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What enables GaOx as hole transport layer for a 16 percent 1.0 eV CuInSe2 Bottom Cells with VOC above 550 mV?

이 논문은 추가적인 Cu, Na 또는 중알칼리 금속을 필요로 하지 않고 공동 증착 중 이온 교환을 통해 형성된 전도성 및 부분 결정질의 GaOx 정공 수송층이 순수 CuInSe2 하부 태양전지가 552 mV의 기록 인증 개방 전압과 16%를 초과하는 활성 영역 효율을 달성할 수 있게 함을 입증한다.

원저자: Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Su

게시일 2026-07-01

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CC BY 4.0

원저자: Francesco Lodola, Zhuangyi Zhou, Boaz Koren, Saeed Bayat, Alessandro Magon, Yucheng Hu, Adrian-Marie Philippe, Michele Melchiorre, Hasan Arif Yetkin, Gunnar Kusch, Nathalie Valle, Rachel A. Oliver, Susanne Siebentritt

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

태양전지를 햇빛을 전기로 바꾸는 바쁜 공장이라고 상상해 보세요. 이 공장 내부에는 마법이 일어나는 메인 생산 구역(‘흡수층’)이 있고, 공장 뒤편에는 완성된 제품(전기)이 나가는 하역장(‘후면 접점’)이 있습니다.

오랫동안 과학자들은 CuInSe2(구리-인듐-셀레늄)라는 물질을 사용하여 특정 유형의 태양광 공장을 짓기 위해 노력해 왔습니다. 이 물질은 매우 특별한데, 마치 ‘골디락스(딱 적당한)’ 물질과 같아서, 초고효율 ‘탠덤(tandem)’ 태양전지를 만드는 데 필수적인 낮은 에너지 영역의 햇빛을 포착하기에 아주 적절하기 때문입니다.

하지만 이 특정 공장에는 큰 문제가 하나 있었습니다. 바로 하역장의 문이 새는 것이었습니다.

문제점: 새는 뒷문

전기가 공장의 뒷문(금속 접점)을 통해 나가려고 할 때, 전기가 유실되었습니다. 집에 전력을 공급하는 대신, 전자들이 벽에 부딪혀 사라져 버린 것입니다. 이것을 ‘재결합(recombination)’이라고 부릅니다. 마치 노동자들이 건물 밖으로 나가려는데, 안으로 다시 튕겨 들어오게 만드는 회전문에 끼어버리는 것과 같습니다. 이 누출 현상은 공장의 전압을 매우 낮게 만들어 효율을 제한했습니다.

해결책: 똑똑한 "문지기" (GaOx)

연구진은 이 새는 문을 고칠 영리한 방법을 발견했습니다. 생산 구역과 하역장 사이에 **GaOx(산화 갈륨)**라는 물질로 만든 특별한 ‘문지기’ 층을 설치한 것입니다.

이 GaOx 층을 똑똑한 보안 요원이라고 생각해 보세요:

나쁜 녀석들을 막아줍니다: 전자들이 뒷벽에 부딪혀 길을 잃는 것을 방지합니다(접점을 ‘패시베이션’합니다).
좋은 녀ian들을 통과시켜 줍니다: 놀랍게도 이 보안 요원은 ‘정공(hole, 나가야 할 양전하)’을 위한 전도체 역할도 합니다. 보통 Gallium Oxide는 절연체(벽돌 담장 같은 것)이지만, 이 특정 설정에서는 전기가 흘러나갈 수 있는 고속도로가 되었습니다.

위대한 발견: 추가 재료가 필요 없다

이 연구 이전에는 과학자들이 이 보안 요원을 작동시키기 위해 추가적인 ‘재료’를 넣어야 한다고 생각했습니다. 그들은 다음과 같은 과정이 필요하다고 믿었습니다:

추가적인 구리 투입: 문 경첩에 특수 윤활제를 바르는 것과 같습니다.
나트륨 투입: 노동자들을 조직하기 위해 특정 관리자를 고용하는 것과 같습니다.
구리로 가열하기: 문이 잘 작동하도록 문을 굽는 과정과 같습니다.

이 논문의 핵심 발견은 이러한 추가 단계들이 전혀 필요하지 않았다는 점입니다.

연구진은 세 가지 다른 시나리오를 테스트했습니다:

"표준" 방식: 추가 구리를 넣고 굽는 방식.
"구리 없는" 방식: 구리 없이 그냥 굽는 방식.
"가열 없는" 방식: 아예 굽지 않는 방식.

결과: 세 방법 모두 작동했습니다! GaOx 층은 추가적인 구리나 특별한 굽기 단계 없이도 전기가 흐르는 통로가 되었습니다. 이는 과정이 더 단순하고, 저렴하며, 대량 생산으로 확장하기 쉽다는 것을 의미하므로 매우 중요한 성과입니다.

비밀 재료: 결정 구조

왜 추가적인 구리 없이도 작동했을까요? 논문은 그 이유가 GaOx 층의 구조에 있다고 제안합니다.

액체 방식(용액 공정)을 사용했던 이전 실험들에서는 층이 무질서하고 불규칙(비정질)했기 때문에, 전기를 통하게 하려면 추가적인 구리가 필요했습니다.
하지만 이 새로운 방식(스프레이/스퍼터링 기술 사용)에서는 GaOx 층이 부분적으로 결정질 구조를 형성했습니다. 모래 더미(무질서함)와 깔끔하게 쌓인 벽돌 담장(결정질)의 차이라고 상상해 보세요. 벽돌의 정돈되고 질서 있는 구조 덕분에, ‘윤활제(구리)’ 없이도 전기가 자연스럽게 흐를 수 있었습니다.

나트륨 문제

연구진은 보안 요원이 작동하는 데 나트륨(유리에 흔히 들어있는 원소)이 필요한지도 확인했습니다. 그들은 나트륨이 메인 생산 구역이 더 잘 작동하도록 돕기는 하지만, 보안 요원을 제어하지는 않는다는 것을 발견했습니다. GaOx 층은 나트륨이 도달하는 것을 차단하더라도 완벽하게 작동합니다. 이는 여러분이 보안 요우의 실패를 걱정할 필요 없이 다양한 종류의 유리나 후면 접점을 사용할 수 있음을 의미합니다.

기록 경신

이 단순하고 추가 재료가 필요 없는 GaOx 문지기를 사용하여, 팀은 다음과 같은 성과를 달aled했습니다:

16% 효율: 이 특정 저밴드갭 물질 유형에 대해 매우 높은 점수입니다.
552 mV 전압: 이는 이 특정 물질(갈륨이 없는 CuInSe2)에 대한 세계 기록입니다. 이는 ‘새는 뒷문’이 성공적으로 수리되었음을 증명합니다.

남은 하나의 과제

논문은 "필 팩터(Fill Factor, 전기가 얼마나 매끄럽게 흐르는지)"가 아직 완벽하지 않다는 작은 문제를 언급합니다. 이는 공장이 훌륭한 제품을 생산하고 있지만, 건물 내부에서 여전히 약간의 교통 체증이 발생하는 것과 같습니다. 연구진은 이 ‘교통 체증’이 뒷문이 아니라 층 사이 공간에서 발생한다는 것을 확인했습니다. 이 내부 교통 문제를 해결하는 것이 이 셀의 효율을 더욱 높이기 위한 다음 단계입니다.

요약

요컨대, 이 논문은 에너지 유실을 막아주는 단순하고 똑똑한 ‘보안 요원’(GaOx)을 사용하여 고효율 태양전지 하부 층을 구축할 수 있음을 보여줍니다. 가장 좋은 점은? 이 데모를 작동시키기 위해 복잡한 추가 단계, 특수 구리 처리, 또는 특정 나트륨 수치가 필요하지 않다는 것입니다. 이 물질은 자연스럽게 전도성 구조를 스스로 형성하며, 이는 미래를 위한 더 저렴하고 만들기 쉬운 초고효율 태양광 패널을 위한 길을 열어줍니다.

기술 요약: 1.0 eV CuInSe₂ 하부 셀을 위한 정공 수송층으로서의 GaOₓ

문제 제기
칼코파이라이트(Chalcopyrite) 태양전지는 1.00 eV까지 조절 가능한 밴드갭을 제공하여, 탠덤 태양광 응용 분야에서 이상적인 하부 셀 후보가 됩니다. 이러한 좁은 밴드갭을 달取得하기 위해서는 갈륨(Ga)이 없는 순수 CuInSe₂ (CISe) 흡수층이 필요합니다. 그러나 순수 CISe 소자는 몰리브덴(Mo) 후면 접촉에서의 높은 재결합 속도로 인해 낮은 개방 전압( $V_{OC}$ ) 문제를 겪습니다. Ga 구배(gradient)를 통해 이러한 손실을 완화할 수 있지만, 이는 생성 및 복사 손실을 유발합니다. 대안으로, 후면 접촉을 패시베이션(passivation)하기 위한 정공 수송층(HTL)이 개발되었습니다. 이전 연구에서는 CuGaSe₂ 전구체와 InOₓ 층 사이의 이온 교환을 통해 형성된 HTL가 후면 접촉을 패시베이션하는 GaOₓ 층을 형성한다는 것을 입증했습니다. 그러나 GaOₓ는 역사적으로 투명한 후면 접촉을 가진 태양전지, 특히 인듐 함유 접촉 위에 형성되었을 때 전류를 차단하고 충전율(FF)을 감소시키는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 이 HTL의 이전 성공 사례들은 특정 구리(Cu) 전구체 어닐링 단계를 요구했으며 용액 공정 기반의 InOₓ에 의존했기에, 산업적으로 확장이 가능한 스퍼터 증착 공정에서도 이러한 단계들이 필수적인지에 대한 의문을 제기했습니다. 아울러, 이 특정 구성에서 GaOₓ 층 내의 전도성을 가능하게 하는 나트륨(Na)의 역할 또한 불분명했습니다.

연구 방법론
저자들은 Glass/Mo/HTL/CISe/CdS/i-ZnO/AZO/MgF₂ 구조를 사용하여 순수 1.0 eV CuInSe₂ 태양전지 내 GaOₓ HTL의 형성 및 수송 특성을 조사했습니다. HTL는 이중층 접근 방식으로 구축되었습니다: 120 nm의 공동 증착된 Cu-poor CuGaSe₂ 층과 그 뒤를 잇는 RF 스퍼터링으로 증착된 30 nm의 InOₓ 층입니다. 그 후 표준 3단계 공동 증착 공정을 사용하여 2.2 µm의 CuInSe₂ 흡수층을 성장시켰습니다.

GaOₓ 전도성과 패시베이션을 가능하게 하는 요인을 분리하기 위해 세 가지 뚜렷한 공정 변형을 비교했습니다:

"LT" (저온): 추가적인 Cu 전구체가 없으며, 흡수층 성장 전 고온 어닐링을 수행하지 않음.
"HT" (고온): 추가적인 Cu 없이 고온 어닐링(500 °C) 수행.
"Cu HT": 30–40 nm의 Cu 전구체를 증착한 후 500 °C에서 어닐링하여, 기존에 용액 공정 HTL에 필요하다고 여겨졌던 조건을 재현함.

또한, 소다-라임 유리(SLG) 기판으로부터의 Na 확산을 차단하기 위해 SiOₓ 장벽을 증착한 샘플과 증착하지 않은 샘플을 비교하여 나트륨의 역할을 탐구했습니다. HTL의 조성과 결정성은 STEM-EDS, SIMS, HRTEM을 통해 분석되었습니다. 광학적 특성은 절대 광루미네선스(PL)를 통해 준-페르미 준위 분리(QFLS) 및 광학 다이오드 인자(ODF)를 결정하였고, 전기적 성능은 J-V 측정, 직렬 저항 및 전기적 다이오드 인자(EDF) 추출을 통해 평가되었습니다.

주요 기여 및 결과

Cu 어닐링 없는 GaOₓ 전도성: 용액 공정 HTL의 결과와 대조적으로, 본 연구는 스퍼터 증착된 GaOₓ 층을 전도성 있게 만드는 데 추가적인 Cu 전구체 어닐링 단계가 필요하지 않음을 입증했습니다. Cu 전구체 없이 공정된 장치("LT")는 Cu 전구체가 있는 경우와 대등하거나 더 나은 FF 및 $V_{OC}$ 값을 나타냈습니다. GaOₓ 층은 부분적으로 결정질인 것으로 나타났으며, 이는 흡수층 성장 중의 열처리에 기인한 것으로 보이며, 이는 깊은 Cu 관련 결함 밴드 없이도 전하 수송을 용이하게 할 수 있습니다.
나트륨의 역할: Na는 CuInSe₂ 흡수층의 벌크 품질을 개선하는 데 필수적이지만(Na 확산 샘플에서 더 높은 PL 수율로 입증됨), 본 연구는 Na가 GaOₓ HTL 자체의 정공 수송 특성에 필요하지 않음을 밝혀냈습니다. SiOₓ Na-차단층을 사용한 샘플 역시 효과적인 후면 접촉 패시베이션과 양호한 수송 성능을 달성하였으며, 이는 스퍼터 증착 시 이전에 양면형 연구에서 관찰되었던 차단 동작이 이 HTL 설계의 고유한 특성이 아님을 나타냅니다.
산소 유량 독립성: InOₓ 스퍼터링 과정 중 산소 유량의 변화는 결과적인 GaOₓ 층의 패시베이션이나 전도성에 체계적인 영향을 미치지 않았습니다.
소자 성능: 최적화된 "LT" 공정은 Ga 구배, 중알칼리 처리 또는 Ag 합금화 없이도 순수 CuInSe₂ 하부 셀에 대해 인증된 552 mV의 $V_{OC}$ 를 기록했습니다. 이 소자는 69.9%의 충전율과 42.7 mA/cm²의 단락 전류( $J_{SC}$ )를 갖는 **16.4%**의 유효 면적 효율을 달성했습니다.
제한 요인: 높은 $V_{OC}$ 에도 불구하고, 높은 전기적 다이오드 인자(EDF > 1.6)로 인해 충전율이 제한됩니다. 흡수층의 광학 다이오드 인자(ODF)와 완성된 셀의 EDF를 비교 분석한 결과, 주요 손실 메커니즘은 벌크 재결합이나 단순 직렬 저항이 아니라 공간 전하 영역(SCR)에서의 Shockley-Read-Hall (SRH) 재결합임을 확인했습니다.

의의
본 연구는 흡수층 성장 중 이온 교환을 통해 형성된 스퍼터 증착 GaOₓ 정공 수송층이 복잡한 Cu 전구체 어닐링 단계나 GaOₓ 층 내의 특정 Na 도핑 없이도 순수 CuInSe₂ 태양전지의 후면 접촉을 효과적으로 패시베이션할 수 있음을 확립했습니다. 결과적인 소자는 552 mV의 인증된 $V_{OC}$ 와 16% 이상의 효율을 달성하여, Ga-free 칼코파이라이트 하부 셀의 새로운 기준을 세웠습니다. 이러한 결과는 모놀리식 탠덤 태양전지 개발에 있어 매우 중요하며, 높은 전압과 효율적인 캐리어 수집을 유지하면서도 이상적인 1.0 eV 밴드갭 흡수층을 사용할 수 있게 하는 스퍼터 호환형 후면 접촉 구조를 검증합니다. 본 연구는 충전율을 제한하는 높은 다이오드 인자가 이러한 특정 구조에서의 SCR 재결합과 관련된 시스템적 문제임을 명확히 하여, 향후 최적화 목표를 제시합니다.