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ZnO 투명전도막과 Al그리드의 공정변화에 따른 Cu(In,Ga)Se2 박막태양전지의 특성 연구 = Effect of process variation of ZnO transparent electrode and Al grid on the performance of Cu(In,Ga)Se2 solar cells
서명 / 저자 ZnO 투명전도막과 Al그리드의 공정변화에 따른 Cu(In,Ga)Se2 박막태양전지의 특성 연구 = Effect of process variation of ZnO transparent electrode and Al grid on the performance of Cu(In,Ga)Se2 solar cells / 조보환.
저자명 조보환 ; Cho, Bohwan
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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CIGS Solar cell consisted of various thin films. they included Mo, CIGS absorber layer, CdS, i-ZnO, ZnO:Al, electrode thin film. Each thin film is important to operate CIGS solar cells. If we change process factor of deposited thin films, each thin film could improve properties. And they were applied to make CIGS solar cells that had high performances. Until now, we have mainly dealt with CIGS absorber layer and CdS thin film. In this research, we dealt with films such as ZnO:Al, i-ZnO, electrode thin film that are as important as other layers.(CIGS absorber layer, CdS thin film) First, we investigated ZnO:Al thin film. ZnO:Al has advantages. One of things is high electrical conductivity. To improve its advantage, we confirmed properties of ZnO:Al thin film with sputtering power and it was applied to make the CIGS Solar cells to observe photovoltaics properties. The sputtered ZnO:Al thin film with sputtering power at 200W showed high mobility, bulk concentration and low resistivity. The sputtered ZnO:Al thin film with sputtering power at 220W showed high optical properties. Based on the results, we confirmed that sputtering power at 200W, 220W showed high electrical, optical properties, respectively. When it was applied to make CIGS Solar cells, sputtering power at 200W, 220W showed low series resistance, high efficiency, respectively. Although sputtering power at 200W had superior electrical properties, sputtering power at 220W had high efficiency. It might be thought that they had different optical properties and thickness. Second, we investigated i-ZnO thin film. The role of i-ZnO thin film applied to CIGS solar cells is that it prevents leakage current on operating CIGS solar cells. To improve its properties, we confirmed properties of i-ZnO thin film with O2 pressure ratio, sputtering power and it was applied to make CIGS solar cells to observe photovoltaics properties. Optical properties of i-ZnO thin film had good properties as O2 pressure increased. we might be thought that non-stoichiometry of i-ZnO thin film became stoichiometry. In the PL, i-ZnO thin film{Ar:O2=15:05(25%)} had low defects.(oxygen vacancy, zinc interstitial). When it was applied to make CIGS solar cells, cell{Ar:O2=20:01(5%)} showed high efficiency due to change of band and series resistance. Ar:O2=15:05(25%) showed high Voc due to low defects of i-ZnO thin film. In the sputtering power, transmittance was not different on i-ZnO thin films with sputtering power. In the PL, we confirmed that i-ZnO thin film with sputtering power at 50W showed low defects.(oxygen vacancy, zinc interstitial) When it was applied to make CIGS solar cells, sputtering power at 50W in CIGS solar cells showed high efficiency. It affected high efficiency in CICS solar cells that they had high Fill Factor, Voc of photovoltaics properties. Third, we investigated electrode thin film. The role of it in the CIGS solar cells is collection of current. To improve the properties, we controlled Al thickness, double layer using Nickel(50nm) layer in CIGS Solar cells and observed photovoltaics properties of CIGS Solar cells. The cell performance of Al 3000nm was lower than that of Al 400nm due to the difference of Jsc. We measured QE and SEM to confirm different Jsc. QE of Al 3000nm was broadly lower that of Al 400nm. We confirmed that Al 3000nm in CIGS solar cells was damaged by detaching mask. Al 3000nm was not suitable to make the CIGS solar cells. We tried to other Al thickness(450, 500, 600, 700nm). We observed different Jsc as compared to other similar factors. Especially, using Al 600nm in making CIGS solar cells showed high Jsc and efficiency. In inserting nickel(50nm) layer, no change in the CIGS solar cell performance by inserting Ni(50nm) layer at Al 3000nm. But, when we made enough low pressure condition, inserting Ni(50nm) layer at Al 400nm showed high efficiency than Al 400nm due to decrease of series resistance and improvement of Fill Factor.

CIGS 태양전지는 다양한 박막들로 구성되어 있다. 태양전지에는 Mo, CIGS 흡수층, CdS, i-ZnO, ZnO:Al, 전극 박막으로 구성되어 있다. 각 층들은 CIGS 박막 태양전지를 구동하는데 중요한 역할을 하게 된다. 만약에 증착 되는 박막들의 공정변수를 변화를 주게 된다면 각 층들은 특성들이 향상 될 것이다. 그리고 이를 CIGS 박막 태양전지를 제작 시에 좋은 성능을 가지게 할 수 있게 된다. 지금까지 우리는 주로 CIGS 흡수층과 CdS 박막 층에 대해서 다루어 왔다. 이번 실험에서는 CIGS 흡수층, CdS 박막층 만큼 중요한 ZnO:Al, i-ZnO, 전극 층에 대해서 다룰 것이다. 처음으로, ZnO:Al 박막층에 대해서 다룰 것이다. ZnO:Al 박막은 장점들을 가지고 있다. 장점 중에 하나는 높은 전기적 전도성을 가지고 있다는 것이다. 이러한 장점을 향상시키기 위해서는 스퍼터 파워를 변화시킴에 따라서 ZnO:Al 박막층의 특성을 확인해 보고 이를 CIGS 박막태양전지 제작을 하여서 CIGS 박막 태양전지의 특성을 살펴볼 것이다. 파워가 200W 일 때 ZnO:Al 박막 층이 높은 이동도, 농도 그리고 낮은 비저항 값을 가지게 된다. 파워가 220W 일 때 ZnO:Al 박막 층은 높은 광학적인 특성을 가지게 된다. 이러한 결과를 기반으로, 파워가 200W, 220W 일 때 ZnO:Al 박막 층이 각 각 높은 전기적, 광학적 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다. 이를 CIGS 박막 태양전지를 제작 하였을 때, 파워가 200W, 220W 일 때 각 각 낮은 series 저항, 높은 효율을 가진다는 것을 확인 할 수 있었다. 비록 파워가 200W 일 때 전기적 특성을 가질 지라도, 파워가 220W 일 때 높은 효율을 가졌다. 이것은 파워가 220W 일 때 높은 광학적인 특성과 두께로 생각해 볼 수 있다. 두 번째로, i-ZnO 박막층에 대해서 다룰 것이다. CIGS 박막태양전지에서 i-ZnO 박막의 역할은 CIGS 박막 태양전지 구동 시에 불필요한 전류가 흐르는 것을 막는 것이다. 이러한 특성을 향상시키기 위해서, 산소 분압, 스퍼터 파워 변화에 따른 i-ZnO 박막의 특성 변화를 확인한 후에 이를 CIGS 박막 태양전지에 적용 하였을 때 어떠한 특성 변화가 있는지에 대해서 살펴 볼 것이다. i-ZnO 박막의 경우에 산소 분압이 증가할수록 좋은 광학적인 특성을 가지게 된다. 이는 비 화학양론 적 이었던 i-ZnO 박막이 화학양론적으로 변화된 거에 기인한 것이라고 생각해 볼 수 있다. PL에서는 i-ZnO 박막이 Ar:O2=15:05(25%)일 때 낮은 결함들(oxygen vacancy, zinc interstitial)이 존재한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 태양전지 제작에 적용 하였을 때, Ar:O2=20:01(5%)일 때 높은 효율을 가진다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 밴드 구조의 변화와 series 저항의 값에 의한 것에 기인한 결과 값이다. 그리고 Ar:O2=15:05(25%)일 때 높은 Voc를 가진다는 것을 확인 할 수 있었는데, 이는 i-ZnO 박막에서의 낮은 결함에 의한 것이라 생각해 볼 수 있다. 스퍼터 파워 변화에서는, 투과도가 스퍼터 파워 변화에 따라서 거희 차이가 없는 것을 확인 할 수 있었다. PL에서는, 스퍼터 파워가 50W일 때의 i-ZnO 박막에서 낮은 결함들(oxygen vacancy, zinc interstitial)이 존재한다는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 CIGS 박막 태양전지 제작에 적용 하였을 때, 스퍼터 파워가 50W일 때 높은 효율을 가진다는 것을 알 수 있었다. 이는 높은 Fill Factor, Voc 값으로 인한 것으로 생각해 볼 수 있다. 세 번째로, 전극 부분에 대해서 다룰 것이다. CIGS 박막 태양전지에서 전극의 역할은 전류를 수집하는 것이다. 이러한 특성을 향상시키기 위해서, Al 두께 변화, Ni(50nm)층을 사용하여서 CIGS 박막 태양전지 특성에 어떠한 변화가 있는지에 대해서 알아 볼 것이다. Jsc 차이 때문에 Al 3000nm일때의 CIGS 박막 태양전지 성능이 Al 400nm 일 때 보다 낮다는 것을 확인 할 수 있었다. Jsc의 차이를 확인하기 위해서 QE와 SEM를 측정 해 보았다. QE에서는 Al 3000nm일 때가 Al 400nm 일 때 보다 전반적으로 낮은 값을 가진다는 것을 확인할 수 있었고, SEM 이미지 에서는 Al 3000nm를 사용한 경우에 많은 손상을 입은 것을 확인할 수 있었다. 이를 기반으로 하여 현재 시스템에서 Al 3000nm를 CIGS 박막태양전지를 제작하는데 부적합 하다는 것을 판단 할 수 있었다. 그래서 Al를 다른 두께(450, 500, 600, 700nm)를 시도해 보았다. 두께에 상관없이 다른 요소들은 비슷한 값을 가졌으나, Jsc 값에서는 차이가 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 특히, Al 600nm를 CIGS 박막 태양전지 제작에 적용하였을 때 높은 Jsc와 효율을 가진다는 것을 확인 할 수 있었다. Ni 박막(50nm)를 사용한 실험에서는, Al이 3000nm일 때 Ni(50nm)를 사용하는 것은 CIGS 박막 태양전지의 성능에 좋은 영향을 끼치지 않는 다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나, 충분한 진공상태에서, Al 400nm일 때 Ni(50nm)를 적용하였을 때는 Al 400nm만 사용하였을 때 보다 높은 효율 값을 가진다는 것은 확인 할 수 있었다. 이는 series 저항 감소와 Fill Factor의 증가로 생각 해 볼 수 있다.

서지기타정보

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청구기호 {MMS 15044
형태사항 ix, 107 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Bohwan Cho
지도교수의 한글표기 : 안병태
지도교수의 영문표기 : Byung Tae Ahn
부록 수록
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 참고문헌 : p.
주제 i-ZnO 박막
ZnO:Al 박막
Al 두께
Ni(50nm) 층
CIGS 태양전지
i-ZnO thin film
ZnO:Al thin film
Al thickness
Ni(50nm) layer
CIGS solar cells
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