Polycrystalline CdS films have been prepared by coating a slurry, which consisted of CdS, 13wt% $CdCl_2$ and appropriate amount of propylene glycol, on glass substrate followed by sintering in a nitrogen atmosphere.
Electrical and optical properties of the sintered CdS films and the effects of heat-treatment after sintering have been investigated by measurements of electrical resistivity, Hall effects, optical transmission and observation of microstructure. The electrical resistivity of the sintered CdS films decreases sharply to an order of 0.3$\Omega$-cm with increasing sintering time. Hall measurements indicate that the electron concentraion, however, is independent of sintering time, and is an order of $5.6\times10^{17}/cm^3$ and $8.0\times10^{17}/cm^3$ for the specimens sintered at 600℃, and 650℃, respectively. These results combined with fact that chlorine doping is responsible for the electron concentration imply that grain growth occurred via solution and precipitation through liquid phase $CdCl_2$. The electrical resistivity of the heat-treated CdS films is an order of 0.3$\Omega$-cm and does not depend on the previous sintering period. Hall measurements of the heat-treated CdS films show that the electron concentration is also independent of post heat-treatment. Thus the variation of electrical resistivity of the sintered CdS films is mainly related with the variation of electron mobility. This result can be explained in terms of contact area between CdS grains and grainboundary barrier energy which is related with the trap density. The major effect of the heat-treatment is to increase electron mobility by removing the residual $CdCl_2$ through evaporation, which causes an increase in contact area and a decrease in trap density. The changes in optical transmission after heat-treatment depend on the amount of residual $CdCl_2$ in the sintered CdS films.
These experimental results show that the heat-treatment is needed to homogenize the properties of sintered CdS films.
All-polycrystalline CdS/CdTe solar cells have been fabricated by coating a number of CdTe slurries, which contained of various amounts of $CdCl_2$, on the heat-treated CdS films and by sintering CdTe layer for various sintering conditions.
The properties of cells depend on the sintering condition as well as the amounts of $CdCl_2$ added in CdTe before sintering. Low sintering temperature or short sintering period, and large amount of $CdCl_2$ result in high dark current density which leads to reduction in the fill factor of light J-V characteristic of cell, whereas high sintering temperature tend to form a thick $CdS_{1-x}Te_x$ solid solution at interface which cause the sharp decrease in the spectral response in short wave length region and increase the series resistance of the cell.
Therefore, optimizing the fabrication conditions, a conversion efficiency of 12.5% under solar irradiation with intensity of 85mW/$cm^2$ was found in a solar cell fabricated by sintering the composite layer of glass-CdS-CdTe, which contained 4wt% of $CdCl_2$ in CdTe, at 625℃ for 1hr in $N_2$. The presence of 4wt% $CdCl_2$ in CdTe layer improves the junction quality by forming a thin layer of $CdS_{1-x}Te_x$ solid solution which may contribute to the reduction of lattice mismatch between CdS and CdTe.
Sintered CdS/CdTe solar cells with various widths, have been prepared in order to optimize the width of the solar cell for maximum module efficiency. Although the coating efficiency of CdTe layer on CdS film increases, the value of fill factor decreases with increasing the width of the cell due to increase in series resistance. Thus, the cells with width of 4mm results in the maximum module efficiency.
III-1-2 요약
소결촉진제로 $CdCl_2$를 첨가하여 제조한 CdS소결막의 전기및 광학적 성질과 열처리 영향을 연구한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. CdS 소결막의 전기비저항은 소결시간이 길어질수록 감소하며, 소결온도가 600℃일 때는 100분이상 650일 경우는 60분이상되면 약 0.3$\Omega$-cm로 되었다.
2. 600℃에서 15분간 열처리한 CdS소결막의 전기비저항은 이전의 소결시간에 상관없이 거의 일정하게(0.3$\Omega$-cm) 나타났다.
3. Hall measurement결과 CdS소결막의 electron concentration은 소결온도가 600℃와 650℃일 때 각각 $5.6\times10^{17}$과 $8.0\times10^{17}/cm^3$으로 소결시간에 무관하게 같은 값을 나타내었다.
4. 따라서 CdS소결막의 전기비저항은 electron mobility에 영향을 받고 있는 것으로 나타났다.
5. CdS소결막의 electron mobility는 grain boundary trap density와 관련된 grain boundary barrier height와 CdS입자간의 contact area로 설명할 수 있었는데, 소결막에 잔류하는 $CdCl_2$는 CdS입자간의 contact area를 감소시키고 grain boundary trap density를 증가시키는 것으로 나타났다.
6. CdS소결막을 열처리하면 잔류 $CdCl_2$가 제거되면서 grain boundary trap density가 감소하고 contacting정도가 양호해져 electron mobility가 증가하였다.
7. CdS소결막의 광투과도는 소결시간이 증가함에 따라 약 65%정도의 최대값을 보이다가 감소하는 경향을 나타내었으며, 열처리전후의 광투과도의 변화는 소결막의 입자크기와 소결막내에 잔류하는 $CdCl_2$의 양에 따라 서로 다르게 나타났다.
8. 열처리는 양산시 소결막의 제 성질을 균질화할 수 있는 공정으로 제안한다.
III-2-1 요약
열처리한 CdS소결막을 이용하여 CdTe층의 소결온도및 소결시간, CdCl2첨가량과 CdTe층의 도포폭을 변화시켜 소결체 CdS/CdTe 태양전지를 제작하고 그 특성을 살펴보았다. 그 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. CdTe층에 4 wt% $CdCl_2$를 첨가하고 소결온도와 시간을 달리하여 제조한 태양전지의 효율은 적절한 소결온도와 소결시간에서 극대값을 나타내었는데, 단락전류와 충실도에 영향을 받고 있는 것으로 나타났으며, 625℃에서 1시간 소결하여 제조한 태양전지가 85mW/$cm^2$의 태양광하에서 12.5%의 효율을 나타내었다.
2. 단락전류는 소결시 형성된 junction의 특성에 영향을 받으며 spectral response측정 결과 소결온도가 낮거나 소결시간이 짧은 경우 계면 재결합 손실이 크고 소결온도가 높으면 계면에 두꺼운 soid solution이 형성되어 단파장영역의 response를 감소되는 것으로 나타났다.
3. 태양전지의 충실도는 dark J-V characteritic과 series resistance와 관계지워 설명할 수 있었으며, CdTe층에 첨가한 $CdCl_2$와 소결조건에 크게 영향을 받고 있는데 CdTe소결시 interdiffusion에 의한 solid solution이 CdS와 CdTe간의 lattice mismatch를 줄여주어 junction quality를 향상시키는 역할을 하는 것으로 사료되었다.
4. CdTe층에 $CdCl_2$를 첨가한 경우 CdTe의 소결온도가 낮거나 소결시간이 짧을 때 dark current transport는 tunnelling mechanism으로 사료되었으며, 소결온도나 소결시간이 증가함에 따라 recombination and generation mechanism으로 되었고, $CdCl_2$가 interface state와 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다.
5. 적절한 소결조건에서 제조된 태양전지의 series resistance는 CdS소결막의 저항성분이 거의 대부분이며 contact과 CdTe층의 기여는 크지않은 것으로 나타났다.
6. CdTe층의 도포폭을 달리하여 제조한 태양전지의 특성을 살펴본 결과 CdTe상의 contact width를 약 4mm로 하는 것이 module efficiency를 극대화하는데 적당한 것으로 나타났다.
