Transcript 연 구 내 용 - 연세 신소재공학과

Cd-free 고효율 Cu(In,Ga)Se2
박막 태양전지의 기술 개발
연세대학교 신소재공학과
광정보재료연구실
School of New Materials Science and Engineering
Yonsei University
목차
• 연구의필요성 및 배경
• 연구개발목표 및 추진전략
• 연구개발내용
• 연차별목표
• 세부추진전략
• 기대효과 및 활용계획
• 연 구 원 편성
연구의필요성
대체 에너지 개발의 필요성
•
환경적
요인 요인
정치
/ 경제적
–
화석연료
사용에
따른분포
이산화탄소
발생
→ 지구
온실효과
→ 이상기후 현상
무한
청정
에너지
태양광
– 지역별
원유
매장량
불균등에
따른
에너지
제국주의
–
1997 에너지
년
『 교토
』에
따른 이산화
배출
규제 시대
–
– 친환경
에너지
수요
증가의정서
및 원유
매장량
한계에탄소
따른
고유가
– 태양광 에너지 : 2 x 1015 W
– 가정당 에너지 변환효율 10 % 태양전지 26 m2(2003
설치할
경우화석연료에
가정용 에너지
국내)
의한공급 불
화석연료
의존도 82 %
필요
이산화탄소 배출량
Energy Demand
15000
총
179,424,000 톤
2
Oil
Coal
Gas
Nuclear
Other
Water
< 지역별
원유 매장량
분포 >
< 지역별
태양
< 에너지원별
의존에너지
비율> >
Energy Demand (mn, TOE)
•
kWh/m -day
>7.5
10000
7-7.5
6.5-7
6-6.5
5.5-6
5000
5-5.5
4.5-5
4-4.50
3.5-4
3-3.5
<3
북위
2000
유연탄
Oil ( 52 % )
Coal ( 3 % )
무연탄
Gas ( 9 % )
LNG
COG ( 10 % )
COG
B-Oil ( 25 % )
B-C
o (1%)
기타
기타
38.5
2010
2020
2030
약Years
6.5 kWh/m2·day
< 전세계 에너지 수요 전망 >
< 에너지원별 이산화탄소 발생 비율>
연구의배경
태양전지
• 태양전지 종류 및 효율
태양전지의 종류
bulk
type
Module효율(%)
소면적 cell효율(%)
단결정 Si
13~18
24.7(4cm2)
다결정 Si(cast)
12~16
19.8(1cm2)
Si(집광)
-
26.8(1.6cm2)
GaAs
-
25.1(4cm2)
InGaP/GaAs/InGaAs
a-Si
a-Si/a-SiGe/a-SiGe
박막
type
-
2
32(4cm )
소면적 효율성
상용 모듈 효율성
공정의 경제성
2
8
9.5(0.25cm )
8
2
13.5(0.25cm )
재료의 경제성
안정성
2
a-Si/미결정-Si
11~13
14.7(1cm )
Cu(InGa)Se2박막
12~13
19.7(0.25cm2)
CdTe 박막
8~10
16.4(1cm2)
염료감응형
~5%(개발단계)
11(1cm2)
등에서 각각 장·단점을 지닌
경합 형태
연구의배경
Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지의 문제점
장점
• CdS
Directbuffer
transition
layer 으로
의 환경
인한및높은
공정문제
광흡수 계수
- 수 ㎛의 두께로 충분한 광흡수  박막태양전지의 제조 가능
▪ Zn based buffer layer 의 개발을 통한 문제 해결
• Radiation damage가 적음
- 높은 안정성으로 인해 상업용, 우주용 태양전지로 적합
→ 인체 유해한 성분인 Cd 제거
• 높은 광변환 효율
→ CBD (Chemical Bath Deposition) 법을 진공증착법으로 대체하여 폐수액
- 현재 시장의 90%이상을 차지하고 있는 c-Si 태양전지에 근접한 효율을
문제 해결
보이고 있음
- In-line process 가능
• 이론 한계효율이 c-Si 태양전지에 비해 높으며, 개선을 통해 효율을 증진할
가능성이 큼
현 시장에 c-Si 태양전지를 대체하기 위해서는 검증된 기술력을 바탕으로
신뢰도의 향상을 추구할 필요가 있음
연구개발목표
연구 개발 목표 총괄
Cd-free 고효율 Cu(In,Ga)Se2
박막태양전지의 기술 개발
Anti-reflecting layer
n-type ZnO (0.5~1.5μm)
▪ 차세대 태양전지
▪ 고효율 태양전지
- Cd-free buffer layer
- 표면 / 계면 처리
- ‘non CBD’ process
- Wide bandgap material 개발
를 통한 폐수액 처리
문제 해결
- In-line process를
가능하게 함으로써
i-ZnO (~50nm)
Zn base buffer layer(~50nm)
- Crystal growth를 통한
고효율화
- Bandgap grading 도입
p-Cu(In,Ga)Se2 (~2μm)
- 저반사막
대면적 / 대량 생산
공정 용이
Mo (0.5~2μm)
Soda-lime glass
연구개발추진전략
추진 전략
태양전지 layer별
개별적 접근
CIGS 흡수층 최적화
Wide bandgap 흡수층 개발
Crystal growth 제어
Bandgap grading 기술최적화
Buffer layer의 최적화
Cd-free buffer layer
Window layer의 최적화
Highly transparent and conductive layer
요소별 조합 및
계면 제어
단위 cell 구성
단위 계면 조절
Cell 구성 및
계면 제어
Solar cell 구성
각 공정의 최적화
저반사막 도입
통합적
modification
고효율 태양전지 개발
변수제어에 따른 효율향상
연구개발내용
흡수층의 Band gap 제어
• CIGS계 태양전지 선행 연구결과
• 이론 값의 80% 수준에 머물고 있는
에너지 변환 효율의 개선
구분
소면적
CIGS계
대면적
구조
초기효율(%)
Cu(InGa)Se2/CdS
CIGSe/ZnS(O,OH)
Cu(InGa)S2/CdS
Cu(InAl)Se2/CdS
19.5
18.5
12.0
16.9
Cu(InGa)Se2
Cu(InGa)(Se,S)
Cu(InGa)Se2
Cu(InGa)(Se,S)
Cu(InGa)(Se,S)
Cu(InGa)Se2
10.2
11.7
13.0
13.1
12.8
12.8
<태양전지 흡수층 물질에 따른 변환 효율 및 band gap>
면 적(cm2)
기 관(국가)
- 단파장 광손실 (열화)
 wide bandgap 필요
- 장파장
광손실 (투과)NREL (미국)
0.410
 narrow
필요 (미국)
0.402bandgap NREL
0.409
Dhere, FSEC(미국)
• 이상적인 흡수층의 bandgap energy
IEC (미국)
 1.4eV
• 현재 최고효율
8390 태양전지의
Global흡수층
Solar(미국)
 1.2eV
7376
Shell Solar (미국)
6500
Wurth Solar (독일)
4938
Shell중요
Solar (미국)
※wide bandgap의
개발이
3626
Shell Solar (미국)
3600
Showa Shell(일본)
연구개발내용
흡수층의 Band gap 제어
1. CuInSe2, Cu(Inx,Ga1-x)Se2, Cu(Iny,Ga1-y)Se2 단일 target의 제작
2. 3 stage process를 응용하여 밴드갭이 다른 흡수층의 순차적 증착
3. 열처리에 따른 bandgap grading효과 관찰
※낮은
증기압에서도
쉽게
빠져나가는 Se 이온  Se vacancy 는 도너형 defect 로 작용
4. Crystal
growth
제어
 산화분위기에서 열처리를 통한 도너성 결함 소멸  p-type 물성향상
※ 공정분위기
In 과 Ga 의 농도차
및 확산계수 차에 의한 diffusion 유도
5. 흡수층의
최적화
 흡수층 수
전체에
bandgap
※ Crystal growth를 최적화할
있는걸친
공정
개발 grading
 알카리 이온 incorporation에 따른 결정성장 효과 및 제어에 관한 연구 수행
6. 최적화된 graded bandgap을 가지는 흡수층의 개발
연구개발내용
Buffer layer의 최적화
• 기관별 박막 CIGS 태양전지의 선행 연구 효율
Material
Method
효율(%)
Institute
CdS
CBD
19.2
NREL
ZnS
CBD
18.6
NREL/AGU
Evaporation
9.1
ETHZ
CBD
14.0
TIT
CBD
15.7
IPE/ASC
Evaporation
14.8
IPE
In(OH)3
In2S3
Sputtering
ZnSe
12.2
ZSW/HMI/W
S
CBD
15.7
HMI/Siemen
s
MOVPE
12.6
DESR/Siem
ens
Coevaporation
9.1
TIT
Evaporation
9.0
ETHZ
ZnInSex
Coevaporation
15.3
TIT
InxSey
Coevaporation
13.0
TIT
ZnMgO
Sputtering
16.2
Matsushita
Elec.
CBD
14.3
TIT
Sputtering
15.0
NREL
PE/Sputteri
ng
14.2
NREL
MOCVD
13.4
WSU
ED
11.4
WIS/ENSCP
/IPE
CBD
12.2
IPE
ZnO
SnO2
연구개발내용
Buffer layer의 최적화
흡수층과 window layer의 bandgap
및 lattice constant의 차가 급격함
중간 bandgap buffer layer 필요
Zn base buffer layer를 통해
lattice constant mismatch
최소화 달성
*후보재료 : ZnO, ZnMgO, ZnS, ZnSe
<CIGS bandgap diagram>
연구개발내용
Buffer layer의 최적화
※ 현재 최고 효율을 달성한 Buffer layer
 CBD process를 통한 CdS buffer layer
문제점
1. CBD process :
in-line process의 걸림돌
폐수액 처리 문제
 Sputtering 법을 이용
2. Cd 원소에 의한 환경오염
 Cd free buffer layer의 개발
연구개발내용
Window layer 의 물성 향상
※요구조건
1. Highly transparent
 큰 밴드갭을 가지는 n-ZnO layer에 대한 연구
2. Highly conductive
 Doping concentration 조절을 통한 conductivity 향상
※ 두 요구조건이 trade off 관계  최적화된 모델 구상이 요구됨
B dopant 를 통한 물성영향에 관한 연구 수행
연구개발내용
에너지 변환 효율 개선을 위한 반사방지막
•
저반사막
– 광유입량 극대화
• 광반사 손실 최소화 (반사율 1 % 이하)
• 광산란 손실 최소화 (표면 RMS 2 Å 이하)
• 광투과 최대화 (투과율 99 % 이상)
– 후보재료
• MgF2
n1 
n2
n1  t 1 
l
4
n1
t1
l/4
: 반사방지막 굴절율
n2
: n-ZnO 굴절율
: 반사방지막 두께
l
: 기준파장
연차별목표
1차 년도
2차
공정
공정
Graded bandgap을 가지는
흡수층의
개발
흡수층
bandgap
조절
연구개발
개발 내용
내용
연구
•
•
• Target 물질 조성 및 공정 분위기에 의한 bandgap 조절
In/Ga의
비 조절을
통해bandgap
1.1~1.5eV를
갖는유도
흡수층을 개발
• 흡수층내에
최적화된
grading
높은
photoconductivity
및 낮은 dark
위한 공정 얻기 위한 연구
• 흡수층의
높은 photoconductivity
및conductivity를
낮은 dark conductivity를
최적화
Crystal growth의 제어를 통한
• Na이온 및 알칼리 이온 첨가하여 crystal growth를 제어
물성향상
• Crystal growth 제어를 위한 공정분위기의 최적화
“Non-CBD" 법을 이용한
• 흡수층과 window layer 사이의 lattice mismatch를 줄이기 위한 박막
buffer layer의 물성 최적화에
제어에 관한 연구
관한 연구
• 완충효과가 가장 우수한 특성을 보이는 bandgap 확보에 관한 연구
Buffer layer 및 front contact의
• Buffer layer의 증착 공정 분위기 제어에 따른 흡수층의 damage 최소화
물성 최적화
• 전기적, 구조적, 광학적 제어를 통한 효율향상
Front contact의 물성의 최적화
Mo back contact에 미치는
영향에 관한 연구
Back
contact으로
쓰일통한
Mo의
저반사막의
도입을
물성
최적화
효율
증대
CIGS 태양전지의 최적화
효율측정
효율측정
• Al 도핑에 따른 광학적 / 전기적 물성 최적화
• B 도핑에 따른 광학적 / 전기적 물성 연구
• 다른 공정 분위기에 의한 영향 연구
•
•
•
기판과의 접착성 향상에 관한 연구
증착
조건에도입
의한후의
전기적
특성효율
최적화
• 저반사막
광변환
분석
Annealing 조건에 의한 Mo막의 영향 연구
• 각 layer를 단계적으로 통제함으로써 효율저하의 원인 분석 및 최적화
• 8% 변환효율 달성
• 15% 변환효율 달성
공정및분석
Back
Absorber
i-ZnO/n-ZnO
Grid
Buffer
/Contact
저반사막
layer
layer
layer
Soda-lime glass
Mo back contact
공정
공정
Sputtering증착된
법을
통해
buffer
이용하여
layer
Sputtering을
통한
증착
Evaporation
법을
이용하여
순차적으로
흡수층의
- Sputtering을
Sputtering을
통한
저반사막
증착
통하여
밴드갭
grading
Back contact
증착Grid
1.1~1.5eV
흡수층을
- 열처리를
Evaporation
을 통한
-유도
Ar 분압에 따른
순차적으로
증착막 특성
분석내용
1.1eV CuInSe2 증착
1.1eV
Graded
bandgap
~ Cu(In
1.3eV
xGa1-x)Se2 증착
Absorber layer
1.5eV
1.5eV Cu(InyGa1-y)Se2 증착
Buffer layer
분석내용
최적화 spectrometer
co-evaporation
이 아닌
- UV-Vis
i - ZnO
UV-Vis
spectrometer
Conductivity
target을
사용
- 단일
UV-Vis
spectrometer
분석내용
SEM을
이용한 buffer 층과의
- Conductivity
Conductivity
분석내용
을micmatch
이용한
흡수층과의
lattice
- SEM
UV-Vis
spectrometor
반사율
Conductivity
분석내용
micmatch
- lattice
Dark conductivity
밴드갭
- Photoconductivity
Dark conductivity
- SIMS
n – ZnO
A.R coating
- Photoconductivity
Grid
세부추진전략
단계별 제어를 통한 고효율화
연구내용
• 흡수층 : Wide bandgap material 개발
Bandgap grading 유도
Crystal growth 제어
• Window layer : Highly transparent & conductive
• 버퍼층 : 최적화된 밴드갭 개발
Cd-free 버퍼층
non CBD process
• 반사방지막 : 입사광 손실 최소화
• Back contact : Highly conductive
Ohmic contact
개별적으로 최적화된 박막간의 공정 영향 분석  각 박막의 최적공정 조율
 계면 조절 및 미세구조 분석을 통한 최적화된 공정모델 개발
특성분석
– UV-VIS
– Ellipsometer
– SEM, TEM, XRD, AFM
– SIMS
– Spectral response
measurement
– 4 point probe
– Hall measurement
– XPS, EPMA
– I-V Electrometer
– Solar simulator
기대효과및활용계획
특허
출원
차세대
응용분야
고효율 태양전지 보급
•가정용 태양전지
태양전지
• •우주용
특허
: Bandgap
grading
기술
• 친환경적
고효율
CIGS계
박막형 태양전지
– Cd-free
로 인한 각국의
– 업계
생산 및 사업화
추진 규제에 부합
– Bandgap grading 을 통한 고효율 달성
기 술 문•서 대량생산을 통한 제조가격 절감
• 광·발전용 태양전지
– Non CBD process 를 통한 폐수액 처리 문제 해결
– In-line process가 가능
• 기술
보고서및
: 중간
보고서
1, 결과 보고서 1
• 산업용
우주용
태양전지
• SCI급 –논문
3편 이상 인해 여러 분야에 응용이 가능
높은: 안정성으로
※ 현 시장의 90%이상을 장악하고 있는 c-Si 태양전지에 대하여 경쟁력 확보
감사합니다.
New materials science and Engineering
연구개발내용
반사방지막의 Self-Cleaning 효과
Self-cleaning 효과 : - TiO2의 광촉매 특성을 이용한 Self-cleaning 효과
→ 태양전지의 유지 보수 비용 절감
- 기존 저반사막 MgF2, CaF2의 불안정한 화학적 내구성을 극복
※ 산성비와 황사가 심한 기후에서 큰 효과를 보일 것으로 기대
n2

n1
TiO2+SiO2
TiO2
n-type ZnO
ns
n1  t 1 
n2  t 2 
l
4
n1 = TiO2+SiO2막의 굴절율
l
n2 = TiO2막의 굴절율
4
ns = Front contact ZnO막의 굴절율