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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2013
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Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 현재 20.4%의 최고 효율이 보고되었으며, 높은 광 전환 효율로 인해 많은 연구가 이루어지고 있다. CIGS 박막 태양전지는 일반적으로 소다회 유리(Soda-lime glass, SLG)를 기판으로 사용하여 SLG / Mo / CIGS / CdS / ZnO / ITO / Ni / Al 의 구조로 제작된다. 하지만 SLG를 기판으로 사용할 경우, 유리의 특성상 무게가 무겁고 유연성이 없기 때문에 적용성에서 여러 제약이 따른다. 따라서 현재 유연 기판 CIGS 박막 태양전지에 대한 연구가 이루어지고 있다. 유연 기판 태양전지는 유리 기판 보다 power-to-weight 비율이 높으며, roll-to-roll process를 가능하게 하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 그로 인해 양산성을 향상시킬 수 있으며, 대표적인 유연 기판으로는 Al, SUS와 같은 금속 기판과 폴리이미드 기판이 있다.
본 연구에서는 폴리이미드 기판을 이용하여 유연 CIGS 박막 태양전지를 제작해 보았다. 폴리이미드 기판은 금속 불순물이 없어 금속 기판에서처럼 확산 방지막을 증착하지 않아도 되며, 금속 기판보다 더욱 유연한 특성을 가지고 있다. 하지만 공정에서 적용 가능한 온도가 500oC 미만으로, 금속 및 유리 기판의 공정 온도(～600oC)에 비해 낮다는 단점을 가지고 있다. 유연 CIGS 박막 태양전지 제작을 위해 DSC, TGA, TMA의 열 분석을 통해 공정 최대 온도를 475oC로 정하였다. 후면 전극 Mo은 dc sputtering으로 증착하였으며, 소다회 유리에 증착하는 조건인 bi-layer 구조로 증착 시 폴리이미드 필름과 Mo의 열팽창계수 차이로 인해 기판의 휘어짐 현상이 관찰되었다. 따라서 Mo의 증착 압력에 따라 폴리이미드 기판의 잔류 응력과 전기적 특성을 분석하여 증착 압력을 정하였다. 광흡수층 CIGS는 다단계 동시 증발법(multi-stage co-evaporation) 으로 증착하였으며, 2nd stage기판 온도는 최대 475oC로 하여 공정을 진행하였다. CIGS 증착 공정의 변수는 공정 온도, 조성, Na 공급 등이 있다. 공정 온도를 445, 415oC로 변화시켜 실험한 결과 온도 감소에 따라 결정립 크기가 감소하며, 결정성의 변화로 인해 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 저온 공정인 475oC공정에서는 Ga의 함량이 높아질수록 성능이 감소하였으며, Na 공급을 통해 Voc와 FF가 향상되어 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 특히 상대적으로 저온에서 증착하는 폴리이미드 기판 샘플은 반응성을 향상시키기 위해 Se cracker를 사용하여 성능을 비교해 보았다. 버퍼층 CdS는 습식 공정인 CBD법으로 증착하였으며, 공정 변수인 thiourea의 농도와 CdS 박막의 두께 변화 실험을 통해 최적의 조건을 확인하였다. 전면 전극 증착까지 공정을 완료한 폴리이미드 기판 CIGS 박막 태양전지는 메스를 이용하여 scribing 시, Mo 층과 기판에 손상을 주어 성능이 정확한 J-V 측정을 하기 어려운 문제가 있었다. 따라서 폴리이미드 기판 샘플은 laser 가공으로 scribing하여 효율이 향상되는 것을 확인하였다.
최종적으로 제작된 폴리이미드 기판 유연 CIGS 박막 태양전지는 반사 방지막 없이 개방전압 0.511V, 단락전류밀도 32.310mA/cm2, 충실도 64.50%, 10.65%의 효율을 나타내었다.
본 연구에서는 폴리이미드 기판을 이용하여 유연 CIGS 박막 태양전지를 제작해 보았다. 폴리이미드 기판은 금속 불순물이 없어 금속 기판에서처럼 확산 방지막을 증착하지 않아도 되며, 금속 기판보다 더욱 유연한 특성을 가지고 있다. 하지만 공정에서 적용 가능한 온도가 500oC 미만으로, 금속 및 유리 기판의 공정 온도(～600oC)에 비해 낮다는 단점을 가지고 있다. 유연 CIGS 박막 태양전지 제작을 위해 DSC, TGA, TMA의 열 분석을 통해 공정 최대 온도를 475oC로 정하였다. 후면 전극 Mo은 dc sputtering으로 증착하였으며, 소다회 유리에 증착하는 조건인 bi-layer 구조로 증착 시 폴리이미드 필름과 Mo의 열팽창계수 차이로 인해 기판의 휘어짐 현상이 관찰되었다. 따라서 Mo의 증착 압력에 따라 폴리이미드 기판의 잔류 응력과 전기적 특성을 분석하여 증착 압력을 정하였다. 광흡수층 CIGS는 다단계 동시 증발법(multi-stage co-evaporation) 으로 증착하였으며, 2nd stage기판 온도는 최대 475oC로 하여 공정을 진행하였다. CIGS 증착 공정의 변수는 공정 온도, 조성, Na 공급 등이 있다. 공정 온도를 445, 415oC로 변화시켜 실험한 결과 온도 감소에 따라 결정립 크기가 감소하며, 결정성의 변화로 인해 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 저온 공정인 475oC공정에서는 Ga의 함량이 높아질수록 성능이 감소하였으며, Na 공급을 통해 Voc와 FF가 향상되어 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 특히 상대적으로 저온에서 증착하는 폴리이미드 기판 샘플은 반응성을 향상시키기 위해 Se cracker를 사용하여 성능을 비교해 보았다. 버퍼층 CdS는 습식 공정인 CBD법으로 증착하였으며, 공정 변수인 thiourea의 농도와 CdS 박막의 두께 변화 실험을 통해 최적의 조건을 확인하였다. 전면 전극 증착까지 공정을 완료한 폴리이미드 기판 CIGS 박막 태양전지는 메스를 이용하여 scribing 시, Mo 층과 기판에 손상을 주어 성능이 정확한 J-V 측정을 하기 어려운 문제가 있었다. 따라서 폴리이미드 기판 샘플은 laser 가공으로 scribing하여 효율이 향상되는 것을 확인하였다.
최종적으로 제작된 폴리이미드 기판 유연 CIGS 박막 태양전지는 반사 방지막 없이 개방전압 0.511V, 단락전류밀도 32.310mA/cm2, 충실도 64.50%, 10.65%의 효율을 나타내었다.
목차
Ⅰ.서론 11.연구의 목적 12.이론적 배경 32.1 CIGS 박막 태양전지 32.2 CIGS 박막 태양전지의 구조 및 제작 방법 42.3 유연 CIGS 박막 태양전지 및 유연 태양전지의 필요성 7Ⅱ.본론 101.폴리이미드 기판에 대한 열분석 101.1 열분석 111.2 시차주사열량계 111.3 열중량분석기 141.4 열기계분석기 162. 후면 전극 Mo 192.1 증착 압력 별 stress 및 전기적 특성 분석 192.2 Mo의 증착 온도에 의한 영향 263. 광흡수층 CIGS 283.1 Mo의 두께에 의한 영향 283.2 Ga 비 변화에 따른 영향 303.3 2nd stage 온도 변화에 의한 영향 343.4 Se cracker의 C.zone 온도 변화에 의한 영향 383.5 Na 공급에 의한 영향 444. 버퍼층 CdS 484.1 Thiourea 농도 변화 484.2 CdS 두께 변화 515. Laser scribing 54Ⅲ.결론 60
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