PV devices, especially $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells have received lots of attention due to long-term stability in outdoor condition, and material properties such as the tunable band gap energy and the high absorption coefficient. Attributed to those material properties, the CIGS solar cells have achieved the honor of being one of the five (CIGS, Si, Perovskite, CdTe, GaAs) solar cells that exhibit over 20% of power conversion efficiency. Despite of the great honor, there are two disadvantages: it utilizes CdS buffer layer which contains environmentally hazardous element (Cd) and Al doped ZnO window layer which shows free carrier absorption in long-wavelength region. In this Master’s thesis, thus, to solve the two problems we adopt Bi-functional ZnTiO layers as a buffer layer and a transparent conducting oxide layer. Mostly, we focus on the developing Cd-free ZnTiO buffer and its related wet pre-treatment effects, and partially on ZnTiO transparent conducting oxide in this thesis. Here, we report on the development of the novel Cd-free ZnTiO buffer layer deposited by atomic layer deposition. PV-device targeted properties such as band gap energy and electrical properties of buffer layer were optimized by tuning the relative concentration ratio of Zn and Ti elements. In order to improve the quality of the CIGS/ZnTiO interface the effects of the pre-treatment of CIGS absorber with the aqueous solution of $NH_4OH$, aqueous solution of $Cd^{2+}$, and $H_2O$ on the PV performance of Cd-free solar cells were studied. For this purpose, the quantification of the optoelectronic structure of the CIGS/ZnTiO interface was provided and pre-treatment effects on the chemical and electronic surface structure of absorber were investigated. The XPS depth profile and UPS analyses provide an explanation to the origin of the increase of device efficiencies induced with treatment of absorbers. The experimental results suggest that the reason of the increase the PCE of solar cells is the removing the Na compounds, that provides the strong p-n junction by reducing the shunt leakage, and the water is main factor that impact to this process. We also proof this conclusion by comparative characterization of devices fabricated on SLG (containing Na) and Corning Glass (Na-free). Application of the $H_2O$ treatment enables increase efficiency values of up to 9.03% for SLG-based device, while a cell based on Na-free glass shown a negligible PCE improvement. The obtained results provide a simple and attractive approach toward designing next generation CIGS solar cells with bi-functional ZnTiO layer, which able to replace both a buffer and a trans-conducting oxide layers. We fabricated CIGS solar cells with Bi-functional ZnTiO layer as a buffer and a transparent conducting oxide layer. We obtained improved current density (Jsc) compared to conventional CIGS solar cells structure, which is mainly attributed to high transmittance of ZnTiO TCO layer without free carrier absorption in long-wavelength region. However, the lowered open circuit voltage ($V_{OC}$) was main reason why CIGS solar cells with Bi-functional ZnTiO layer couldn’t surpass conventional structured CIGS solar cells, which resulted from Zn diffusion in to CIGS absorber layer during deposition of TCO under relative high temperature ($240^\circ C$). As a result, the diffusion barrier at the CIGS/buffer or TCO/buffer should be included to reduce VOC loss.
$Cu(In,Ga)Se_2 (CIGS)$ 태양전지는 외부 환경에 대한 안정성과 높은 흡수계수 및 밴드갭 조절이라는 물질적 특성으로 인하여 많은 관심을 받아왔다. 이러한 성질들 덕분에 광 변환 효율이 20%가 넘는 몇 안되는 태양전지라는 명예를 얻었을 뿐만 아니라 지금까지도 광 변환 효율 25%의 벽을 깨기 위해 많은 연구가 되고 있다. 하지만 환경적으로 유해한 Cd (카드뮴)과 장파장 영역에서 자유 캐리어 흡수를 보이는 Al:ZnO를 사용한다는 단점을 가지고 있다. 본 석사학위논문에서는 이 두가지 문제점을 해결하기 위하여 버퍼층과 투명 전도성 산화막 층으로 모두 사용 가능한 다기능성 ZnTiO 박막에 대하여 연구하였다. 주로, 무카드뮴 ZnTiO 버퍼층과 이를 위한 용액 전처리 효과에 대해 서술하였으며, ZnTiO 투명 전도성 산화막에 대한 가능성과 약간의 결과에 대해 서술하였다. 본 연구에서 사용된 ZnTiO 버퍼층 (또는 투명 전도성 산화막)은 원자층 증착법 (ALD)를 통하여 증착되었으며, 밴드갭과 전기적 특성은 Zn와 Ti의 상대적인 농도를 통하여 조절하였다. CIGS/ZnTiO 버퍼층 경계면의 막질을 향상시키기 위해 $NH_4OH$, Cd 수용액, $H_2O$ 전처리를 진행하였으며 각 전처리 용액이 CIGS 태양전지 효율에 미치는 영향을 연구하였다. XPS와 UPS 분석을 통하여, 용액 전처리 이후 CIGS 표면에 존재하는 Na 화합물 ($Na_2CO_3$)이 제거되면서 향상된 PN접합을 이루고 이로 인하여 CIGS 태양전지의 효율이 증가한다는 사실을 밝혀냈다. Na이 포함된 SLG (soda lime glass)와 Na이 없는 Corning 유리 위에 제작된 CIGS 태양전지의 성능 비교 분석을 통하여 위의 결과를 다시 한번 확인하였다. 또한, 버퍼층과 투명 전도성 산화막으로 모두 이용 가능한 다기능성 ZnTiO 박막을 CIGS에 적용하였다. ZnTiO 투명 전도성 산화막을 이용하여 자유 캐리어 흡수 문제를 해결해 기존 CIGS 구조 대비 높은 단락전류밀도 (Jsc)를 얻었지만, 개방전압 (Voc)가 감소한다는 결과를 얻었다. Voc가 감소하는 원인으로 상대적으로 높은 온도에서 (240도) ZnTiO 투명 전도성 산화막이 증착될 때, CIGS 흡수층 쪽으로 확산되는 Zn라는 사실을 밝혀냈다. 따라서 다기능성 ZnTiO 박막을 CIGS 태양전지에 이용하기 위해서는 Zn 확산을 막기 위한 Zn 확산 방지막이 필요하며 이에 대한 심도있는 연구가 필요하다는 사실을 밝혀냈다.
