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물리학과 첨단기술 July/August 2008 20 화합물 박막 태양전지 윤 재 호 저자약력 윤재호 박사는 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과에서 CdTe 화합물 박 막 태양전지의 후면전극 형성 및 열안정성 연구로 박사(1999-2004) 학위 를 취득하였다. 졸업 후 현재까지 한국에너지기술연구원에서 CIGS 박막 태양전지에 대한 연구를 수행하고 있다. ([email protected]) 그림 1. 태양전지 재료별 흡수계수. 참고문헌 [1] Ingrid Repins, Miguel A. Contreras, Brian Egaas, Clay DeHart, John Scharf, Craig L Perkins, Bobby To and Rommel Noufi, Prog. Photovolt: Res. Appl. (2008) DOI: 10.1002/pip.822. [2] X.Wu, J.C. Keane, R.G. Dhere, C. DeHart, D.A. Albin, A. Duda, T.A. Gessert, S. Asher, D.H. Levi, and P. Sheldon, Proc. of 17th Eurepoan Photovoltaic Solar Energy Confernece, Munich, Germany, 995 (2001). [3] The Future of Thin Film Solar, Vol. 1, No. 1, August 2007, Greenthechmedia. 태양전지 소재 2007년 2010년 2015년 제조단가 ($/W) (효율 %) 제조단가 ($/W) (효율 %) 제조단가 ($/W) (효율 %) 결정질 실리콘 (c-Si) 초고효율 단결정 $2.96 (17.5%) $1.80 (22%) $1.50 (24%) 단결정 $2.77 (14.2%) $2.00 (20%) $1.40 (20%) 다결정 $2.77 (13.8%) $1.95 (17%) $1.40 (19%) 리본/쉬트 다결정 $2.77 (13.0%) $1.60 (16%) $1.20 (18%) 박막 비정질 실리콘(a-Si) $2.34 ( 7.0%) $1.00 ( 7.5%) $0.75 (10.0%) CdTe $1.28 ( 9.4%) $0.90 (10.0%) $0.80 (11.0%) CIGS - $1.00 (11.5%) $0.75 (13.0%) Dye & Organic - - $0.60 ( 7.0%) Stable Market Price $2.50 ∼ 4.00 $1.59 ∼ 2.55 $1.39 ∼ 2.00 그림 2. 소재별 태양전지 모듈 제조단가 예측. [3] 화합물 박막 태양전지의 개요 온실 가스 배출 및 화석연료의 공급 불안정 문제로 인하여 무한정의 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지 에 대한 관심이 급증하고 있다. 이로 인해 전 세계 태양전지 시장은 연평균 35-40%의 가파른 상승세를 보이고 있다. 현재 태양전지 시장의 주종은 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전 지이다. 하지만 결정질 실리콘은 기판 소재 비용이 전체 가격 대비 차지하는 비중이 높고 잉곳-웨이퍼-전지-모듈 등의 단속 적이고 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 가격 저감에 있어 서 한계가 있다. 또한 최근의 실리콘 원소재 가격 급등은 전체 적인 태양광 발전 시스템의 발전단가에 부담이 되고 있다 . 이러한 문제를 극복하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이 는 기술과 함께 박막형 태양전지가 대안으로 제시되고 있다. 막 태양전지는 수 μm의 박막을 태양전지 광흡수층으로 이용함 으로써 원소재 소모가 극히 적으며, 반도체 공정을 사용하기 때 문에 연속공정이 가능하다. 또한 유리 , 금속 등의 기판을 사용하 게 되면 저가의 건물일체형 태양전지 모듈도 제조할 수 있다. 박막 태양전지는 광흡수층 소재에 따라 실리콘 박막, 화합물 박막 태양전지로 구분되며 , I-III-VI2 화합물인 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지와 II-VI족 화합물인 CdTe 태양전지가 화합물 박막 태양전지에 포함된다 . 또한 CIGS, CdTe 모두 Se, Te 등의 VI족 원소를 사용하기 때문에 칼코지나이드계 (Chalcogenide Photovoltaic material) 소재로 표현되기도 한다 . 실리콘 소재를 이용한 태양전지와 비교하였을 때 화합물 박막 태양전지는 소재 물성과 구조에 있어서 다음과 같은 차 이점이 있다. [그림 1]에서와 같이 CIGS, CdTe 등의 화합물 반도체는 실리콘 소재와 비교하여 광흡수계수가 매우 높다. 광흡수계수가 높다는 것은 얇은 두께의 광흡수층으로도 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다는 것이다. 이는 원소재의 소비를 줄이고자 하는 박막 태양전지의 개념에 화합물 박막 태양전 지가 잘 부합된다는 것을 의미하며 실리콘 박막 태양전지보 다 효율이 높은 원인이기도 하다. CIGS 박막 태양전지와

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  • 물리학과 첨단기술 July/August 2008 20

    화합물 박막 태양전지

    윤 재 호

    저자약력

    윤재호 박사는 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과에서 CdTe 화합물 박막 태양전지의 후면전극 형성 및 열안정성 연구로 박사(1999-2004) 학위

    를 취득하였다. 졸업 후 현재까지 한국에너지기술연구원에서 CIGS 박막

    태양전지에 대한 연구를 수행하고 있다. ([email protected])

    그림 1. 태양전지 재료별 흡수계수.

    참고문헌

    [1] Ingrid Repins, Miguel A. Contreras, Brian Egaas, Clay DeHart,

    John Scharf, Craig L Perkins, Bobby To and Rommel Noufi,

    Prog. Photovolt: Res. Appl. (2008) DOI: 10.1002/pip.822.

    [2] X.Wu, J.C. Keane, R.G. Dhere, C. DeHart, D.A. Albin, A.

    Duda, T.A. Gessert, S. Asher, D.H. Levi, and P. Sheldon,

    Proc. of 17th Eurepoan Photovoltaic Solar Energy Confernece,

    Munich, Germany, 995 (2001).

    [3] The Future of Thin Film Solar, Vol. 1, No. 1, August 2007,

    Greenthechmedia.

    태양전지 소재2007년 2010년 2015년

    제조단가 ($/W)(효율 %)

    제조단가 ($/W)(효율 %)

    제조단가 ($/W)(효율 %)

    결정질 실리콘 (c-Si)초고효율 단결정 $2.96 (17.5%) $1.80 (22%) $1.50 (24%)단결정 $2.77 (14.2%) $2.00 (20%) $1.40 (20%)다결정 $2.77 (13.8%) $1.95 (17%) $1.40 (19%)리본/쉬트 다결정 $2.77 (13.0%) $1.60 (16%) $1.20 (18%)

    박막비정질 실리콘(a-Si) $2.34 ( 7.0%) $1.00 ( 7.5%) $0.75 (10.0%)CdTe $1.28 ( 9.4%) $0.90 (10.0%) $0.80 (11.0%)CIGS - $1.00 (11.5%) $0.75 (13.0%)Dye & Organic - - $0.60 ( 7.0%)

    Stable Market Price $2.50 ∼ 4.00 $1.59 ∼ 2.55 $1.39 ∼ 2.00

    그림 2. 소재별 태양전지 모듈 제조단가 예측.[3]

    화합물 박막 태양전지의 개요

    온실 가스 배출 및 화석연료의 공급 불안정 문제로 인하여

    무한정의 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 태양전지

    에 대한 관심이 급증하고 있다. 이로 인해 전 세계 태양전지 시장은 연평균 35-40%의 가파른 상승세를 보이고 있다. 현재 태양전지 시장의 주종은 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전

    지이다. 하지만 결정질 실리콘은 기판 소재 비용이 전체 가격 대비 차지하는 비중이 높고 잉곳-웨이퍼-전지-모듈 등의 단속적이고 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 가격 저감에 있어

    서 한계가 있다. 또한 최근의 실리콘 원소재 가격 급등은 전체적인 태양광 발전 시스템의 발전단가에 부담이 되고 있다.이러한 문제를 극복하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이

    는 기술과 함께 박막형 태양전지가 대안으로 제시되고 있다. 박막 태양전지는 수 μm의 박막을 태양전지 광흡수층으로 이용함으로써 원소재 소모가 극히 적으며, 반도체 공정을 사용하기 때문에 연속공정이 가능하다. 또한 유리, 금속 등의 기판을 사용하게 되면 저가의 건물일체형 태양전지 모듈도 제조할 수 있다.박막 태양전지는 광흡수층 소재에 따라 실리콘 박막, 화합물

    박막 태양전지로 구분되며, I-III-VI2 화합물인 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지와 II-VI족 화합물인 CdTe 태양전지가 화합물 박막 태양전지에 포함된다. 또한 CIGS, CdTe 모두 Se, Te 등의 VI족 원소를 사용하기 때문에 칼코지나이드계(Chalcogenide Photovoltaic material) 소재로 표현되기도 한다.실리콘 소재를 이용한 태양전지와 비교하였을 때 화합물

    박막 태양전지는 소재 물성과 구조에 있어서 다음과 같은 차

    이점이 있다. [그림 1]에서와 같이 CIGS, CdTe 등의 화합물 반도체는 실리콘 소재와 비교하여 광흡수계수가 매우 높다. 광흡수계수가 높다는 것은 얇은 두께의 광흡수층으로도 빛을

    효과적으로 흡수할 수 있다는 것이다. 이는 원소재의 소비를 줄이고자 하는 박막 태양전지의 개념에 화합물 박막 태양전

    지가 잘 부합된다는 것을 의미하며 실리콘 박막 태양전지보

    다 효율이 높은 원인이기도 하다. CIGS 박막 태양전지와

  • 물리학과 첨단기술 July/August 2008 21

    Thick, Materials Process

    3μm, Al / 50nm, Ni E-beam evaporation

    AR layer 100nm, MgF2 E-beam evaporation

    500nm, n-ZnO / 50nm, i-ZnO RF sputtering

    50nm, CdS, In(OH,S) CBD

    1.5-3μm, Cu(In,Ga)Se2 Co-evaporation, sputtering

    1μm, Mo DC sputtering

    2-3mm, glass cleaning

    Back contact

    Substrate

    Grid

    Window layer

    Buffer layer

    Absorber layer

    그림 3. CIGS 박막 태양전지 기본구조.

    ZnO

    Mo

    CIGS

    CdS

    1차 scribing

    2차

    3차

    ZnO

    Mo

    CIGS

    CdS

    1차 scribing

    2차

    3차

    그림 4. CIGS 박막 모듈의 구조.

    참고문헌

    [4] Granata, J. E., Sites, J. R., Proc. of the Second World Conf.

    on Photovoltaic Energy, Conversion, New York (1998).

    [5] Nakada, T., Iga, D., Ohbo, H., Kunioka, A., Jpn. J. Appl.

    Phys. 36, 732 (1997).

    [6] Probst, V., Rimmasch, J., Kaisdr, M., Schaffler, R., Walter,

    T., Schock, H. W., Proc. of the First World Conf. on

    Photovoltaic Energy, Conversion (IEEE, New York, 1994), p.144.

    CdTe는 미국의 NREL이 각각 19.9%,[1] 16.5%[2]의 실험실 최고 효율을 달성하였

    고 [그림 2]에서 나타난 바와 같이 실리콘 박막에 비

    해 모듈 효율이 높을 것으

    로 전망되고 있다. 구조의 측면에서 가장 큰 차이점은 동

    일한 물질로 p-n 접합을 구성하는 것이 아니라 n-type CdS라는 반도체와의 이종접합(Hetero-junction)을 형성한다는 것이다. 따라서 CdS 박막의 특성 및 이종접합의 계면 특성이 태양전지의 특성을 결정하는 중요한 요소가 된다. CIGS 박막 태양전지와 CdTe 박막 태양전지는 이러한 공통점뿐만 아니라 차이점 또한 존재하는데 구체적인 특성은 다

    음과 같다.

    CIGS 박막 태양전지

    CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 구조는 [그림 3]과 같다. 일반적으로 유리를 기판으로 5개의 단위 박막-배면전극, 광흡수층, buffer층, 앞면 투명전극, 반사방지막을 순차적으로 형성시켜 만든다. 단위박막별로 다양한 종류의 재료와 조성, 또한 제조방법에서는 갖가지 물리적, 화학적 박막 제조방법이 사용될 수 있다. 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소하게 된다. 따라서 대면적 모듈의 경우는 [그림 4]와 같이 일정한 간격으로 직렬연결이 되도록 패터닝한다.기판의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖

    에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인리스 스틸, Cu tape 같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리 기판으로 소다회 유리(sodalime glass)를 사용한다. 미국 NREL이 기록한 19.9%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다. 소다회 유리 기판은 코닝 유리 기판에 비해 저렴하다는 장점으로 인해 공정온도의 한계(600 ℃)가 있음에도 불구하고 기판재료로 사용되었다. 하지만 소다회 유리에서 확산된 Na이 태양전지의 효율을 증가시킨다는 사실이 알려지게 되면서 최근에는 CIGS 태양전지에서 소다회 유리가 가장 널리 사용되고 있다.[4] 소다회 유리에 존재하는 Na은 공정 중에 CIGS 광흡수층으로 확산되는데 박막의 전하농도를 증가시키거나

    [5] CIGS 단일 상의 영역을 증가시켜 조성변화에 따른 구조적인 특성변화를 줄여주는 역할을 한다고 보고되고 있다.[6]

    후면전극 물질로는 Sputtering법으로 증착된 Mo이 가장 광범위하게 사용된다. 이는 Mo이 가진 높은 전기전도도, CIGS와의 ohmic contact, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. Mo 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리

    기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.태양전지 효율에 있어서 가장 중요한 요소인 광흡수층의 경

    우, CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다. 물리적인 박막제조방법으로 진공증발법(evaporation), sputtering + selenization, 화학적인 방법으로는 electrodeposition 등이 있다. 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다. 현재까지 가장 좋은 효율을 얻을 수 있었던 것은 evaporation 방법이며 출발물질로 4개의 금속원소 - Cu, In, Ga, Se - 를 사용한 것이다.

  • 물리학과 첨단기술 July/August 2008 22

    1st stage,(In,Ga)xSey formation

    In +Ga + Se

    (In,Ga)xSey

    Glass

    Mo

    Cu + Se Cu(In,Ga)Se2

    Glass

    (In,Ga)xSey

    Mo

    After 2nd stage,stoichiometric Cu(In,Ga)Se2

    Semi-metallic

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    Mo

    2nd stage,Cu(In,Ga)Se2 direct formation

    3rd stage, Composition change

    Cu-poor layer formation.

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    In +Ga + Se

    Mo

    After 3rd stageCu-poor CIGS

    Adjusting doping conc.

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    Mo

    1st stage

    2nd stage3rd stageEvaporation Time

    In + Ga+ Se

    Cu+ Se

    ~600

    Subs

    trat

    e Te

    mp

    (oC

    )

    350

    In +

    Ga

    + Se

    1st

    2nd 3rd

    Se

    Only Se

    1st stage,(In,Ga)xSey formation

    In +Ga + Se

    (In,Ga)xSey

    Glass

    Mo

    Cu + Se Cu(In,Ga)Se2

    Glass

    (In,Ga)xSey

    Mo

    After 2nd stage,stoichiometric Cu(In,Ga)Se2

    Semi-metallic

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    Mo

    2nd stage,Cu(In,Ga)Se2 direct formation

    3rd stage, Composition change

    Cu-poor layer formation.

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    In +Ga + Se

    Mo

    After 3rd stageCu-poor CIGS

    Adjusting doping conc.

    Glass

    Cu(In,Ga)Se2

    Mo

    1st stage

    2nd stage3rd stageEvaporation Time

    In + Ga+ Se

    Cu+ Se

    ~600

    Subs

    trat

    e Te

    mp

    (oC

    )

    350

    In +

    Ga

    + Se

    1st

    2nd 3rd

    Se

    Only Se

    Evaporation Time

    In + Ga+ Se

    Cu+ Se

    ~600

    Subs

    trat

    e Te

    mp

    (oC

    )

    350

    In +

    Ga

    + Se

    1st

    2nd 3rd

    Se

    Only Se

    그림 5. 3단계 co-evaporation법의 열 이력곡선 및 CIGS 형성 과정.

    그림 6. Sputtering+Selenization법을 이용한 CIGS 제조 공정 모식도.[7]

    참고문헌

    [7] Probst, Volker, Shell Solar GmbH, Munich, Germany, PV Net

    Workshop Feb. 14th, Ljubljana (2003).

    [8] Duren, J. van, ackrel, D., Jacob, J F., Leidholm, C., Pudov,

    A., Robinson, M., and Roussillon, Y., The Next Generation

    In Thin-Film Photovoltaic Process Technology; Nano solar;

    17th PVSEC, Fukuoka, Japan (2007).

    [9] Taunier, Stèphane; Lincot, Daniel; Guillemoles, Jean-françois;

    Naghavi, Negar; Guimard, Denis; Sulphurisation and Selenization

    of CIGS Layers Electrolytically Deposited by Thermal Annealing;

    European Patent EP1883975 (2008).

    [그림 5]는 가장 높은 효율을 보고하고 있는 3단계 동시진공증발법을 나타낸 것으로 낮은 기판온도에서 In, Ga, Se을 증발시켜 전구체를 형성하고 두 번째 단계에서 기판의 온도

    를 상승시켜 Cu를 공급하여 전체적으로 Cu-rich 한 박막을 형성한 후 다시 In, Ga을 공급하여 표면에 Cu-poor한 조성을 만들어 주는 공정이다. 공정의 재현성을 확보하고 결정립계가 큰 광흡수층을 얻기 위해서는 실시간으로 기판의 온도

    및 조성을 제어하는 것이 중요하다. 3단계 동시진공증발법으로 증착시 second-stage 동안 Cu가 (In,Ga)2Se3에 공급되는데 Cu(In,Ga)Se2상을 형성하고 남은 잉여의 Cu는 금속성의 이차상을 생성하며 이는 상대적으로 낮은 520 ℃ 근처에서 액상으로 존재한다. 또한 액상으로 존재하는 Cu-Se 이차상은 확산속도가 빨라 CIGS의 결정립을 성장시키는 매체가 된다. 따라서 이차상이 생성할 수 있도록 충분한 Cu의 공급과 함께

    액상으로 존재하기에 충분한 기

    판온도가 결정립 성장에 있어서

    필수적이다. 하지만 이러한 금속성의 Cu-Se 이차상은 전기적으로 태양전지의 특성을 저하시키

    기 때문에 third-stage에서 제거되어야 한다. 따라서 Cu-Se 이차상의 생성과 제거는 광흡수층

    의 특성을 결정하게 되므로 미세

    한 조절이 요구된다.동시진공증발법과 함께 CIGS

    태양전지 제조법으로 널리 연구

    되고 있는 Sputtering + seleni-zation 공정의 경우 [그림 6]과 같이 Mo이 증착된 유리기판에 Cu, In, Ga 등을 sputtering법으로 동시에 증착하여 전구체를

    형성하고 그 후 Se 분위기에서 열처리한다. 앞서 설명한 동시 진공증발법에 비해 조성이나 구

    조를 조절하기는 힘든 측면이 있

    지만 대면적 광흡수층 제조에 용

    이하다는 장점을 가지고 있다. 또한 Se 분위기에서의 열처리뿐만 아니라 S 분위기에서의 열처리도 병행하여 Cu(In,Ga)(Se,S) (CIGSS)를 생성함으로써 표면의 밴드갭 에너지를 선택적으로 증

    가시켜 태양전지의 특성을 향상

    시키는 방법도 적용되고 있다.최근에는 상대적으로 공정비용이 높은 PVD 공정의 단점을

    극복하기 위하여 나노입자,[8] electro-deposition 공정[9] 등을 이용한 CIGS 박막 합성에 대한 연구도 활발히 진행되고 있

  • 물리학과 첨단기술 July/August 2008 23

    glass

    I0IR

    IT

    In+Ag TCOCdS

    CdTeBack contact Au, Ag

    glass

    I0IR

    IT

    In+Ag TCOCdS

    CdTeBack contact Au, Ag

    그림 7. CdTe 태양전지의 구조.

    참고문헌

    [10] Hariskos D., Thin Solid Films 480-481, 99 (2005).

    다.버퍼층 CdS은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을

    사용하여 두께 약 500 Å 정도의 박막으로 형성한다. 용액 내에 적정량의 Cd++와 S--이온을 만들고 용액의 온도를 조절하여 각 이온 농도의 곱이 용액의 용해도적보다 큰 경우에

    CdS의 형태로 석출되는 공정이다. CBD 방법에 있어 성막되는 CdS막의 특성을 결정하는 가장 중요한 변수로는 반응온도, 용액의 pH, 막의 두께 등이다. CdS 박막은 2.46 eV의 밴드갭 에너지를 가지는 n형 반도체이며, 이는 약 550 nm의 wavelength에 해당한다. 그 외에도 CdS에 포함된 Cd의 독성문제를 고려하여 Zn(O,S,OH)x, In(OH)xSy, ZnInxSey, ZnSe 등의 Cd-free 버퍼에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[10]

    n형 반도체로서 CIGS와 pn접합을 형성하는 window 층은 태양전지 전면의 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투

    과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. 현재 사용되고 있는 ZnO는 밴드갭 에너지가 약 3.3 eV이고, 약 80 % 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한 Al이나 B 등으로 도핑하여 10-4 Ω․cm 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. Boron을 도핑할 경우, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류를 증가시키는 효과가 있다. ZnO 박막은 RF sputtering방법으로 ZnO target을 사용하여 증착하는 방법과, Zn metal을 이용한 reactive sputtering, 그리고 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법 등이 현재 사용되고 있다. 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중 구조를 채택하기도 하거나 ITO 박막을 투명전극으로 사용하기도 한다. 한편 고효율의 태양전지제조를 위하여 CdS 박막 위에 우선 도핑하지 않은 i형의 ZnO 박막을 증착한 다음, 그 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막을 증착하는 방법이 널리 이용되고 있다.

    CdTe 박막 태양전지

    CdTe 태양전지는 기본적으로 CdS(광투과층)와의 이종접합을 기본으로 하며 전면 투명전극과 배면전극으로 구성된다. CdTe 태양전지의 구조는 [그림 7]과 같고 각 단위박막의 특징 및 공정은 아래와 같다.

    CIGS 태양전지와 같이 CdTe 태양전지도 n-type 물질로 CdS 박막을 사용하는데, CdS를 증착하는 방법으로는 진공 증착법(vacuum evaporation), 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 열분해법(spray pyrolysis)과 CBD법(chemical bath deposition) 등이 있다. CBD법은 CdS 박막이 성장하는 기판을 비롯하여 여러 종류의 화학종

    을 포함한 수용액에서 화학 반응을 이용하여 증착 속도를 조

    절하는 것이 특징이다. 용액을 이용할 때는 저온 (20∼95 ℃)에서 성장시킬 수 있으므로, 300∼450 ℃의 고온이 필요한 열분해법보다 다양한 기판의 사용이 가능하다.

    CdTe는 Sputtering, Evaporation, Electrodeposition 등 다양한 방법으로 제조가 가능하지만 일반적으로 CSS(close- spaced sublimation) 법이라 불리는 공정으로 광흡수층을 증착한다. CSS법은 장치가 간단하고 유지가 간편하며, 특히 소스와 기판과의 간격이 수 mm 정도에 지나지 않아 빠른 증착 속도로 대면적 태양전지를 제조하기에 적합한 방식이다. CSS법 장치는 반응챔버, 할로겐 램프, gas 봄베 및 연결부, 진공펌프 및 기타 제어판으로 구성된다. 반응챔버의 상부와 하부에는 소스와 기판의 온도 조절을 위하여 각각 할로겐 램

    프가 장착된다. CSS 반응챔버의 개략도를 [그림 8]에 나타내었다.최근에는 CSS 공정보다 양산에 적합한 VTD(Vapor Transport

    Deposition) 공정이 적용되고 있다. VTD 공정은 원소재를 가열하여 vapor를 만든 후 기판에 공급하는 방식으로 First Solar, IEC 등에서 적용하고 있다.

    CdTe 태양전지에서 가장 중요하게 해결해야 할 과제는 저항이 낮고 안정한 배면전극을 형성하는 것이다. CdTe는 일함수가 매우 커서 보통의 금속전극을 사용했을 경우 p-type CdTe와 금속간에는 Schottky barrier가 형성된다. Contact barrier의 높이는 CdTe의 페르미 준위와 금속표면의 페르미 준위의 차이로 결정된다. 이러한 경우에 있어서 배면전극은 완전한 ohmic 특성을 보이지 않기 때문에 순방향으로 전압을 걸어주었을 때 배면전극에서 전압강하가 일어나게 된다. Band diagram의 측면에서 살펴보면 CdTe와 CdS의 junction

  • 물리학과 첨단기술 July/August 2008 24

    1. Source Block 4. Water Cooling Tube2. Spacer 5. Thermocouple3. Substrate 6. Support Rod

    VacuumPump

    VacuumGauge

    Vacuum ChamberHalogen Lamp

    open

    Gas

    4

    1

    2

    CdTe

    35

    6

    그림 8. CSS 반응챔버의 개략도.

    Raw Material Input

    Vapor Generation

    Vapor Distribution

    Deposition

    Vapor Transport Deposition (VTD)

    그림 9. VTD 공정의 개념도.

    diode와 반대방향으로 배면전극으로 인한 또 다른 에너지 장벽이 발생하게 되며, 이 장벽은 순방향 전압이 걸렸을 때 정류작용을 일으켜 전체적으로 전류를 일정하게 만드는 roll over 현상을 발생시킨다.배면전극을 형성하는 방법은 비교적 일함수가 큰 금속을

    증착하거나 Cu를 doping하는 방법 그리고 p+ 반도체를 증착하는 것이다. 현재 Au, Cu/Au, Te, Ni/Al, ZnTe:Cu, 그리고 Cu-doped graphite 등의 물질들이 배면전극으로 사용되고 있다. 이중에서 고효율을 보고하는 방법은 Cu를 doping 하거나 Cu-doped carbon을 사용하는 것이다. 소량의 Cu 첨가로 p-CdTe에 P++ doping layer를 형성하여 ohmic contact을 만들 수 있는데, 이러한 방법으로 몇몇 연구팀들은 초기 태양

    전지의 상당한 효율 향상을 보고하고 있다. Cu는 CdTe 내에서 확산이 빠른 물질로 알려져 있으며, Cu확산 mechanism은 grain boundary diffusion으로 보고 있다. Cu+

    와 Cd2+의 이온의 크기는 비슷하여 CdTe 내에서 Cu+는 Cd2+ site에 쉽게 sub-stitute가 된다. 따라서 Cu의 확산은 CdTe의 거의 전 영역에 걸쳐 일어난다고 보고

    있으며, 때로는 CdS/CdTe junction 영역까지 Cu가 확산되었다는 결과도 보고하고 있다. 이러한 junction과 CdTe 막 내의 Cu는 recombination center와 shunt path-way로 작용해 태양전지의 특성 저하의 원인이라 보고되고 있다.

    근래에는 Cu가 포함되지 않는 배면 전극 물질이 제안되고 있으며, 이런 예로 Ni:P, Sb2Te3, HgTe 등이 있다. 위의 배면 전극 물질을 사용한 태양전지의 경우 상당한 안정성은 보여

    주고 있지만, 초기 효율은 그다지 높지 않는 것으로 보고하고 있다. Stress 가속 실험을 통해서 Cu 함유 배면 전극 물질의 경우 250시간 정도의 lifetime을 보이지만 이런 배면 전극 물질의 경우 1000시간 이상의 lifetime을 보고하고 있다.

    결 론

    최근 발표된 바에 의하면 CdTe 박막 태양전지를 생산하는 First solar가 2007년도 전체 박막 태양전지 생산 업체 중 생산량 1위를 차지했으며 CIGS를 생산하고 있는 Wurth solar는 6위를 차지했다. 또한 First solar는 전체 태양전지 업체 중에서도 top 10에 진입하는 성장세를 나타내었으며 2012년까지 3 GW 분량의 계약이 체결되어 있는 상황이다. 일본의 Showa Shell Sekiyu의 경우에도 CIGS 박막 태양전지 60 MW 라인을 구축하고 있으며, 최근에는 2011년까지 1 GW 라인을 구축하겠다고 발표하였다. 그 밖에도 많은 업체들이 화합물 박막 태양전지 분야에 진출을 하고 있으며 생

    산량을 늘려가고 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 CIGS나 CdTe가 가지는 고유한 장점에 기인한 것이다. 하지만 실리콘 소재에 비해 재료물성과 소자에 대한 이해가 부족하며

    turn-key 장비를 비롯한 대량생산 체제를 구축하는데 어려움이 존재한다. 따라서 소재-소자-공정에 대한 많은 연구를 통하여 화합물 박막 태양전지가 가지고 있는 성장 잠재력을 실

    현할 수 있도록 노력해야 한다.