Electrical Characterization of Solution-processed Chalcopyrite Thin Film Solar Cells

Abstract

고갈되어가는 화석 에너지에 대한 대안과 기후 변화에 대응하기 위하여 신재생에너지 분야에 대한 관심이 나날이 높아지고 있다. 특히, polycrystalline 박막 태양전지 중 가장 높은 효율 (20%)를 기록하고 있는 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지 관련 연구가 주목 받고 있다. Cu(In,Ga)(Se,S)2는 direct band gap semiconductor로 조성비에 따라 band gap (1.2 ~ 1.5 eV)을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 최근에는 많은 연구진들이 기존의 진공증착 방식을 대체하기 위하여 저가의 대면적 시료 제작이 가능한 비진공 기반의 공정 개발에 매진하고 있다. 본 연구에서는 습식공정으로 제작된 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지 특성에 대한 다양한 전기적 특성 분석을 수행하고 효율을 개선하기 위한 방안을 제시하고자 하였다. 전류-전압 특성 측정과 그 온도 의존성으로부터 CIGS 태양전지의 recombination mechanism을 포함한 electron transport 특성을 살펴보고자 하였다. 또 external quantum efficiency (EQE) 측정을 통해서 빛의 파장에 따른 광전류 변환 정도를 살펴보았으며, capacitance 측정을 통해 carrier 농도와 trap의 특성을 파악하였다. 아래와 같이 크게 두 종류 시료에 대한 일련의 체계적 실험을 수행하였다. 첫째, 습식공정으로 제작된 Cu(In,Ga)S2박막태양전지와 selenization을 통해 S를 Se으로 치환한 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지 특성을 비교하여 보았다. Bandgap energy가 큰 Cu(In,Ga)S2태양전지가 open-circuit voltage (VOC)는 크지만 Cu(In,Ga)(Se,S)2태양전지는 short-circuit current (JSC) 값이 커서 에너지변환효율은 Cu(In,Ga)S2가 8.28%, Cu(In,Ga)(Se,S)2가 8.81%로 비슷하게 나왔다. 전류-전압곡선분석 결과, Cu(In,Ga)(Se,S)2태양전지는 낮은 bandgap energy(Eg)로 인해 spike 형태의 conduction band offset을 갖는 것으로 추정되었다. Cu(In,Ga)S2는 JSC가 낮은 온도에서 급격히 감소하는 특성을 보이는데 이는 작은 grain 크기 때문에 이들 사이의 전자의 hopping transport가 영향을 끼친 것으로 사료되었다. Admittance spectroscopy 분석을 통해 Cu(In,Ga)S2시료의 경우, Cu site를 In이 치환한 형태의 defect이 존재하는 것으로 추정되었는데 조성 분석 결과 표면 석출된 In 결석의 존재가 확인되어 분석 결과를 잘 뒷받침하였다. 둘째, CuInS2(Eg = 1.2 eV)와 Cu(In,Ga)S2(Eg = 1.5 eV) 두 종류의 층을 적층한 태양전지를 제작하고 그 특성을 비교하여 보았다. 그 결과 흡수층 하단에 Ga이 포함된 소자가 상단에 Ga이 포함된 소자보다 높은 에너지 변환 효율을 보였다. 또, 두 종류 소자는 external quantum efficiency 특성에서도 큰 차이를 보였다. 이는 Ga 조성비 변화에 따라 Eg grading이 나타난 결과 conduction band minimum이 Mo 후면전극 쪽에서 점진적으로 높아짐에 따라 효율적인 carrier 포획이 가능하였기 때문으로 파악되었다. 또한, 흡수층 하단의 높은 Ga 비율은 후면전극 근처에서의 carrier recombination을 억제하여 VOC의 증가에도 기여할 수 있음을 확인하였다. 습식공정으로 제작된 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지의 제작연구는 아직 비교적 초기 단계로 향후 더욱 많은 연구진들에 의해서 다각적인 연구 노력이 이루어질 전망이다. 본 연구에서는 습식공정으로 제작된 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지의 전기적 특성 평가를 통해서, 기존 진공방식으로 제작된 소자와는 상이한 특성들을 발견하기도 하였고 또 효율증진을 위한 방안을 제안할 수 있었다. 이러한 연구결과가 향후 비진공 증착 Cu(In,Ga)(Se,S)2박막태양전지 개발에 기여할 수 있기를 기대하여 본다.;Recently, researches on renewable energy have gained great attention due the climate change and exhaust of fossil fuels. In particular, Cu(In,Ga)(Se,S)2 has attracted increasing research interest since it shows the highest energy conversion efficiency (20%) among polycrystalline thin film solar cells. Cu(In,Ga)(Se,S)2 is a direct band gap semiconductor and its band gap energy (Eg) (1.2~1.5 eV) is tunable by adjusting the composition. Recently many scientists are carrying out intensive researches to develop non-vacuum fabrication processes of Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin film solar cells with low-cost and large-area capability, as alternative approaches of the conventional vacuum-processes. In this study, we performed various electrical characterization of solution-processed Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin film solar cells and attempted to suggest ways to enhance the efficiency. From temperature-dependent current-voltage (I-V) characteristics, we studied the transport mechanism, including the dominant recombination process and influences of parasitic resistance. External quantum efficiency (EQE) and capacitance (C) measurements revealed the wavelength-dependent photocurrent generation behaviors and characteristics of carriers/traps, respectively. First, we comparatively investigated the photovoltaic properties of Cu(In,Ga)S2 and Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin film solar cells prepared by the solution-process. The Cu(In,Ga)S2 cell exhibited larger open-circuit voltage (VOC) and the Cu(In,Ga)(Se,S)2 cell showed larger short-circuit current density (JSC). The two kinds of cells showed similar power conversion efficiency: 8.28% of Cu(In,Ga)S2 and 8.81% of Cu(In,Ga)(Se,S)2. The J-V characteristics of the Cu(In,Ga)(Se,S)2 cell suggested that a spike-type conduction band offset should be present due to the small bandgap energy. JSC of Cu(In,Ga)S2 showed drastic decrease at low temperatures, which could be attributed to the hopping transport owing to the small-sized grains. The admittance spectroscopy (AE) suggested that the Cu(In,Ga)S2 cell had the InCu traps. Segregation of In, found from surface compositional analyses, well supported the AE analyses. Secondly, we compared the photovoltaic properties of the cells, prepared by stacking of two layers: CuInS2 (Eg=1.2 eV) and Cu(In,Ga)S2 (Eg=1.5 eV). The cell with higher Ga content at the bottom showed higher efficiency than that with higher Ga content at the top. The two kinds of cells showed quite distinct EQE characteristics. The origin could be attributed to the bandgap grading and resulting efficient carrier collection by the compositional gradient of the Ga concentration. The back surface grading could suppress the carrier recombination near the back surface and raise VOC. Researches on fabrication of solution-processed Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin film solar cells are still in early stage, and hence various research efforts by many groups are expected. Systematic electrical characterizations of the solution-processed cells and comparative investigations with vacuum-processed cells will lead to strategies to improve the efficiency. All these research efforts will contribute to development of solution-processed Cu(In,Ga)(Se,S)2 thin film solar cells.