향상된 태양광 셀을 위한
뛰어난 필름을 만드는 엑시머 PLD

과제

태양광 셀과 기타 광전자 소자는 소자에 적합한 증착 방식을 이용하여 기능성 박막 필름 소재를 개발할 때 유리합니다. 몇몇 태양광 셀 유형의 경우, 할라이드 페로브스카이트 태양광 셀의 유기 접촉층처럼 소자의 민감한 층 위에 투명 전극을 증착시키는 것이 큰 과제 중 하나입니다. 이 문제는 보통 무기 완충층을 사용하여 해결합니다. 트벤테 대학의 Monica Morales-Masis가 이끄는 연구팀은 PLD(Pulsed Laser Deposition)로 완충층 없는 반투명 페로브스카이트 태양광 셀에 사용할 고품질 투명 전극을 제작할 수 있는지 여부를 조사했습니다. (웨이퍼 기반 PLD는 저손상 증착과 함께 태양광 셀 부문에서 필수 기술입니다.) 다행히도 Coherent의 248nm KrF 엑시머 레이저는 재현성과 확장성이 우수한 PLD에 딱 맞는 솔루션이었습니다.

솔루션

이 연구진은 248nm의 고펄스 에너지 엑시머 레이저로 4인치 웨이퍼에 PLD를 실시하여, 할라이드 페로브스카이트 태양광 셀에 투명 전도성 산화물(TCO) 막을 반복해서 증착하는 과정을 시연하는 데 성공했습니다. Morales-Masis는 “PLD는 이미 복합 압전체에 사용되고 있는 정립된 기법입니다. 지금 우리는 확장성과 증착률이 스퍼터링 증착(현장에서 흔히 사용)과 최소한 동일해야 하는 태양광 셀 소재를 대상으로 이 기법을 연구하고 있습니다. COMPex 레이저의 뛰어난 안정성(펄스간 에너지 안정성과 빔 균질성 모두)은 박막 균일도와 정밀한 층 두께 제어를 구현하는 데 있어 매우 중요한 요소입니다.”라고 설명합니다.

TCO 박막을 만들기 위해 Morales-Masis 팀은 TSST(Twente Solid State Technology)의 PLD 시스템을 사용하는데, 엑시머 레이저 빔이 고체 대상물 위를 앞뒤로 지나면서 재료를 제거하여 증착 과정에서 연속 회전하는 원형 플랫폼에 장착된 기판 위에 증착을 합니다. 이를 통해 태양광 셀 기판 4개로 구성된 홀더 위에서 박막 증착이 균일하게 이루어집니다.

결과

높은 증착 압력과 실온에서 PLD로 증착한 Zr 첨가 In2O3 TCO 필름을 사용했을 때 반투명 할라이드 페로브스카이트 태양광 셀의 광전 변환 효율이 15.1%로 입증되었습니다. 이것이 완충층 없는 스택에서 입증됨에 따라, PLD가 ‘저손상’ 증착 기법이 될 수 있음이 확인되었습니다.[1] 이 그룹은 이제 할라이드 페로브스카이트의 PLD에 대한 조사를 시작함으로써[2] PLD의 또 다른 장점인 혼합 재료의 화학양론적 전사를 활용하고 있습니다. 이러한 할라이드 페로브스카이트 박막을 용제 없이 넓은 면적에서 몇 분 안에 만들 수 있는 능력은 향후 태양광 셀 생산에서 유망한 기술입니다.

[1] Y. Smirnov et al. DOI: https://doi.org/10.1002/admt.202000856
[2] V. Kiyek et al. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.202000162

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