일반기술

무전해도금에 가해진 초음파가 화학반응과 박막의 미세조직에 미치는 영향-태양전지 재료인 황화카드뮴 박

CdS박막은 CdTe태양전지에서 Window layer로 작용하는 n-형 반도체이다. 이 막은 cadmium acetate, ammonium acetate, thiourea, ammonia의 수용액에서 dip coating방식으로 투명전극 기판위에 입히는 CBD(chemical bath depostion)방법으로 제조되고 있다. CdS층은 빛의 투과성으로 높이기 위하여 최대한 얇게 (약 0.1 nm) 정도로 만들어야 하지만 전기적 특성을 위해 두께를 고르게해야 하는 제약조건이 있다. CBD방법으로는 적은 비용으로 넓은 면적에 우수한 성질을 가지는 (optical properties, electrical properties..)층을 제작할수 있는데 그것은 ammonia와 cadmium salt와의 화합물 생성반응으로 인한 화학반응속도제어에 의한 것이다. 하지만 CBD CdS박막의 제조는 수용액상에서 균질하게 형성된 콜로이드가 표면에 기판의 표면에 흡착되어 표면형상을 불균일하게 만드는 단점을 지니고 있다. 본 연구에서는 CdS를 입히는 각 반응조건중에 초음파를 가하여 그것이 CdS의 미세조직에 미치는 연구를 하고자 하였다. 초음파의 영향으로 용액상에서 형성된 hot spot은 국부적으로 높은 온도(5000 K)와 높은 압력(1700 atm)을 가진다. 이렇게 형성된 hot spot들이 생성, 성장, 파괴의 과정을 거치면서 CdS박막표면에 물리적, 화학적 영향을 미칠 것으로 예상하였다. Cd 농도는 0.004∼0.016 M, thiourea농도는 0.005 M로 하였고 NH4OH와 NH4(CH3COO)를 첨가하였다. 각 조건에서 초음파을 가하지 않을 경우와 가한 경우를 비교하였고, 반응온도는 83℃로 일정하게 유지하였다. 초음파가 성장하고 있는 CdS박막에 가해졌을 때 나타난 CdS의 미세구조의 변화는 결정립크기의 감소와 표면균일도의 증가이다. 초음파의 영향으로 CdS박막의 결정립크기는 30∼40 nm 정도로 감소하였고 표면에 흡착된 콜로이드들이 관찰되지 않았다. 그로인해 CdS박막의 성장속도가 감소하였고 포화두께가 1500Å로 감소하였다. 또한 긴 파장영역(520 nm)이상에서의 광투과도가 증가하였으며 이로인해 밴드갭에너지가 2.37 eV에서 2.39 eV로 약간증가됨을 관찰하였다. CdS박막의 결정구조는 Hexagonal(002)/Cubic(111) 우선성장방향에서 초음파의 영향으로 Hexagonal(101) 우선성장으로 변화되었다. 초음파가 반응조건이하의 온도에서도 CdS형성에 영향을 미치는 것이 보고되었는데, 이 연구에서는 40∼56 ℃정도의 온도에서 초음파를 가할 경우 용액의 광투과도가 시간에 따라 변화됨이 관찰되었다. 결과적으로 초음파에 의하여 CBD CdS박막의 단점인 불균일한 표면을 개선할 수 있으며, 반응조건에 따라 영향을 받지 않는 재현성있는 막을 얻을수 있었다. 이 연구를 통하여 반응속도를 빠르게 하면서도 최적조건이 아닐결우에도 균일하고 치밀한 CdS 박막을 만들 수 있었고 이러한 결과는 다른 유사한 박막생산과정에 대해서도 응용될수 있을 것이다.