The Cu(In,Ga)$Se_2$(CIGS) thin film solar cells are the most promising candidate for future energy resources. The CIGS solar cells have recorded 19.9% conversion efficiency. In general case, high efficiency CIGS solar cells are equipped with a thin CdS buffer layer. There are certain concerns considering a CdS buffer deposited by chemical bath deposition(CBD). CdS buffer layer include cadmium which is very toxic element. In case of CIGS solar cells with CdS buffer layer, drop of Quantum Efficiency in a region of short wavelength can be found because blue light can be absorbed by CdS buffer layer which has band gap energy of 2.42eV. Several alternatives have been investigated for buffer layer. Indium sulfide is one of them. Indium sulfide buffer layer can be easily deposited on the CIGS absorber by using CBD technique($CBD-In_2S_3$). In general case, $CBD-In_2S_3$ is composed with $In_2S_3$(2.1eV of indirect energy band gap) and InOOH(3.5eV of direct energy band gap), so band gap of $CBD-In_2S_3$ is larger than CdS. The record efficiency of CIGS solar cell with $CBD-In_2S_3$ buffer layer is 15.7%. In this study we investigated annealed $CBD-In_2S_3$ buffer layer and In-interlayer applied $In_2S_3$/CIGS solar cells.
In the first experiment we have found that differences between as-deposited $CBD-In_2S_3$ buffer layer and annealed $CBD-In_2S_3$ buffer layer. Oxygen amount in the $CBD-In_2S_3$ can be decreased after annealing process. Reduced hydroxide, sulfate phase and increased oxide, sulfide phase can be found by using XPS surface spectra. As-deposited $CBD-In_2S_3$/CIGS solar cell showed 0.00% conversion efficiency but annealed $In_2S_3$/CIGS solar cell showed 7.41% conversion efficiency because of improved properties especially $J_{sc}$ value. Finally we can conclude that decreased oxygen amount in the $CBD-In_2S_3$ buffer layer is very important to obtain better quality of $CBD-In_2S_3$/CIGS solar cells.
Another study is In-interlayer($CBD-In_2S_3$/In/CIGS) experiment. Indium thin film can be evaporated on the CIGS surface by thermal evaporation method and then $In_2S_3$ buffer layer deposited on the surface of In/CIGS structure. We have found that CIGS surface can be changed into $In_xSe_y$ and OVC(odered vacancy compound) with increasing evaporated CIGS temperature. When we apply In-interlayer on the CIGS surface RT-substrate case shows better solar cell performance than 350℃ substrate temperature. Oxygen amount in the $CBD-In_2S_3$ buffer layer can be decreased much more than annealed $CBD-In_2S_3$ film. We measured XPS surface spectra. It was found that reduced hydroxide and increased sulfide peak intensities compare to annealed $CBD-In_2S_3$ film. It is very similar results with annealed $CBD-In_2S_3$ film. We confirm that reduced oxygen is very important to obtain better quality of $CBD-In_2S_3$/CIGS solar cells. We can reduce oxygen amount in the $CBD-In_2S_3$ buffer layer by using annealing and In-interlayer process. In-interlayer applied solar cells showed much better properties especially $J_{sc}$ value. Finally we have fabricated 8.9% In-interlayer applied $CBD-In_2S_3$/CIGS solar cells.
Cu(In,Ga)$Se_2$(CIGS) 태양전지는 박막 태양전지 중 가장 높은 효율인 19.9%의 효율을 보이고 있으며 미래의 에너지원으로서 큰 기대를 받고 있다. 일반적으로 고효율을 보이고 있는 CIGS 태양전지의 경우 버퍼층으로 CdS라는 물질을 사용하고 있다. 하지만 CdS의 사용은 몇 가지 문제를 보이고 있다. 먼저 Cd라는 독성물질을 포함한다는 점에서 환경적인 측면의 문제가 있고, 2.42eV의 밴드갭을 가지는 CdS에 의해 단파장 빛이CIGS층에 도달 전 먼저 흡수되어 단파장의 양자효율 손실을 일으키게 된다. 따라서 새로운 버퍼 물질로서 Cd를 포함하지 않고 단파장빛의 투과도가 좋은 즉, 밴드갭 에너지가 2.42eV보다 큰 물질의 연구가 이루어지고 있다. 그 중 하나의 물질이 $In_2S_3$이다. $In_2S_3$는 Cd를 포함하지 않는다는 면에서 한 가지 장점을 가지고 있고, chemical bath deposition(CBD) 방법을 통해 CIGS 흡수층 표면에 쉽게 증착할 수 있다. 또한 이렇게 CBD 방법을 이용하여 만들어진 경우 $In_2S_3$(2.1eV의 간접천이형 밴드갭)의 단일상만으로 존재하는 것이 아니라 InOOH(3.5eV의 직접천이형 밴드갭)와의 혼합된 형태로 존재하기 때문에 2.42eV보다 큰 에너지 밴드갭을 가지게 된다. 현재 CBD 방법으로 형성된 $In_2S_3$($CBD-In_2S_3$)버퍼층이 적용된 CIGS 태양전지의 경우 15.7%의 최고효율이 보고되어있다.
본 실험에서는 첫 번째로 $CBD-In_2S_3$의 형성 후에 열처리를 통해 hydroxide의 감소와 oxide의 증가 그리고 sulfide의 증가와 sulfate의 감소에 의해 버퍼층 내부의 oxygen이 감소한 것을 확인하였다. 또한 태양전지 특성을 확인한 결과 열처리를 가하지 않은 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층을 적용한 CIGS 태양전지의 경우 0.00%의 효율을 보였지만 열처리를 거친 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층을 적용한 CIGS 태양전지의 경우 7.41% 효율 향상을 보였다. 효율 향상의 원인으로 단락전류밀도값의 향상이 가장 두드러진다는 것을 확인하였다. 결과적으로 열처리 후 나타나는 버퍼층 내부의 oxygen 감소가 단락전류밀도값의 향상에 의한 태양전지특성 향상에 중요한 역할을 했음을 확인하였다.
또 다른 연구는 In-interlayer 실험으로 CIGS 흡수층 위에 In을 얇게 증착하고 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층 형성 후 열처리를 가하는 연구를 진행하였다. In이 증착되는 CIGS 기판의 온도를 달리해본 결과 온도가 증가하면서 InxSey와 OVC(odered vacancy compound)가 형성됨을 확인하였다. 태양전지 제작결과 In을 상온의 CIGS 기판온도에서 증착하는 것이 350℃의 기판온도에서 증착하는 것 보다 좋은 특성을 보였으며, 이 경우 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층 내부의 oxygen 양이 열처리를 거친 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층의 경우보다도 줄어들었음을 확인하였다. 또한 hydroxde의 감소와 sulfide의 증가도 확인할 수 있었다. 이 결과는 첫 번째 실험인 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층의 열처리 효과와도 같은 결과로 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층 내부에 존재하는 oxygen의 양 감소가 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층을 적용한 CIGS 태양전지의 특성 향상에 중요한 역할을 한다는 결과를 다시 한 번 확인한 것이라 말할 수 있다. $CBD-In_2S_3$ 버퍼층의 열처리 실험과 In-interlayer의 적용으로 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층 내부의 oxygen 양을 감소시킬 수 있음을 확인하였으며 열처리 경우보다 oxygen양을 줄일 수 있었던 In-interlayer의 적용 시에 더욱 태양전지특성 향상이 있음을 확인하였다. 마지막으로 In-interlayer를 적용 한 경우 열처리를 거친 $CBD-In_2S_3$ 버퍼층을 적용한 경우보다 단락전류밀도값의 향상이 더욱 두드러졌으며 8.9%의 효율을 얻을 수 있었다.
