Effect of thiourea/metal ratio on the properties of MOE based Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films and solar cells

태양 에너지의 세계를 햇빛이 화폐가 되는 북적이는 도시라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 우리는 이 화폐를 포착하고 저장하기 위해 더 나은 "은행"을 구축하려고 노력해 왔지만, 우리가 사용하는 재료들은 종종 너무 비싸거나 고갈되어 가는 희귀 원소들로 만들어지곤 합니다. 이때 새로운 경쟁자가 등장합니다. 바로 CZTSSe라는 물질입니다. 이것을 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄과 같은 흔한 원소들로 만들어진 매우 효율적이고 친환경적인 스펀지라고 생각하십시오. 이것은 제조 비용이 저렴하고 지구상에 풍부하여 우리의 미래를 밝힐 완벽한 후보가 됩니다. 하지만 완벽한 스펀지를 만드는 것은 까다로운 일입니다. 만약 스펀지가 너무 조밀하면 "화폐"(햇빛)가 수집을 위해 내부 깊숙이 들어갈 수 없습니다. 반대로 구멍이 너무 많으면 구조가 무너져 버립니다. 훌륭한 태양 전지의 비밀은 스펀지가 딱딱하게 굳기 전 단계인 "전구체(precursor)", 즉 액체 상태의 수프에 달려 있습니다. 과학자들은 레시피가 중요하다는 것을 오래전부터 알고 있었지만, 완벽한 내부 구조를 만들기 위한 정확한 재료의 균형이 무엇인지는 오랫동안 미스터리로 남아 있었습니다.

이 연구에서 허베이 대학교의 연구진은 이 액체 수프의 레시피를 가지고 놀기로 했습니다. 특히 금속 성분에 비해 '티오요소(thiourea)'라는 화학 물질을 얼마나 첨가할지에 집중했습니다. 그들은 2-메톡시에탄올(MOE)이라는 용매를 사용했는데, 이는 모든 것이 잘 섞이도록 도와주는 부드럽고 독성이 낮은 접착제와 같습니다. 그들의 목표는 티오요소의 양을 조절함으로써 굽기 전 필름의 "다공성"(미세한 구멍의 수)을 변화시킬 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 그들은 이 비율을 세심하게 조정함으로써, 밀도가 높고 느릿한 필름을 다음 단계의 과정을 위한 고속도로 역할을 하는 느슨하고 다공성인 필름으로 바꿀 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 다음 단계는 바로 셀레늄화(selenization) 과정입니다. 여기서 셀레늄 가스가 도입되어 고체 필름을 최종 태양 재료로 변환시킵니다. 결과는 놀라웠습니다. "골디락스(Goldilocks)" 비율(너무 과하지도 부족하지도 않은 적당한 상태)을 찾아냄으로써, 그들은 단순히 더 나은 필름을 만든 것이 아니라, 추가적인 화려한 코팅이나 도핑 기술 없이도 태양 전지의 효율을 8.1%라는 겸손한 수준에서 훨씬 인상적인 12.1%로 끌어올렸습니다.

더 나은 태양 스펀지를 위한 레시피

이야기는 과학자들이 유리 슬라이드 위에 얇은 필름을 입혀 결국 태양 전지가 될 액체 혼합물인 "전구체"로부터 시작됩니다. 연구진은 특정 티오요소 대 금속의 비율에 따라 각각 약간씩 다른 네 가지 배치의 액체를 준비했습니다. 그들은 이 배치들을 특정 비율 숫자에 기초하여 S-1.6, S-1.8, S-2.0, S-2.2라고 불렀습니다. 굽기 전 현미경으로 이 필름들을 관찰했을 때, 그들은 흥미로운 것을 발견했습니다. 티오요소의 양이 적은 필름(S-1.6과 같은)은 마치 빽빽하게 쌓인 벽돌 담처럼 조밀하고 압축되어 있었습니다. 하지만 티오요소를 더 많이 첨가할수록, 필름은 미세하게 서로 연결된 터널을 가진 스펀지처럼 더 느슨하고 다공성으로 변했습니다.

이것이 왜 중요할까요? 셀레늄화 과정(필름을 셀레늄 가스와 함께 가열하는 과정)을 하나의 경주라고 생각해 보십시오. 셀레늄 가스는 금속과 반응하여 최종 결정 구조를 형성하기 위해 필름 속으로 달려 들어가야 합니다. 만약 필름이 조밀한 벽돌 담이라면, 가스는 통과하기 위해 고군분투해야 하며, 이는 느리고 불균일한 반응을 초래합니다. 하지만 필름이 다공성 스펀지라면, 가스는 중심부로 바로 질주하여 전체 필름이 균일하고 빠르게 변형되도록 보장할 수 있습니다. 연구진은 완벽하게 조율된 다공성을 가진 S-2.0 배치가 셀레늄 가스를 위한 이상적인 "고속도로"를 만들어낸다는 것을 발견했습니다.

변신: 수프에서 결정으로

필름을 구운 후, 마법이 일어났습니다. 팀은 결정이 어떻게 성장하는지 보기 위해 X-선 장비와 현미경을 사용하여 변형 과정을 관찰했습니다. 최적의 다공성을 가진 S-2.0 샘플은 틈이나 균열이 거의 없는 아름답고 큰 알갱이 구조로 변했습니다. 그것은 마치 어질러진 모래 더미가 갑자기 거대하고 매끄러운 결정으로 스스로 조직되는 것을 보는 것과 같았습니다. 대조적으로, 조밀한 구조를 가진 S-1.6 샘플은 큰 결정을 성장시키는 데 어려움을 겪었고, 많은 작은 불연속적인 알갱이와 빈 공간을 가진 채로 남았습니다.

연구진은 또한 다공성 구조의 멋진 부수 효과를 주목했습니다. 굽는 초기 단계 동안, Cu2-xSe라는 임시 상(phase)이 형성되었습니다. 이것을 최종 구조를 짓기 위해 일찍 도착한 "건설 현장 인부"라고 생각하십시오. S-2.0 샘플에서는 다공성 필름이 이들을 쉽게 들여보내 주었기 때문에 이 인부들이 더 빨리 도착하여 더 효율적으로 작업했습니다. 이러한 조기 지원은 굽기가 끝날 때 훨씬 더 높은 품질의 결정 구조를 만들어내는 결과로 이어졌습니다.

전기적 결실

더 나은 결정 구조는 더 나은 태양 전지를 의미하며, 수치가 이를 증명합니다. 팀은 이 다양한 필름들을 사용하여 태양 전지를 제작하고 얼마나 잘 작동하는지 테스트했습니다. S-2.0 장치가 명백한 승자였습니다. 이 장치는 자신에게 닿는 햇빛의 12.1%를 전기로 변환해 냈는데, 이는 S-1.6 장치가 달성한 8.1%에서 크게 도약한 수치입니다.

왜 S-2.0이 훨씬 더 좋았을까요? 다공성 구조는 결함이 적은 필름으로 이어졌습니다. 태양 전지의 세계에서 결함은 전자(전기 운반체)가 충돌하여 에너지를 잃게 만드는 도로 위의 포트홀과 같습니다. S-2.0 필름은 포트홀이 더 적었으며, 이는 전자가 매끄럽게 흐를 수 있음을 의미했습니다. 이는 열로 손실되는 에너지의 양을 줄였고 셀이 더 높은 전압을 생성할 수 있게 했습니다. 또한, 개선된 구조는 셀 뒷면의 저항을 낮추어 전기가 장치를 빠져나가 여러분의 기기에 전력을 공급하기 더 쉽게 만들었습니다.

연구진은 또한 셀 뒷면의 "장벽"도 살펴보았습니다. S-1.6 샘플에서 이 장벽은 80.1 meV로 높았으며, 전자가 올라가야 하는 가파른 언덕처럼 작용했습니다. S-2.0 샘플에서는 이 장벽이 60.3 meV로 떨어져, 전자가 힘들이지 않고 미끄러져 내려갈 수 있는 완만한 경사로 변했습니다. 이러한 개선은 내부 재결합(전자가 일을 하기 전에 전자와 정공이 서로 상쇄되는 현상)의 감소와 결합하여 효율 향상의 핵심이 되었습니다.

시사점

이 연구는 때때로 하이테크 혁신의 비결이 더 복잡한 재료를 추가하는 것이 아니라, 단순히 이미 가지고 있는 것들의 균형을 조절하는 데 있다는 것을 보여줍니다. 티오요소 대 금속의 비율을 미세하게 조정하여 다공성 전구체 필름을 만듦으로써, 연구진은 셀레늄 가스가 더 깊고 빠르게 침투할 수 있게 하여 우수한 결정 구조를 이끌어냈습니다. 이 간단한 조정은 태양 전지의 품질을 개선하고, 에너지 손실을 줄였으며, 효율을 12.1%까지 끌어올렸습니다. 이것이 이 유형의 태양 전지에서 기록된 가장 높은 효율은 아닐지라도, 강력하고 명확한 전략을 보여줍니다. 즉, 더 나은 태양 스펀지를 만들고 싶다면, 마법이 일어날 수 있도록 적절한 양의 구멍을 만들어 두어야 한다는 것입니다.