During the fabrication of a thin film photovoltaic device, the transparent conducting oxide (TCO), which constitutes an integral part of its basic structure, could be exposed at high temperature processes. Aluminum doped zinc oxide (AZO) is a well-known TCO with good properties in terms of light transparency and conductivity, however its electrical properties deteriorate after subsequent high temperature processes in air atmosphere. In this work, Al doped ZnO (AZO) films were prepared on glass substrate by RF magnetron multi-target sputtering. 2 wt% Al-doped ZnO target (purity 99.99%) was used for the deposition. Al:ZnO films with high transmission and low resistivity were obtained for the samples fabricated along the c-axis. AZO films which have good TCO properties were fabricated by adjusting and optimizing the target-to-substrate distances. Deposition conditions were optimized by adjusting target-to-substrate distances and as a result, the electrical properties of AZO films were improved.
Firstly, Al:ZnO films were fabricated with various target-to-substrate distances at the substrate temperature of 450 oC. The optimal condition for deposition of Al:ZnO films with the lowest sheet resistance of 1.25 Ω/□ and a transmission toward 75 % in the visible range was obtained at 150 W and 3.5 cm. Then, the films were annealed at 500 oC in air atmosphere for 30 min in order to study their thermal stability. The sheet resistance increased drastically to 3.3 kΩ/□ after annealing due to oxygen vacancies annihilation.
The SnO2/AZO double-layered transparent conducting oxide was presented in order to reach thermal stability and improve other characteristics. After the deposition of Al:ZnO, SnO2 films were consecutively deposited by RF magnetron multi-target sputtering at the optimized condition. (sputtering power: 150 W, the distance of target and substrate: 3.5 cm, Substrate temperature: 450 oC) SnO2 target (purity 99.99 %) was used for the deposition. The SnO2 has poorer conductivity than Al:ZnO, but has better thermal stability. The SnO2 layers with thicknesses ranging from 33.1 nm to 331 nm were deposited over a 6 μm thick Al:ZnO layer. After the annealing process, this SnO2/AZO double-layer achieved the lowest sheet resistance of 3.30 Ω/□, keeping good optical properties. The SnO2 over-layer was found to prevent the penetration of oxygen into Al:ZnO during the air-annealing process, thereby exhibiting good thermal stability in electrical conductivity of the double-layered TCO. These results demonstrate that the SnO2/AZO films are the promising TCO for dye-sensitized solar cells.
RF Magnetron Sputtering 방식을 이용하여 AZO 박막을 제조하였고, 박막의 열적 안정성을 확보하기 위한 실험을 진행하였다. Sputtering 의 증착 변수인 타겟과 기판 사이의 거리를 조절하여 단일막의 증착 조건을 최적화하였다. XRD 에 의한 구조 분석, 4 point probe 를 통한 전기적 특성 평가, UV/VIS spectrophotometer 에 의한 광학적 특성 평가 등을 통해 박막의 특성을 규명하였다. XRD 결과를 통해 c축으로 편향된 박막이 성장됨을 확인하였고, 이를 통해 450 oC 의 기판온도에서 박막의 전기적 특성을 확보할 수 있는 조건을 설정하였다. 박막은 타겟과 기판사이의 거리에 따라 다른 growth rate 를 보였고, 그에 따라 다른 전기적 특성을 보였다. 가장 좋은 전기적 특성은 sputtering power 150 W, 기판과 타겟 사이의 거리 3.5 cm 에서 얻어졌으며, 1.25 Ω/□ 이었고, 이 때 가시광 영역에서의 평균 투과도는 63.069 % 이었다. 이 실험을 통해 얻어진 박막의 열적 안정성 test를 위해 air 분위기의 500 oC 에서 30 분 간 열처리를 진행하였다. 그 결과, 500 oC 열처리 이후 박막의 전기적 특성은 크게 손실되어 3.3 kΩ/□ (2640 배 증가)로 급격히 상승하였다. 이에 대한 원인을 규명하기 위해, Hall effect measurement 를 통해 carrier concentration 의 변화를 확인하였고, 그 결과 열처리 중 공기 중에 존재하는 산소가 박막의 oxygen vacancy 를 채워 전기전도도가 감소됨을 밝혔다.
AZO 박막이 DSSC 에 이용되기 위해서는 500 oC 열처리 이 후에 8 Ω/□ 를 기준으로 특성이 크게 변한다는 연구 결과를 토대로, 이를 위한 이중 박막 실험을 진행하였다. SnO2 박막은 열처리 이후에 상태와 특성이 변하지 않고 안정하기 때문에 확산 방지막으로 선정하였다. AZO 박막과 SnO2 박막 모두 위 두 실험에서 최적화된 조건으로 증착하였다. SnO2 박막의 두께는 33.1 nm 에서 331 nm 로 증착하였다. 500 oC 에서 30 분 동안 공기 중에서 열처리하는 동안, 외부 산소의 흡착을 막을 수 있을 정도로 너무 얇지 않게, 그러나 SnO2 자체의 낮은 전기 전도도가 이중박막의 전기적 특성을 악화시키지 않을 정도로 너무 두껍지 않게 최적화된 두께로, 실험에서는 33.1 nm 가 이에 가장 가까웠다. AZO 박막 위에 SnO2 가 33.1 nm 증착된 이중 박막의 경우 500 oC 열처리 이후에 3.30 Ω/□ 의 값이 확인되었다. 이는 목표로 하는 8 Ω/□ 이하의 값으로 이중 박막 구조를 통해 높은 열적 안정성이 확보 되었음을 확인하였다. 열처리 이후에 박막의 평균 투과도는 72.175% 로, AZO 단일 박막의 값보다 향상되었다. 따라서 이들 결과를 통해 SnO2/AZO 이중 박막 구조가 DSSC에 적합함이 증명되었다.
