Sintered CdTe films and all-polycrystalline CdS/CdTe solar cells have been fabricated by using Cd and Te powder mixture instead of CdTe powder.
The electrical properties of CdTe films depends strongly on the amounts of $CdCl_2$ added. Though the microstructure of the CdTe films improves with increasing amount of $CdCl_2$, the residual $CdCl_2$ after sintering increase the electrical resistivity of the CdTe films. Since the $CdCl_2$ in the grain boundary after the sintering have an effect that increases the energy barrier height of the grain boundary, the electrical resistivity increase. Thus the post heat treatment which removes the residual $CdCl_2$ in the grain boundary of CdTe reduces the electrical resistivity. Furthermore, Cla acts as a simple donor by substituting for Te in the lattice. Theoretical calculation of defect equilibria of CdTe indicates that the concentration of the ($V_{Cd}Cl_{Te}$)´ acceptors is larger than that of the Cl donors. It means that the sintered layers are p-type.
All-polycrystalline CdS/CdTe solar cells with different microstructure and properties of CdTe layer were fabricated by coating a number of CdTe slurries, which consisted of Cd and Te powders, various amounts of $CdCl_2$, on the sintered CdS films and by sintering the glass-CdS-(Cd+Te) composites at various temperatures. The presence of more than 5 wt% $CdCl_2$ in the (Cd+Te) layers enhances the sintering of the CdTe film and the junction formation by liquid phase sintering mechanism. The properties of cells depends not only on the junction formation temperature but also the amounts of $CdCl_2$ added in (Cd+Te) before sintering. Low sintering temperature and Small amounts of $CdCl_2$ results in poor densification of CdTe layer and CdS-CdTe interface whereas high sintering temperature and large amounts of $CdCl_2$ tend to form a thick $CdS_{1-x}Te_x$ solid solution at the interface and a deep n-p junction which cause the sharp decrease in the spectral response in short wavelength region. Therefore the optimum temperature for the sintering of CdTe layer and junction formation decreases with increasing amounts of $CdCl_2$.
To explore the dependence of the solar efficiency on the preperation conditions of the CdTe layer, Cd powder with an average particle size of 0.5㎛ was prepared. The use of Cd with finer particles forms more dense or uniform microstructure of the CdTe formed during heating. To improve the efficiency of the sintered CdS/CdTe solar cell, the use of Cd with finer particles is desirable.
When Cd and Te powders are used to form CdS/CdTe junction, CdTe is formed in the temperature range of 290℃ ~ 400℃. The microstructrue of the CdTe films depends on the heating rate of the sintering due to the low melting temperature and high vapor pressure of the elemental Cd and Te. Thus there exists an optimum heating rate to obtain CdTe films on the sintered CdS films with uniform and dense microstructrue which, in turn, improves the efficiency of the sintered CdS/CdTe solar cells.
All-polycrystalline CdS/CdTe solar cells fabricated by coating a CdTe slurry, which consisted of the finear (Cd+Te) powder, 2wt% $CdCl_2$, on the sintered CdS films followed sintering at 700℃ for 1 hour using a heating rate of 14℃/min had efficiency of 10.2% under solar irradiation with an intensity of 75mW/㎠.
III-1-1.
Cd과 Te의 혼합분말로서 CdTe 소결막을 제작하는데 앞서 CdTe 합성과정 및 미세구조 변화를, Cd 입도를 바꾸어 제작한 성형체의 모델 실험을 통해 알아보고자 하였다. 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 미세한 Cd 입자 (～0.5㎛ ) 을 사용한 경우 조대한 Cd 입자 (～100㎛)를 사용한 것에 비하여 더 낮은 온도에서 CdTe 합성 반응이 일어나 Cd의 용융점에 도달하기 전인 290℃근처에서부터 시작된 반면에 조대한 입자를 사용한 경우에는 Cd의 용융이 일어난 후에 현저한 CdTe 합성반응이 나타났다.
2. 미세한 Cd 입자를 사용한 경우 같은 온도에서 더 많은 양의 CdTe 합성이 이루어졌는데 이는 Cd과 Te의 접촉면적의 증가로 인한 결과로 볼 수 있으며 Cd의 용융이 일어나기 전 고상확산에 의해 합성이 시작된다.
3. 조대한 Cd 입자를 사용한 경우 가열도중 생성되는 기공은 Cd 입자가 있던 자리이며 Cd의 용융이 일어나면서 주위로 빠져나가면서 Te 입자들과 반응하여 CdTe를 합성하고 이와 동시에 Cd 액상의 높은 증기압으로 인해 액상의 증발로 기공을 남기며 swelling 현상을 일으켰다.
4. 따라서 미세한 Cd입도를 사용한 경우 기공의 크기가 줄고 더 밀집된 CdTe의 미세구조를 얻을 수 있었다.
Ⅲ-2-2
(Cd+Te) 혼합분말에 $CdCl_2$을 첨가하여 CdTe 소결막을 제작하였다. 이때 첨가한 $CdCl_2$가 CdTe 소결막의 전기적 특성에 미치는 영향을 고찰해 본 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. CdTe 소결막의 미세구조는 $CdCl_2$의 첨가량이 증가함에 따라 소결온도가 증가함에 따라 양호해 졌으며 이것은 광투과도와 정성적으로 일치하였다.
2. CdTe 소결막의 전기 비저항은 미세구조로만 설명될 수 없었으며 소결후 잔류하는 $CdCl_2$ 의 양에 큰 영향을 받았다.
3. $CdCl_2$ 가 많이 잔류할수록 높은 비저항 값을 나타내었는데 이는 잔류하는 $CdCl_2$가 입계에 존재하면서 마치 절연막 역활을 하여 hole의 전하유동도의 barrier height을 증가시킴으로 인하여 전하유동도가 감소되어 소결막의 전기 비저항을 증가시켰다.
4. 따라서 재 열처리를 통한 $CdCl_2$ 의 제거로 전기 비저항이 감소했으며 이는 $CdCl_2$가 증발하면서 CdTe grain간의 유효전도 전도 면적이 증가되고, 계면에서의 $CdCl_2$의 제거에 따른 절연막의 소실로 인하여 전하 유동도가 증가한 때문으로 사료된다.
5. $CdCl_2$가 제거됨에 따라 전기 비저항의 감소와 함께 전기 전도도 활성화 에너지의 증가를 보였는데 이는 $CdCl_2$가 입계에서 passivation 역활을 하여 입계의 trap density를 감소시켜 band bending에 따른 barrier height를 낮추게 되는 것으로 사료된다.
6. 600℃에서 소결한 CdTe막의 경우, 재 열처리 시간에 관계없이 C-V 측정을 통해 얻은 전하농도가 1.5E+14 로 나타났다. 또한 이론적인 계산을 통하여 CdTe 의 defect 농도들을 계산한 결과 ($V_{Cd}Cl_{Te}$)´ 의 acceptor 농도가 $Cl´_{Te}$의 donor 농도 보다 높게 나타났으며 이것은 소결막 CdTe 가 p-type 임을 보여주는 결과이다.
III-3-4. 요약
Cd과 Te의 혼합분말을 이용하여 CdTe 막의 소결온도 및 $CdCl_2$의 첨가량을 변화시켜 CdS/CdTe 태양전지를 제작하고 그 특성을 고찰하였다. 그결과, 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 측정된 태양전지의 최대효율을 낼 수 있는 소결온도는 소결 촉진제로 첨가한 $CdCl_2$의 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며 측정된 효율은 단락전류 (Jsc)의 값에 의해 가장 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
2. 단락전류값의 변화는 소결시 형성된 junction의 특성과 미세구조의 영향으로 결정 되었다. 분광 반응도를 통한 junction의 특성을 살펴본 결과 소결온도가 증가할 수록, $CdCl_2$의 첨가량이 증가할수록 계면에서의 S와 Te의 활발한 상호확산에 의해 두꺼운 $CdS_{1-x}Te_x$ 고용체 생성과 깊은 n-p junction의 형성으로 인해 단파장 영역에서의 낮은 분광 반응도를 나타냈다.
3. (Cd + Te)혼합 분말에 2wt%이하의 $CdCl_2$ 를 첨가했을 때와는 달리 5wt% 이상의 $CdCl_2$를 첨가하였을때 액상소결이 현저히 일어나게 되어 미세구조의 밀집화가 이루어져 있다.
4. 장파장 영역에서의 분광 반응도는 미세구조의 밀집화와 밀접한 관계를 갖는 것으로 나타났다. 즉 미세구조의 밀집화가 재결합 손실을 줄이게 되어 단락전류의 변화에 junction 특성과 함께 중요한 요인이 되었다.
5. 충실도의 변화는 직렬저항 및 역포화 전류밀도 (Jo)에 관계되었는데 CdS 판저항에 가장 큰 영향을 받으며 높은 직렬저항에도 낮은 Jo값에 의한 충실도 향상을 관찰할 수 있었는데 이는 미세구조 및 소결시 $CdCl_2$ 첨가량에 따른 interface state의 변화에 기인된다고 사료된다.
III-4-1 요약
평균입도가 각각 5㎛과 0.5㎛인 Cd분말을 사용하여 소결촉진제인 $CdCl_2$를 2wt%, 7.5wt% 첨가하여 제작한 CdS/CdTe 태양전지의 특성에 대해 고찰해 본 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 미세한 입도의 Cd분말을 사용한 경우 더 높은 효율을 얻을 수 있었으며 이것은 단락전류의 증가에 크게 영향을 받았다.
2. 단락전류의 증가는 소결후 CdTe막의 미세구조의 향상에 기인한 것이며 이것은 미세한 Cd분말을 사용한 경우 가열도중 합성된 CdTe막의 미세구조가 uniform하고 치밀하게 얻어진 때문이다.
3. 2wt% $CdCl_2$를 첨가한 것에 비해 7.5wt%의 $CdCl_2$를 첨가한 경우 단락전류 및 효율의 증가 폭이 감소되었는데 이는 Cd의 입도에 의해 가열도중 합성된 CdTe막의 미세구조 차이가 이후에 생성되는 $CdCl_2$의 충분한 액상량에 의한 액상소결에 의해 그 차이가 둔화되었기 때문이다.
III-5-1 요약
Cd과 Te의 혼합분말에 2wt% $CdCl_2$를 첨가하여 승온속도를 변화시켜 이때 합성되는 CdTe의 미세구조를 관찰하고 이것이 CdTe 소결막의 미세구조와 CdS/CdTe 태양전지의 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 그 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 승온도중 Cd과 Te이 반응하여 290℃에서부터 400℃ 구간에서 CdTe 합성반응이 일어나며 이때 Cd과 Te의 높은 증기압으로 인하여 승온속도에 따라 합성된 CdTe의 미세구조에 영향을 주는 것으로 나타났다.
2. 승온속도가 느린 경우 Cd과 Te이 충분히 반응하여 CdTe를 합성하게 되어 균질하고 치밀한 CdTe막을 형성하는 반면에 승온속도가 빠른 경우에는 충분한 CdTe 합성이 일어나기 전에 고온으로 상승되어 이때 높은 증기압으로 인해 미처 반응하지 못한 Cd과 Te의 증발이 일어나게 되어 기공이 많고 불균질한 CdTe막을 형성하게 되었다.
3. 소결이 끝난 후 얻어지는 CdTe 소결막은 승온도중 형성된 CdTe막과 이후의 $CdCl_2$ 영향에 의해 입자성장 및 밀집화에 의해 결정되는데 14℃/min의 승온속도에서 이 두가지의 적절한 조합의 효과에 의해 가장 밀집된 소결막을 얻을 수 있었으며 따라서 측정된 단락전류도 밀집화가 가장 잘 일어난 소결막 CdTe를 얻는 경우 접경면 및 CdTe내의 입계에 의한 photocarrier의 재결합 손실을 줄일 수 있어 최대값을 나타내었다.
