Optical Investigation of Secondary Phases in Cu2ZnSn(S,Se)4 Solar Cells
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정현식
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000059032
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)는 p형 반도체로서 다결정 박막 태양전지의 흡수층으로 연구되고 있다. 높은 효율을 갖는 CZTSSe 태양전지는 Cu-poor, Zn-rich의 조성에서 만들어지므로, 유사한 조성을 갖는 박막을 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 Cu-poor, Zn-rich 조성을 가지는 단결정 CZTSe 샘플의 편광 라만을 연구하여 결정 구조가 kesterite라는 것을 확인했으며, 라만 모드를 결정하였다. 한편, 마이크로 라만과 마이크로 particle induced x-ray emission 결과를 통해 CZTSe 박막의 조성이 수십 마이크로미터 안에서 위치에 따라 다름을 확인했다. 이러한 표면의 조성 불균일도는CZTSSe 박막에 이차상이 쉽게 만들어질 수 있게 할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 그 중 셀렌, 황산화 화합물, ZnS 이차상에 대해 집중적으로 연구하였다. 셀렌 이차상은 공명 라만 산란을 통해 검출하였으며, CZTSSe 박막 표면에 입자상태로 존재하고 있었다. 셀렌 이차상은 광전류의 생성을 억제하므로, 태양전지의 효율을 저해시킬 것으로 생각된다. 셀렌 이차상을 없애기 위해 레이저 처리법을 개발하였고, 그 결과 레이저 처리를 하기 전보다 향상된 효율을 얻었다. 황산화 화합물 이차상 또한 라만 산란을 통해 CZTS 박막에 덩어리로 박혀 있음을 발견하였다. 이러한 황산화 화합물은 CdS 층을 만들 때 녹아 없어지지만, 그 과정에서 흡수층의 결정성을 나쁘게 하고 두께를 얇게 만들며 광전류의 생성을 억제한다. 깊이에 따른 공명 라만 산란 측정 실험을 통해 CZTS 태양전지에 존재하는 ZnS이차상의 분포를 연구하였다. 그 결과, CZTS의 후면에 존재하는 MoS2 층 내의 ZnS 이차상이 많을수록 효율이 떨어지는 것을 발견하였다.
more초록/요약
Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) is a p-type semiconductor which has been developed as an absorber layer of polycrystalline thin film solar cells. Generally, Cu-poor and Zn-rich compositions tend to give the highest solar conversion efficiencies. The fundamental phonon modes of a single crystal CZTSe with a composition matching that of high-efficiency thin film solar cells have been investigated by performing polarized Raman measurements. By comparing the polarization dependence of the Raman peaks with a group theoretical analysis, we concluded that the crystal structure of CZTSe single-crystal is kesterite and made appropriate peak assignments. Compositional and structural studies of CZTSe by particle induced x-ray emission and Raman spectroscopy indicated the compositional and structural inhomogeneity of the sample, which might lead to the formation of secondary phases. We found elemental selenium on CZTSSe thin films by carrying out resonance Raman spectroscopy. The selenium clusters exist as particles on the surface of CZTSSe thin film, and reduces the photocurrent. In order to eliminate the selenium particles, a laser treatment method was developed and applied before depositing CdS layer. The efficiencies of CZTSSe cells with laser treatment showed a small improvement. We also found metal sulfate secondary phases that were partially embedded on the surface of the Cu2ZnSnS4 layer. This secondary phase was removed during the subsequent chemical bath deposition of the CdS buffer layer, but the removal of the residue led to poor crystallinity and reduced photocurrent near the location of the residue. From depth-resolved resonance Raman measurements on CZTS solar cells, we found a clear correlation between the solar conversion efficiency and the distribution of the ZnS secondary phase in CZTS solar cells.
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