엑시머 PLD 기술, 태양전지 성능 향상을 위한 고품질 박막 형성

과제

태양전지 및 기타 광전자 소자들은 소자와 호환되는 증착 방법을 갖춘 기능성 박막 소재의 개발을 통해 그 성능을 향상시킬 수 있다. 여러 종류의 태양전지에서 주요 과제 중 하나는 소자의 민감한 층, 예를 들어 할라이드 페로브스카이트 태양전지의 유기 접점층 위에 투명 전도성 전극을 증착하는 것이다. 이 문제는 일반적으로 무기 버퍼 층을 사용하여 해결한다. 트벤테 대학교의 모니카 모랄레스-마시스(Monica Morales-Masis)가 이끄는 연구팀은 펄스 레이저 증착 PLD)을 통해 버퍼층이 없는 반투명 페로브스카이트 태양전지용 고품질 투명 전극을 제작할 수 있는지 조사했다. (손상이 적은 증착 외에도, 웨이퍼 기반 PLD는 태양전지 응용 분야에서 필수적인 요건이다.) 다행히도, Coherent 엑시머 레이저 248nm KrF 엑시머 레이저 재현성 있고 확장 가능한 PLD를 위한 이상적인 솔루션을 Coherent .

해결책

이 연구팀은 248nm엑시머 레이저 펄스 에너지 엑시머 레이저 활용해 4인치 웨이퍼에 PLD 공정을 수행함으로써, 할라이드 페로브스카이트 태양전지 표면에 투명 전도성 산화물(TCO) 박막을 재현성 있게 증착하는 데 성공했다. 모랄레스-마시스는 “PLD는 이미 복잡한 압전 재료 등에 적용되는 기술로 확고히 자리 잡았다”고 설명한다. “우리는 현재 태양전지 소재에 이 기술을 적용하는 방안을 모색하고 있습니다. 이 분야에서는 (일반적으로 사용되는) 스퍼터링 증착과 최소한 동등한 수준의 확장성과 증착 속도가 절대적인 요건입니다.COMPex 높은펄스 에너지 빔 균일성 모두—은 박막의 균일성과 정밀한 두께 제어를 실현하는 데 필수적입니다.”

TCO 박막을 형성하기 위해 모랄레스-마시스 연구팀은 트벤테 솔리드 스테이트 테크놀로지(TSST)의 PLD 시스템을 사용합니다. 이 시스템에서는 엑시머 레이저 빔 고체 타겟 위를 앞뒤로 레이저 빔 재료를 증발시키고, 이 증발된 물질은 증착 과정에서 지속적으로 회전하는 원형 플랫폼에 장착된 기판 위로 증착됩니다. 이를 통해 4개의 태양전지 기판이 장착된 홀더 전체에 걸쳐 균일한 박막 증착이 보장됩니다.

결과

고압 증착 및 실온 PLD 공정을 통해 제조된 Zr 도핑 In₂O₃ TCO 박막을 활용하여, 15.1%의 전력 변환 효율을 보이는 반투명 할라이드 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 성공했다. 이는 버퍼층이 없는 적층 구조에서 입증되었으며, PLD가 ‘손상도가 낮은’ 증착 기술로서의 잠재력을 확인시켜 주었다 [1]. 현재 연구팀은 PLD의 또 다른 장점인 다성분 물질의 화학량론적 전이를 활용하기 위해 할라이드 페로브스카이트의 PLD 연구를 시작하고 있다[2]. 용매를 사용하지 않고 단 몇 분 만에 넓은 면적에 이러한 할라이드 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있는 능력은 향후 태양전지 생산에 유망한 전망을 제시한다.

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

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