| 초록 |
순수한 ZnO 박막은 에너지 밴드갭이 3.3 eV로 폭이 넓어 가시광선영역의 빛을 투과가 가능한 투과형 전도성 산화물이다. 특히 ZnO 박막은 수소 (H2)가스 분위기나 H2 플라즈마 분위기에서 환원되지 않는 우수한 화학적 안정성을 가지고 있어 플라즈마 공정에 적당하다. 재료적으로 매장량이 풍부하고 독성이 없으며 생체친화적 물질로 알려져 있다. 이러한 ZnO 박막은 RF (radio frequency) 혹은 DC (direct current) 스퍼터링, 분자빔 에피택시 (molecular beam epitaxy), pulsed laser 성장법, spray pyrolysis법, sol-gel 법 그리고 metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 등 다양한 방법이 소개되어 있다. 본 연구에서 집중적으로 다루고자 하는 도핑되지 않은 ZnO 박막은 주로 태양전지의 표면에 적층될 광 흡수층으로 응용하고자 한다. 태양전지에 적용될 광 흡수층으로 ZnO의 특성에 대한 요구조건은 광학적으로 가시광선과 적외선 영역에서 광을 반사하지 않으면서 투과율이 커야 한다. 또한 광의 수광 면적을 증가시키고 광확산을 증가시키기 위하여 표면이 거친 박막이 요구된다. 이러한 거친 박막을 형성시키기 위해서 사용하는 방법이 화학적 텍스쳐링 (texturing) 방법이 이용되는데 이 방법은 두께가 두꺼운 박막을 성장시킨 후 에칭용액을 이용한 비등방성 식각으로부터 표면이 거친 박막을 얻는 방식이다. 따라서 화학 에칭공정이 추가되어야 하고 두께가 충분한 박막을 얻는데 필요한 공정시간이 추가로 요구되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서 수행한 MOCVD법은 박막이 형성되는 방식은 Zn precursor와 O reactant가 기판위로 공급되어 ZnO 결정핵을 생성하고 생성된 다수의 핵들이 결합하여 결정 성장하게 된다. 이러한 과정에서 기판온도, reactant 종류 그리고 Zn precursor flow rate와 같은 성장조건을 조절함으로써 에칭공정 없이 자기 스스로 텍스쳐된 박막을 형성시킬 수 있어서 기존에 제기되는 단점을 해결할 수 있다. 본 연구에서 ZnO 박막을 형성시키기 위하여 Zn precursor로써 DEZ (diethlyzinc)를 사용하였으며 reactant로 사용된 O2가스는 성장온도에 따라서 거칠기 변화가 크기 않았으나 reactant로써 H2O를 사용하는 경우 동일한 온도인 140 oC에서 rms (root mean square) 거칠기 (Rrms)가 0.73nm에서 11.88 nm로 거칠기가 증가하였다. 그러나 온도가 증가하면 거칠기가 감소함을 SEM으로 관찰할 수 있었다. 높은 거칠기를 위하여 DEZ Ar flow 증가시켜 두께를 증가시켰고 결과적으로 DEZ Ar flow 90 sccm에서 두께 1,860 nm 에서 Rrms가 39.16 nm의 박막을 얻을 수 있었다. 본 연구로부터 거친 표면을 가지는 주요인자는 H2O reactant와 140 oC의 저온, 그리고 두꺼운 두께임을 알 수 있었다. 본 논문에서는 다양한 성장 조건으로부터 MOCVD법으로 성장된 도핑되지 않은 ZnO 박막의 특성을 평가하였으며 본 논문의 결과들은 태양전지 효율 향상을 위한 광 흡수층 제작에 활용 될 수 있을 것이다. |
