AgOₓ 웨팅 층으로 금속 산화물 전극 개선: 고효율 CIGS 태양전지 구현

초록

산화물/금속/산화물(OMO) 다층 구조는 박막 태양전지 전면 전극으로 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체합니다. 이 다층 구조는 전체 전극 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 이용해 셀 색상 구현도 가능합니다. 그러나 시트 저항과 기생 흡수는 금속 층에 크게 의존하므로 태양전지 고효율 달성을 위해 추가 감소가 필요합니다. 본 논문에서는 Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) 박막 태양전지 성능 향상을 위해 OMO 전극에 AgOₓ 웨팅 층을 적용했습니다. AgOₓ 웨팅 층이 다층 전극 투과율과 전도성을 높이는 효과적 수단임을 보였습니다. 제시된 접근법으로 금속(Ag) 막 두께 6 nm까지 낮추면서 단락 전류 밀도를 28.8에서 33.9 mA/cm²로 18% 향상시켰습니다. 본 결과는 OMO 전극이 박막 태양전지에서 알루미늄 도핑 산화아연 같은 기존 투명 전도성 산화물을 효과적으로 대체할 수 있음을 강조합니다.

서론

산화물/금속/산화물(OMO) 전극은 발광 다이오드, 디스플레이, 터치스크린, 광전 모듈 등 다양한 소자에서 전극으로 쓰이는 인듐 주석 산화물이나 알루미늄 도핑 산화아연(AZO) 같은 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체할 수 있습니다. OMO 전극의 얇은 두께에서 비롯되는 핵심 장점은 짧은 증착 시간과 향상된 기계적 유연성입니다. 이로 인해 생산 비용이 저렴하고 TCO에 대한 견고한 대안이 되면서 동등하거나 우수한 광학 및 전기적 특성을 제공합니다[1, 2]. 비정질 실리콘 박막 태양전지 사례에서 OMO 전극이 기존 AZO 전극과 동등하거나 더 나은 결과를 달성할 수 있음이 이미 입증되었습니다[3]. 또한 낮은 증착 온도로 유기 광전지나 폴리머 기판 같은 온도 민감 소자에도 적합합니다[1, 2].

가장 흥미롭게도 OMO 전극은 층 계면 다중 반사로 인한 간섭 때문에 광학 공동 역할을 합니다. 이를 통해 높은 반사율 금속 층 사용에도 불구하고 매우 높은 투과율 광대역 피크를 갖도록 전극 설계가 가능합니다[1, 3]. 낮은 굴절률(따라서 높은 반사율) 금속을 사용하면 광학 공동 세기나 미세도가 증가하여 공명 영역 투과율도 증가합니다[4]. 투과율과 반사율 피크 스펙트럴 위치는 산화물 층 광학 두께에 의해 결정되고, 전기 전도성은 주로 금속 막에 의해 영향을 받습니다. 따라서 광학 특성을 전기적 특성과 독립적으로 조절할 수 있습니다. 이는 다양한 광전 흡수체나 셀 기술의 전기적, 광학적 요구사항에 맞춰 전극 설계가 가능할 뿐만 아니라 다기능적으로도 활용할 수 있게 합니다. OMO 전극 특수 광학 특성을 PV 모듈 색상 구현에 활용할 수 있음이 밝혀졌습니다[5,6,7]. 이전에 통합 색상 구현 OMO 전극을 CIGS 박막 태양전지에 적용했는데, 이는 건물 통합형 모듈에 매력적 옵션입니다[5]. OMO 전극 개발 큰 과제 중 하나는 두 산화물 층 사이에 샌드위치된 초박막 금속 층(<15 nm) 증착입니다. 여기서는 일반적으로 은(Ag)을 사용하는데, 모든 금속 중 가장 낮은 비저항을 가지기 때문입니다[8]. 이상적으로 Ag 막은 최고 투과율과 최소 흡수 손실을 위해 최대한 얇아야 합니다. 따라서 이론적 하한은 원하는 전도성에 의해서만 설정됩니다. 그러나 Ag의 현저한 탈습으로 인해 페를리케이션 임계값(d_pt) 약 10 nm 미만 Ag 층에서 3차원 볼머-베버형 섬 성장이 관찰됩니다[2, 9,10,11,12]. 이러한 낮은 두께에서 금속 클러스터 표면 플라즈몬 공명으로 인한 흡수와 산란으로 투과율이 심각하게 제한됩니다[2, 13, 14]. 또한 섬 형성으로 비저항이 증가합니다[15, 16]. 페를리케이션 임계값 d_pt 이상 금속 두께 증가로 완전 폐쇄된 연속 막으로 전이됩니다. 이는 비저항 감소와 투과율 피크 높이 증가 동반하지만, d > d_pt로 확실히 두꺼운 층에서는 투과율이 다시 감소합니다[2, 12, 17]. d_pt 값은 증착 금속, 기판, 계면 표면 자유 에너지와 관련됩니다[18]. d_pt 감소와 기판 접착력 증가 또는 금속/계면 표면 자유 에너지 감소를 통한 평평한 Ag 층 완전 피복 달성을 위한 다양한 전략이 제안되고 상세히 검토되었습니다. 여기에는 다른 금속 합금화[19, 20]나 Ag 층 증착 중 가스 첨가[10, 12]가 포함됩니다. 또한 Ge, AgOₓ, Cu 등 다양한 웨팅 층이 박막 Ag 층 품질 개선을 위해 연구되었습니다[2, 17]. Ge가 최적 습윤성을 제공하지만 강한 흡수로 인한 광학 손실이 광학 응용에 부적합합니다[17]. 특히 AgOₓ가 유망한 결과를 보였습니다. Zhao 등은 OMO 전극에서 AgOₓ 웨팅 층 유무에 따라 Ag 층 페를리케이션 두께가 6 nm와 8 nm임을 발견했습니다[17], H. Jo 등과 W. Wang 등도 완전 AgOₓ 막으로 유사한 결과 달성했습니다[10, 12]. AgOₓ는 반응성 가스 산소 첨가로 OMO 공정에 쉽게 구현 가능합니다. 또한 AgOₓ 웨팅 층(WL)은 완전 AgOₓ 층보다 선호되는데, AgOₓ 굴절률이 순수 Ag보다 높아 AZO와의 굴절률 차이가 작아져 광학 공동 세기가 감소하기 때문입니다[11, 12]. OMO 전극이 이전에도 CIGS 태양전지에 사용되었지만[5, 21], 웨팅 층이 OMO/CIGS 태양전지에 미치는 영향은 아직 연구되지 않았습니다. 본 논문에서는 AgOₓ 웨팅 층이 CIGS 태양전지 투명 전면 전극으로 사용된 OMO에 미치는 영향을 실증합니다. 기존 OMO 다층 구조 대비 AgOₓ 웨팅 층이 있는 OMO 전극 사용 시 CIGS 셀 광전류와 효율을 유의미하게 증가시킬 수 있음을 보입니다(Fig. 1).

재료 및 방법

기준 산화물/금속/산화물(OMO) 전극은 이전 설명대로 실온에서 DC 마그네트론 스퍼터링으로 제조했습니다[5]. OMO 전극 하부와 상부 AZO 층 두께는 각각 20 nm, 63 nm이며 산소 유량 0 sccm과 5 sccm으로 증착했습니다. Fig. 1에 보인 산화물/웨팅층/금속/산화물(OWLMO) 전극은 첫 산화물 증착 후 Argon 45 sccm, 산소 10 sccm, 0.8 Pa, 200 W, 실온에서 1초간 Ag 스퍼터링으로 추가 AgOₓ 웨팅 층 증착으로 달성했습니다. 반응성 스퍼터링으로 알려진 대로 AgOₓ 증착 속도는 순수 Ag와 같거나 약간 낮다고 가정했습니다. 따라서 웨팅 층 두께를 1 nm로 추정하고, 웨팅 층 뒤 6 nm 순수 Ag를 총 7 nm 두께로 기술했습니다. Ag와 AZO 스퍼터 공정 증착 속도는 Veeco Dektak 150 프로필로미터로 결정했습니다. 본 연구 기술된 시료 층 두께는 이 증착 속도 기반으로, Ag 1.03 ± 0.08 nm/s, 0 sccm 산소 유량 AZO 1.41 ± 0.02 nm/s, 5 sccm 산소 유량 AZO 1.38 ± 0.01 nm/s였습니다. 사용된 CIGS 셀은 AVANCIS의 최첨단 Cd-free CIGS 공정 기반으로 소형 모듈에서 최대 19% 개구 효율 달성[22]. 대체 전면 전극 적용 위해 이 셀들을 수정해 본 연구 적합 테스트 셀로 만들었습니다. 구체적으로 표준 전면 전극 AZO 완전 제거 대신 두께를 약 200 nm로 줄여 최첨단 셀 최적화 계면 유지했습니다. 또한 이는 운송 중 셀 안정성 보호와 실험 재현성 증가 이점도 있습니다. CIGS 시료 전체 크기 2.5 × 2.5 cm²에서 기계적 스크라이빙으로 아홉 0.25 cm² 셀 생성. OMO/CIGS 시료 반사 스펙트럼은 적분구 장착 UV-VIS Cary 5000 분광광도계로 기록. OMO/CIGS 시료 시트 저항은 Jandel RM3-AR 4점 프로브 시스템으로 측정. CIGS 취성으로 비최적 접촉(예: 후면 전극 관통)이 시트 저항 값 이상치 유발 가능. 따라서 평균 대신 중앙값 시트 저항 값 사용. 시료당 15-20회 측정으로 중앙값 시트 저항 결정. 셀 성능 평가를 위해 WACOM 듀얼 램프 태양 모의기로 표준 테스트 조건(AM1.5G 스펙트럼, 1000 W/m², 25°C) 하에서 전류-전압 측정 수행. 시스템 효율 상대 오차 1.13%(기준 셀 오차, 측정 장치 오차, 조사 전력 변동 포함). 외부 양자 효율(EQE)은 LOT Oriel RR-2100 측정 시스템으로 기록.

결과 및 토론

웨팅 층 유무(OWLMO, OMO)에 따른 시료 전기적 성능을 저항 특성으로 평가했습니다. Fig. 2에 시료 시트 저항을 보였습니다. OMO 전극 증착 전 CIGS 태양전지 부분 전면 전극 시트 저항 56 ± 3 Ω/sq 측정. 예상대로 Ag 두께 증가에 따라 OMO와 OWLMO 시료 모두 시트 저항 감소하지만, OWLMO 시료가 전반적으로 더 낮은 시트 저항 보입니다. 그러나 일정 비저항 물질(점선)과 비교 시 OWLMO 전극 비저항만 예상 추세 따릅니다. OMO 전극 시트 저항은 일정 비저항 예상치보다 얇은 Ag 층에서 훨씬 급격히 상승합니다. 이는 OMO 시료에서 8 nm 미만 Ag 층이 볼머-베버형 섬 성장으로 완전 폐쇄되지 않음을 나타내며, OWLMO 시료 AgOₓ 웨팅 층이 이 탈습 거동 억제함 시사합니다. OWLMO 시료 시트 저항은 OMO 시료보다 낮을 뿐만 아니라 모든 두께에서 약 8.2 µΩcm 거의 일정한 비저항 달성. 이는 웨팅 층 덕분에 6 nm(WL + Ag) 같은 낮은 두께에서도 Ag 막 높은 피복도 달성 가능함을 나타냅니다. 6(8) nm WL + Ag 달성 시트 저항 13.9(10.3) Ω/sq는 G. Zhao 등이 PET 기판에서 12.5 Ω/sq 보고한 것과 잘 일치합니다[17]. CIGS 셀에서 Kang 등은 Cu-Mo 금속 층 쓴 OMO 전극 최고 성능 셀 시트 저항 104 Ω/sq 보고했습니다[21]. 벌크 Ag 비저항 1.6 µΩcm에 불과하므로[8] Ag 쓰는 OMO 전극 추가 개선 가능할 수 있습니다.

Fig. 3에 웨팅 층 유무에 따른 셀 JV 특성 나타냈습니다. 웨팅 층 포함 시료가 기준 OMO 전극 대비 최대 5 mA/cm² 증가한 전류 밀도 보입니다. 또한 OWLMO 전극 시료는 Ag 두께 증가에 따라 전류 밀도 감소하는 반면, OMO 전극 시료 전류 밀도는 6-8 nm Ag 범위에서 변화 없습니다. Fig. 4에서 단락 전류 밀도 J_SC 대 두께 플롯으로 이 추세 명확히 보이지만, 개방 전압이나 충전율에 명확한 영향은 없습니다. 더 두꺼운 금속(Ag) 층 반사율 증가로 전류 밀도 감소 예상되나, 작은 시료 크기(0.25 cm²)로 시트 저항이 J_SC에 유의미한 영향 없음. Fig. 5에 각 시료 EQE와 각각 반사율 나타냈습니다. EQE 측정은 전류-전압 특성화 결과 확인. OWLMO 층과 OMO 층 명확히 구분됨. 웨팅 층이 400-1200 nm 파장 구간에서 양자 효율 최대 17% 향상. 710 nm에서 반사율 약 2% 약간 감소 관찰되나 EQE 증가 설명엔 부족. 또한 웨팅 층 도입으로 800 nm 이상 파장에서 반사율과 EQE 증가. 따라서 Ag 층 흡수 감소로 OWLMO 전극 투과율 향상됨 결론. 적분 EQE로 계산된 단락 전류 밀도도 JV 측정 결과와 잘 일치(표 1).

앞서 언급한 바와 같이 Fig. 4에서 웨팅 층 없는 OMO 시료 J_SC가 Ag 층 두께 영향 받지 않음 보입니다. Fig. 5 EQE 결과에서 이는 장파장 영역 EQE 감소가 가시광선 영역 짧은 파장 증가로 상쇄되기 때문. 이는 두께 증가에 따른 Ag 층 피복도와 반사율 향상으로 Ag 층 품질 효과적 개선 때문으로 귀속. 이는 OMO 스택이 가시광선 영역 투과율 증가 위해 튠된 광학 공동 미세도 향상시킴[5]. 같은 논리로 OMO 시료 800 nm 이상 파장 반사율 Ag 두께 증가로 증가해 해당 스펙트럴 영역 EQE 감소.

OWLMO 시료 경우 더 높은 파장에서 Ag 두께 증가에 따른 반사율 증가 효과 더 뚜렷. OWLMO와 OMO 시료 비교 시 800 nm 이상 반사율 증가와 400-1200 nm 흡수 감소 모두 웨팅 층으로 더 유리한 Ag 층 형태 달성됨 나타냄.

Fig. 6에 비복사 재결합 손실과 기생 흡수 나타냈습니다. 웨팅 층 사용이 전면 접촉 기생 흡수 감소시킴 명확. 앞서 논의한 바와 같이 이는 웨팅 층으로 Ag 층 균질도와 피복도 개선, 페를리케이션 두께와 거칠기 감소 때문으로 귀속. 이들 Ag 층 변화가 흡수 감소 초래함은 다른 기판 사용 선행 연구에서도 관찰[12, 17].

OMO 전면 접촉 개선에도 본 연구 달성 약 13% 효율은 Avancis 최첨단 CIGS 모듈 19%[22] 미만. 그러나 OMO 전극 주로 전류 생성 영향 줄 수 있으므로 단락 전류 밀도 비교가 더 유용. 본 연구 34 mA/cm² 달성 vs 문헌 36.3 mA/cm²로 전체 셀 스택 최적화 전에도 OMO 기술 경쟁력 입증[22].

결론

CIGS 태양전지 산화물/금속/산화물 전면 접촉에 AgOₓ 웨팅 층 조사하여 단락 전류 밀도와 전반적 효율 개선 도모. Ag 두께 6 nm에서 시트 저항 22.71→13.89 Ω/sq 감소, 단락 전류 밀도 28.8→33.9 mA/cm² 증가 달성. 결과는 웨팅 층으로 Ag 막 페를리케이션 두껝 유의미 낮춤 성공, 전극 기생 흡수 감소 결과 나타냄. 웨팅 층 추가로 관찰된 Ag 막 품질 향상(높은 투과율과 전도성)은 선행 연구 결과와 잘 일치. 이 결과 바탕으로 웨팅 층이 CIGS 박막 태양전지 적용 OMO 전극 개선을 위한 가치 있는 추가 요소임 결론.