Boron이 이중도핑된 ZnO 계열의 태양전지용 투명전도막의 특성향상에 관한 연구 = A Study on improvement of TCO characteristics for solar cell using boron co-doped ZnO

국문 초록 (Abstract)

최근 급격한 산업화의 진행으로 인해 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 해결방안으로 선진 각 국에서는 신·재생에너지 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그 중 태양광 발전이 최근 주목받고 있다. 온실가스 매출, 환경파괴 등을 초래하지 않는 무공해 에너지원이지만 아직은 발전단가가 높다는 단점으로 저가화에 많은 주안점을 두고 있는데, 이는 보급 및 활성화를 촉진하기 위한 선결과제라고 할 수 있다. 태양광 발전의 보급, 활성화를 촉진하기 위해서는 저가, 고효율의 새로운 태양전지 재료와 제조 공정의 개발이 필요한데, 박막 태양전지는 이러한 목적에 가장 접한한 형태이다. 현재 박막 태양전지의 경우 대부분 투명 전도성 산화물 (Transparent Conductiong Oxide, TCO)이 코팅된 유리기판을 사용하여 제작하고 있다. 대표적 투명 전도막으로 주석이 도핑된 인듐산화물 (Induim Tin Oxide, ITO)가 주로 사용되고 있다. ITO의 경우 광학적 성질과 전기적 특성이 우수하나 태양전지나 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT) 제작시 수소 플라즈마에 노출되면 환원에 의한 열화가 발생되는 문제가 있고 원료 물질인 인듐의 경우 희토류에 속하는 물질이라 국내 가격도 kg당 200만원 이상 형성되어 있으며 대부분을 일본과 중국에서 수입하고 있다.
이러한 ITO의 문제점들을 보완하기 위한 새로운 물질의 개발이 계속 진행되어 왔고, ZnO가 대표적인 재료이다. 최근 ZnO계 막이 SnO2계에 비해 플라즈마 환경에서 화학적 안정성이 더 우수한 것으로 알려지면서 평판 디스플레이 및 태양전지의 투명 전극으로의 응용을 위해 전도도 및 투과율을 향상시키기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 플라스틱 기판 위에 투명 전도막을 코팅한 제품의 생산 기반 및 제조기술은 초보적인 단계로 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 이의 국산화를 위해서는 높은 광투과율(>80%)과 낮은 비저항(<10-3 Ω-cm)의 투명전극 기판의 개발이 절대적으로 필요하다.
따라서 본 연구에서는 Al, Ga 불순물을 도핑한 ZnO 박막을 이용하여 투명전도막으로 적용함에 있어 가장 우수한 특성을 지닌 박막을 얻고자 하였다. 또한 경량화, 초박화를 목적으로 기존의 glass 기판을 대체하기 위한 물질로 폴리카보네이트(PC : polycarbonate) 기판을 사용하여 박막을 증착하였다. 하지만 폴리카보네이트 기판은 낮은 열변형온도(130-138℃) 때문에 증착 시 막질의 향상을 위해 기판온도를 높이는 행위가 제한된다. 따라서 상온에서 성장시킨 ZnO 단층박막은 충분한 결정화가 이루어지지 않기 때문에 상당히 높은 저항값을 나타낸다. 이러한 단점을 개선시키기 위하여 Al과 Ga을 도핑한 타겟에 박막의 전송자 농도를 증가시키고 구조적 안정도를 향상시키기 위해 3족 원소 중에서 원자 반경이 가장 작은 B를 타겟에 추가 첨가하여 박막을 증착하였다. 이에 따라 공정압력, 방전 전력, 기판의 온도 변화 및 후열처리 등의 실험을 통하여 박막특성을 평가하고 이들 분석으로부터 얻은 데이터를 토대로 기존의 AZO, GZO 박막과의 비교를 통해 구조 및 전기, 광학적 특성을 연구하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ZnO is a Ⅱ-Ⅵ compound semiconductor and has a wide band gap of about 3.3 eV, but the electrical properties of intrinsic ZnO thin films are not good. Therefore, some elements (Al, Ga, In, Ti, B etc) are added in order to improve the conductivity of intrinsic ZnO films. Espeically, Al and Ga doped ZnO thin films show relative low resistivity and high transmittance in the visible light range.
In this paper, in order to obtain the excellent transparent conducting film with low resistivity and high optical transmittance for solar cells, Boron co-doped AZO and GZO thin films were deposited on polycarbonate (PC) and glass substrate by dc magnetron sputtering. We investigated the influence of the discharge power, annealing temperature and multilayer on the structural, electrical, optical and morphological properties of AZOB and GZOB. And TCO
thin films deposited on flexible substrates were compared with TCO thin film deposited on glass substrates.
Crystallinity was measure by XRD (x-ray diffraction). 4-point probe [CMT-ST 1000] was used to analyze the electrical analysis.. We use UV visible [Scinco- s 3100] (Optical transmittance).
The AZOB films showed a low electrical resistivity of 7 ×10-4 Ω-cm and a high optical transmittance of 85% on PC substrate. Also, the GZOB films showed a low electrical resistivity of 8.67 ×10-4 Ω-cm and a high optical transmittance of 85% on glass substrate. This result showed that implantation of Boron atoms into thin films led to improve the structural and electrical properties of ZnO TCO thin films. We confirmed that AZOB TCO thin film deposited on flexible substrates at low temperature were more suitable than AZO thin film for flexible solar cell.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 1. 1. 연구배경 1
• 1. 2. 연구목적 4
• 제 2 장. 관련 이론 7
• 2. 1. 투명전도막 7
• 2. 2. ZnO의 결정특성 9
• 2. 2. 1. 구조적 특성 9
• 2. 2. 2. 전기적 특성 14
• 2. 2. 3. 광학적 특성 17
• 2. 3. 스퍼터링 23
• 2. 4. 플라스틱 기판 25
• 제 3 장. 실험방법 27
• 3. 1. 시편 및 타겟 준비 27
• 3. 2. 투명전도막 제작 28
• 3. 2. 1 증착 전력에 따른 AZO 박막의 제작 28
• 3. 2. 2 기판 온도에 따른 AZO 박막의 제작 29
• 3. 2. 3 후열처리에 따른 AZO 박막의 제작 31
• 3. 2. 4 박막 두께 변화에 따른 AZO 박막의 제작 32
• 3. 2. 5 박막 두께 변화에 따른 GZO 박막의 제작 33
• 3. 2. 6 기판 온도 변화에 따른 AZOB 박막의 제작 34
• 3. 2. 7 박막 두께 변화에 따른 AZOB 박막의 제작 35
• 3. 2. 8 기판 온도 변화에 따른 GZOB 박막의 제작 36
• 3. 2. 9. Au 버퍼층에 제작된 전력비 변화에 따른 GZOB 박막 특성 38
• 3. 2. 10. 용매에 대한 AZOB 박막의 내화학적 특성 39
• 3. 3 특성 분석 40
• 제 4 장. 결과 및 고찰 42
• 4. 1. 산화 아연계 박막 특성 42
• 4. 1. 1. 증착 전력변화에 따른 AZO 박막 특성 42
• 4. 1. 2. 기판 온도 변화에 따른 AZO 박막 특성 47
• 4. 1. 3. 후열처리 온도 변화에 따른 AZO 박막 특성 52
• 4. 1. 4. 박막 두께 변화에 따른 AZO 박막 특성 56
• 4. 1. 5. 기판 변화에 따른 AZO 박막 특성 63
• 4. 1. 6. 기판 온도 변화에 따른 GZO 박막 특성 68
• 4. 1. 7. 박막의 두께 변화에 따른 AZOB 박막의 특성 변화 76
• 4. 1. 8. 기판 온도 변화에 따른 GZOB 박막의 특성 81
• 4. 1. 9. 전력비 변화에 따른 Au 버퍼층에 제작된 GZOB 박막 특성 87
• 4. 1. 10. 용매에 대한 AZOB 박막의 내화학적 특성 92
• 제 5 장. 결 론 97
• 참고문헌 99
• Abstract 101