[에너지공학] CuIn 비에 따른 CuInS2 박막의 특성에 관한 연구

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소개글
[에너지공학] CuIn 비에 따른 CuInS2 박막의 특성에 관한 연구에 대한 자료입니다.
목차
1. 서 론

2. 실 험

3. 결과 및 고찰

3.1 CuInS2의 구조적 특성

3.2 CuInS2의 전기적 특성

3.3 CuInS2의 광학적 특성

4. 결 론

참고 문헌

본문내용
Cu/In 비에 따른 CuInS2 박막의 특성에 관한 연구
A Study on Properties of Cu/In ratio on the CuInS2 thin film

Abstract
CuInS2 thin films were synthesized by sulpurization of Cu/In Stacked elemental layer deposited onto glass Substrates by vacuum furance annealing at temperature 200[℃].
And structural and electrical properties were measured in order to certify optimum conditions for growth of the ternary compound semiconductor CuInS2 thin films with non-stoichiometry composition. CuInS2 thin film was well made at the heat treatment 200[℃] of SLG/Cu/In/S stacked elemental layer which was prepared by thermal evaporator, and chemical composition of the thin film was analyzed nearly as the proportion of 1 : 1 : 2.
Physical properties of the thin film were investigated at various fabrication conditions substrate temperature, annealing and temperature, annealing time by XRD, FE-SEM and hall measurement system.
At the same time, carrier concentration, hall mobility and resistivity of the thin films was 9.10568×1017 [cm-3], 312.502 [cm2/V․s] and 2.36×10-2 [Ω․cm], respectively.

Key Words : CuInS2, non-Stoichiometry, ternary compound

1. 서 론1. 목포대학교 전기공학과
(전남 무안군청계면 도림리 61)
a. Corresponding Author : koreayhh@mokpo.ac.kr
접수일자 :
1차 심사 :
2차 심사 :
심사완료 :

현재 태양광 발전은 저가, 고효율, 고신뢰도의 태양전지를 제작하는데 연구가 집중되고 있으며, 이러한 측면에서 a-Si 박막, CIGS, CdTe[1-2] 박막과 다결정 실리콘 박막이 적극적으로 연구 개발되고 상용화에 박차를 가하고 있다.
그중 다결정 박막화가 가능하고 열화현상에서 우수한 성능을 나타내고 있는 Cu-Ⅲ-Ⅵ계 태양전지는 CuInSe2/CdS[3] 이종접합구조로 이루어지고 있는데, 현재는 흡수층을 CuInGaSe2 4원 화합물로 개발하여서 다결정 실리콘(18.6%)보다 높은 20% 이상의 광전변환 효율을 얻고 있는 상황이다.[4-5]
지금까지 태양전지의 광흡수층으로 사용되어 15%이상의 효율을 나타낸 재료로는 단결정 Si, 다결정 Si, GaAs, CuInSe2(실제는CuInGaSe2)와 CdTe가 개발되어 있고 10% 이상[6]으로서는 비정질 Si, Cu2S과 InP가 개발되어 있다. 그런데, Si은 비직접천이형이며 광흡수계수가 직접천이형에 비해 상대적으로 작아서 광자를 효과적으로 흡수할 수가 없으며 광자의 효과적인 흡수를 위해서는 직접천이형[7] 반도체에 비하여 보다 넓은 폭의 공간전하영역이 필요하다. 또한 운반자의 라이프 타임을 길게 하여 생성된 전자와 홀이 공간전하영역에서 재결합하지 않도록 하기 위해 고순도의 Si이 필수적이다.

표1. CIGS 박막태양전지 국외개발동향


그러나 고순도의 단결정 Si의 태양전지의 제작은 높은 발전단가를 요구하게 된다. 효율은 약간 낮아도 원가를 낮추기 위해 다결정 Si을 이용하기도 하며 비정질 Si이 이용되기도 하나 비정질은 장시간 사용에 따라 열화가 진행되는 문제점등을 가지고 있다. Si의 단점들을 보완할 수 있는 Cu2S을 이용한 경우는 처음에 10% 정도의 효율을 보이므로 경제성이 있다고 판단되어서 그 뒤 시험 생산까지 되었으나 Cu2S의 성질 저하(degeration, low Voc, non-stoichiometry) 등으로 인한 안정성의 문제를 해결하지 못하여 더 이상 진전되지 못했으며 GaAs, CdTe, InP 및 CdS와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 개발되었는데, GaAs을 이용한 경우에는 32.3 %까지의 좋은 효율도 발표되고 있으나 이것은 특수목적에만 사용될 것이고 이러한 GaAs 태양전지가 가까운 장래에 지상용 태양전지로서 저렴하게 충분히 많은 양이 제조될 가능성은 없는 것으로 전망되고 있다. 그런데 최근 들어 지상용 태양전지로서 Cu를 기초로 한 Cu-Ⅲ-Ⅵ계 3원화합물 태양전지가 주목을 받기 시작했으며 선진국들 간에 경쟁적으로 활발한 연구가 이루어지기 시작했다. 이들은 구성원소의 성분 및 제작조건에 따라 다양한 물성을 갖는 다결정 박막화가 가능하고 가장 문제시되는 열화현상에서 좋은 결과를 나타내고 있으며, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물중11) CuInSe2 는 직접천이 에너지 밴드갭이 실온에서 약 1.04[eV]이고 흡수계수가[8] 약 5×10+5[㎝-1]로 에너지 밴드갭 약 2.42[eV]인 CdS와 이종접합에서 격자 부정합도[9] 가 1.2[%]이하로 좋은 광기전력 효과를 나타내고 있다.
그러나 같은Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계별인 CuInS2는 밴드갭이 1.50[eV]로서 태양광 스펙트럼과 동일접합일때 이용효율이 27~32[%]로[10-11] 발표 되고, Se보다 풍부한 원료인 S원소의 함유성분을 달리함으로써 n형 또는 p형 반도체의 제작이 용이하며, CuInSe2와 함께 직렬(tandem)구조[12] 태양전지로도 개발이 검토되고 있으나 현재까지 CuInSe2에 비교해 연구가 미진한 상태이다.[13-14]
따라서 본 실험에서는 CuInS2 박막이 S의 조성비율에 따라 전도성(n형,p형)이 크게 변한다고 알려져 있어 확실한 n형 또는 p형 CuInS2를 얻고자 하며, Cu/In 조성비율에 따라서도 저항률과 전도성의 변화가 보고되어 여러 가지 증착인자와 열처리 조건을 다양하게 변화시키고 구조적, 전기적 특성 측정을 통하여 최적의 공정변수를 도출하였다.


참고문헌
[1] Photovoltaic Energy Program Overview Fiscal 2000, US DOE, Feb. 2001
[2] K. Zweibel, Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 63, 2000, pp.375-386
[3] C. G.Park, A study on photovoltaic characteristics of CuInS2/Cds Hetero-junction Devices,Theses of Dr., 1994.
[4] L. L.Kazmerski,F.R.white, M.S.Ayyagari, Y.J.Juang and R.P. Patter󰡒Growth and characterization of thin film compound semiconductor photovoltaic heterojunction,󰡓 J.Vac. Sci. Technol.,Vol.14, No.1.1977,pp. 65-68
[5] A.Rockett and R. W.Birkmire, 󰡒CuInSe2 for photovoltaic applications,󰡓J.Appl.phys.70(7), 1991,pp. R81-R97
[6] Sang Deok Kim, Hyeong Joon Kim, Kyung Hoon Yoon, Jinsoo Song,“Effect of selenization pressure on CuInSe2 thin films selenized using co-sputtered Cu-In precursors”, Solar Energy Materials & Solar, Vol.62, 2000, pp.357-368.
[7] S.Isomura, " Chalcopyrite型 3元 化合物半導體,"應用物理, 第43 卷, 第 12號, 1974, pp.1184-1197.
[8] 酒井博, 兵敏夫, "CuInSe2 薄膜の 製作と 太陽電池への應用," 應用物理, 第 60 卷, 第 2 號 ,
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