Investigation of Transparent Conducting Oxide Deposition Temperature Control and i-ZnO Application for High Efficiency Sputtered Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin Film Solar Cells = 고효율 스퍼터링 Cu2ZnSn(S,Se)4 박막 태양전지를 위한 투명 전도성 산화물 증착 온도 제어 및 i-ZnO 적용에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In conventional Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) thin film solar cells, an intrinsic ZnO (i-ZnO) layer is typically inserted between the buffer layer and the transparent conducting oxide (TCO) to facilitate charge extraction and to stabilize the heterointerface. However, this additional interlayer inevitably introduces extra series resistance, which can impede carrier transport and therefore constrain device performance. From a processing perspective, removing the i-ZnO layer would simplify the device stack and could even be beneficial for electrical characteristics, yet its absence during high temperature TCO deposition raises concerns such as enhanced elemental interdiffusion and defect generation at the junction. In this study, we systematically investigate the coupled influence of the i- ZnO layer and the TCO deposition temperature on the performance of CZTSSe devices. Particular attention is given to the configuration in which the i-ZnO layer is omitted and the TCO is deposited at room temperature. This combination effectively suppresses interface damage while simultaneously minimizing series resistance. Devices fabricated under these conditions exhibit superior photovoltaic performance compared to counterparts employing i-ZnO and/or high-temperature TCO processes. These findings indicate that an i- ZnO-free architecture combined with room-temperature TCO deposition can not only streamline the fabrication sequence but also provide a cost-effective route toward early-stage industrial implementation.

국문 초록 (Abstract)

i-ZnO 층은 Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe) 기반 박막 태양전지에서 버퍼층과 투명 전도성 산화물(TCO) 사이에 일반적으로 삽입되어 전하 수집을 돕고 계면을 안정화 시킨다. 그러나 이 중간층은 직렬 저항을 증가시켜 캐리어 수송을 방해하고 소자 성능을 제한할 수 있다. 따라서 i-ZnO 층을 제거하면 공정을 간소화하고 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 i-ZnO 층이 없다면 고온 공정 시 원소 상호 확산 및 결함 형성이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 i-ZnO 층의 유무와 TCO 증착 온도가 CZTSSe 소자에 미치는 영향을 체계적으로 확인한다. i-ZnO 층 제거와 상온 TCO 증착을 병행하는 조건은 계면 손상과 직렬 저항을 동시에 완화했다. 이 조건에서 제작된 소자는 i-ZnO 층을 포함하거나 고온 TCO 증착을 사용한 소자보다 우수한 성능을 보였다. 연구 결과에 따르면 i-ZnO 층을 제거하고 실온 증착 TCO 전략을 결합하면 소자 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 초기 산업화 단계에서 비용적으로 효율적인 대안을 제시할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Content
• List of Figures ⅲ
• List of tables ⅴ
• Abstract ⅵ
• 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Solar cells 2
• 1.3 CZTSSe solar cells 5
• 1.4 Transparent conducting oxide 7
• 1.5 Intrinsic zinc oxide layer 8
• 1.6 Motivation 9
• 2. Experimental section 11
• 2.1 Preparation of TCO thin film 11
• 2.2 Fabrication of CZTSSe TFSCs 11
• 2.3 Characterizations 13
• 3. Results and discussion 15
• 3.1 Characterization of TCO thin films with various temperatures 15
• 3.2 Interface analysis on CZTSSe/CdS/i-ZnO or TCO layer 22
• 3.3 Effect of TCO layer tuning on device performance 26
• 4. Conclusions 40
• References 42
• Korean abstract 51