a simple non-vacuum process is proposed for fabrication of CIGS film. We attained amorphous colloidal precursors through ball-milling starting materials –elemental Cu, In, Ga and Se powders –in presence of liquid medium. We optimized the dispersity and viscosity of colloidal precursors with varying the polarity of liquid medium and the amount of Se. We prepared the CIGS film by spin-coating the precursor on Mo substrate and then examined a thermal evolution of crystallinity of the film by in-situ high temperature X-ray diffractometer. The amorphous feature of the initial film was changed to the crystalline chalcopyrite structure above 150 ℃ and the crystallinity increased drastically around 450 ℃. As indium was substituted by gallium in CuIn1-xGaxSe2 thin film, lattice parameter gradually decreased, i.e. from a = 5.781(3) Å and c = 11.559(3) Å for x = 0 to a = 5.641(3) Å and c = 11.306(3) Å for x = 0.7. The increment of bandgap from 1.03 eV to 1.50 eV was observed as Ga amount (x) increased from 0.0 to 0.7. Both results are good agreement with previous reports,implying that the composition of the CIGS film could be successfully controlled by the ―ball milling in liquid medium‖process developed in this study. Energy conversion efficiency of the solar cell (glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/Al) fabricated with Cu_(0.85)In_(0.7)Ga_(0.3)Se_(2) absorption layer showed 2.14 %. The maximum external quantum efficiency (EQE) of the solar cell was 55 % at 550 ㎚. As a simple and less-toxic preparative route, this method would be applicable to other absorption layers such as CuSn_(0.5)Zn_(0.5)Se_(2) (CTZS) as well as CIGS.
more목차
Introduction 4
Experimental 13
Precursor preparation and analysis 13
Thin film preparation and analysis 15
Results and Discussion 18
Analysis of precursor properties 18
Structure analysis of thin film 21
Bandgap analysis of thin film 23
Morphology of thin film 26
Properties of CTZS 27
Photovoltaic properties of CIGS 28
Conculsion 30
Reference 32
국문요약 67
