1. 서 론

투명 전도 박막 (TCO, Transparent Conductive Oxide)은 태양전지, Liquid Crystal Display (LCD), Organic Light Emitting Diode (OLED), 터치패널/터치스크린 등 다양한 분야에서 사용되며 이에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다⁽¹⁾. 다수의 산화물은 가시광선 영역 (380 nm~780 nm)에서 투명하지만 전도성을 띄지 않은 부도체이고, 금속은 도체로서 높은 전기 전도도를 가지는 반면 불투명하다는 단점이 있다. 투명 전도 박막은 가시광선 영역에서 3.3 eV 이상의 밴드갭, 80% 이상의 높은 투과율, 40 Ω/sq의 면저항 등과 같이 조건에 부합되어야 한다⁽²⁾.

그 외에도 광학적 특성을 바탕으로 전면에 사용하는 TCO층은 반사특성을 고려하여 적절한 두께가 중요하며, 후면에 적용하는 TCO층은 장파장 영역에서 자유캐리어에 의한 흡수와 연관되어 있기 때문에 캐리어 농도 (carrier concentration)를 줄이는 것이 중요하다. 그리고 전･후면부에 적용에 따라 TCO의 일함수를 조절하는 것도 중요한 요소 중 하나다⁽³⁾. 표 1은 투명 전도 박막을 적용하기 위한 전기적･광학적 조건을 나타낸 것이다. 앞서 이야기한 것과 같이 높은 광 투과율과 낮은 비저항을 충족하는 투명 전도 박막의 소재는 ITO (In₂O₃:Sn), ZnO, (혹은 AZO (ZnO:Al₂O₃)) 등이 대표적이다. Indium Tin Oxide (ITO) 박막은 90%의 In₂O₃에 10% SnO₂를 고용시켜 제조한 재료로서 3.5~4.3 eV 정도의 넓은 밴드갭과 함께 가시광선 영역에서 80% 이상의 높은 투과율과 10~40 Ω/sq 범위에서 비교적 낮은 면저항을 보여 전기적･광학적 특성이 가장 우수한 것으로 알려져 있다^(4,5). 일반적으로 알려진 바와 같이 ITO 박막은 E-beam, Thermal evaporator, Chemical vapor deposition (CVD)가 주로 사용되지만 이들 기술은 증착 온도가 대게 300℃의 비교적 높은 온도에서 진행되기 때문에 태양전지에 적용하는데 적합하지 않다⁽⁶⁾. 그래서 이러한 대안으로 Sputtering 방식이 주로 활용되는데, 200℃ 이하의 상대적으로 낮은 증착온도와 함께 전기적 광학적 특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 높은 투과도 및 전기전도도의 우수한 특성을 확보하려면 기판의 증착 온도가 200°C 이상 내지 혹은 Post annealing (Ts ≦ 300°C) 공정을 통해서 특성 개선이 가능하지만, 200°C 이상의 온도에서 공정을 진행하게 되면 인듐과 주석의 화학양론적 상태가 불안정해지면서 특성 저하로 이어짐에 따라 공정의 재현성이 떨어지는 문제점이 발생한다^(7-9).

이러한 문제를 해결하려면 ITO를 대체할 수 있는 여러 TCO 소재들이 떠오르고 있는데, 그중에서 Indium zinc oxide (IZO) 박막이 주목받고 있다. IZO는 In₂O₃:ZnO의 조성비가 90:10로 이루어져 제작된 타겟으로 100°C 이하의 낮은 온도에서 박막의 전기적･광학적 특성이 우수하며 표면 거칠기가 매우 낮아 식각 특성이 뛰어나는 등의 우수한 특성을 나타낸다^(10-12). 일반적으로 IZO 박막은 Magnetron sputtering 장비를 이용해 증착하며 기판의 종류, 타겟과 기판간의 거리, 기판 회전속도, 인가전력, 공정온도, 압력, O$_{2}$/Ar fraction 등의 증착 변수에 따른 IZO 박막의 특성 및 다양한 소자에 적용하는 등의 연구가 활발히 진행되고 있다^(13,14). 본 논문에서는 저온에서 공정이 가능한 In₂O₃ 기반의 투명 전도 박막에 대해 조사하고 태양전지에 적용한 사례에 대해 알아보고자 한다.

2. 태양전지 적용을 위한 Indium 기반의 투명 전도 박막 연구의 경향

다양한 종류의 디바이스에 적용하려면 앞서 언급한 바와 같이 80% 이상의 투과율과 두께 80 nm를 기준으로 하여 40 Ω/sq의 면저항 특성을 충족해야 한다. 그림 1은 면저항 변화에 따른 적용 가능한 다양한 광전 소자의 적용 사례를 나타냈는데, 그림에서 알 수 있듯이 투명 전도 박막을 태양전지에 적용하려면 낮은 면저항을 가져야 활용이 가능하다는 것을 알 수 있다⁽¹⁵⁾.

Fig. 1. Various optoelectronic device applications according to changes in sheet resistance

그림 2는 다양한 종류의 투명 전도 박막에 따른 성능지수를 나타낸 것이다. 여기서, 성능지수는 투명 전도 박막의 가중치 흡수율 및 면저항 값을 이용해서 계산한 것으로 숫자가 높을수록 고성능의 투명 전도 박막을 나타내는 것이다. 그림 2에서 알 수 있듯이 ICO:H 혹은 IWO:H가 결과적으로 고품질의 투명 전도 박막을 의미한다고 볼 수 있다^(16-19). 하지만, 수소 혹은 H$_{2}$O vapor를 미세하게 제어해야 위와 같은 고성능의 투명 전도 박막을 얻을 수 있어 공정을 제어하는 것은쉽지 않다. 그에 비해 ZnO:B 박막 역시 우수한 특성을 보이지만 박막 두께가 500 nm 이상 적용되어야 하는 점과 300℃의 높은 온도에서 증착하기 때문에 실리콘 이종접합 태양전지에 적용하는데 다소 어려움이 있다. 그림 2에서 알 수 있듯이 IZO 및 인듐 기반의 투명 전극 소재가 태양전지 응용에 있어 가장 적합할 것으로 보여진다^(20,21).

Fig. 2. Figures of merit of sunlight spectrum according to various transparent conductive thin films

Indium oxide (In₂O₃) 기반의 투명 전도 박막을 도펀트 (Dopant)에 따라 나타낸 것으로 도펀트별로 홀 이동도와 캐리어 농도에 대해 그림 3과 같이 나타내었다. 인듐 기반에 도핑되는 불순물로는 Ti, Zr, Nb, Gd, Mb, W, In, Sn 등이 있다. 그림에 보여지는 바와 같이 H⁺, Gd³⁺의 도펀트가 130 cm²/Vs의 높은 홀이동도가 관찰되었고, 그에 비해 Nb⁵⁺, Sn⁴⁺는 상대적으로 낮은 홀 이동도를 보여주고 있다⁽²²⁾.

Fig. 3. In₂O₃ Hole mobility and carrier concentration in In2O3-based TCO thin films

이는 캐리어 농도의 상대적인 차이에 의해 기인한 것으로 볼 수 있는데 캐리어 농도가 상대적으로 작게 되면 불순물에 의한 산란이 줄어들어 홀 이동도가 증가하지만 캐리어 농도가 증가하게 되면 불순물 산란이 증가하여 홀 이동도가 감소하게 된다. 이처럼 캐리어 농도를 감소하는 것이 전기적･광학적 특성을 동시에 만족할 수 있는 것으로 확인하였다. 도펀트뿐만 아니라 증착 변수 조건별로 박막의 화학적 조성비 차이에 따라서 70 cm²/Vs에서 110 cm²/Vs 정도의 홀 이동도 특성을 제어할 수 있다⁽²³⁾.

그림 4는 ITO, IZO 및 IO:H의 투과도, 광학적 밴드갭, Minority carrier lifetime (τeff), implied open circuit voltage (iV$_{OC}$)를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 IZO 및 IO:H가 ITO에 비해 투과도 및 광학적 밴드갭이 유사하거나 혹은 증가하는 것을 알 수 있으며, τeff, iV$_{OC}$ 역시 ITO에 비해 상대적으로 높은 결과를 확인할 수 있는데 IZO는 높은 일함수에 의한 밴드 벤딩 (band bending)으로 인해 전계 효과 패시베이션 (field effect passivation)에 의한 것이라 보고하였다⁽²⁴⁾.

Fig. 4. Comparison of electrical and optical properties, minority carrier lifetime, and implied VOC of ITO, IZO and IO:H thin films; Reprinted with permission from [25]

그림 5은 향후 In₂O₃ 기반의 투명 전도 박막 연구를 바탕으로 적용할 태양전지의 구조를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 Perovskite/SHJ 태양전지는 전 세계적으로 많은 연구그룹에서 높은 효율을 확보하는데 주력하는 구조가 되겠으며, 그림 5 (b)는 비정질 실리콘 박막과 결정질 실리콘이 결합된 이종접합 태양전지로 두 가지 구조 모두 증착 온도와 연관이 있다⁽²⁵⁾. 앞서 그림 4에서 설명한 바와 같이 IZO 박막을 선택하게 된 이유는 상대적으로 낮은 온도 (<100℃)에서 증착이 가능한 점, 높은 홀 이동도, 태양광 스펙트럼 하에서의 낮은 두께에 따른 높은 성능지수 (FOM) 등이 ITO에 비해 많은 장점을 가졌기 때문이다⁽²⁶⁾. 아울러 IZO 박막은 ITO와 FTO와 달리 상대적으로 고온에서 증착하거나 굴절률 제어를 위한 별도의 다층 박막을 적용하지 않고도 낮은 저항도와 높은 투과도를 나타낸다⁽²⁷⁾.

Fig. 5. (a) Perovskite/Si tandem solar cell and (b) SHJ solar cell structure

최근 Perovskite/Silicon heterojunction tandem 구조에서 Front TCO로 IZO 박막을 적용했을 때 독일의 태양전지 연구기관인 Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) 그룹은 29.2%의 높은 효율을 달성했다. 그 외에도 Perovskite/CIGS, Perovskite/Perovskite 탠덤 구조의 태양전지도 각각 23.3%, 24.8%의 효율을 나타냈다고 보고하였는데 아래 표 2와 같다. 표 2는 Perovskite/Silicon 태양전지, Perovskite/CIGS 태양전지, Perovskite/Perovskite 태양전지를 살펴본 것이다. 스위스의 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) 연구실에서 발표한 페로브스카이트/실리콘 탠덤형 태양전지의 경우 Intermediate layer로 IZO 박막을 사용하였다. 지금까지 기록한 효율보다 그 이상의 효율을 달성하려면 광을 포획할 수 있는 텍스처 형상의 최적화, 플라즈마 손상으로부터 자유로울 수 있는 공정기법을 비롯해 반사방지코팅의 최적화된 설계를 달성하면 30% 이상을 넘는 초고효율의 특성을 보일 것으로 예상한다^(28-32).

3. 결 론

본 논문에서는 상용화된 ITO 박막의 문제점을 파악하고 이를 보완하기 위한 대체 TCO 소재에 대해 조사하였다. IZO 박막이 다른 소재들에 비해 낮은 증착 온도임에도 불구하고 높은 투과율, 높은 홀 이동도의 장점을 가졌으며 아울러 실리콘 이종접합 태양전지에 적용할 경우, ITO에 비해 iV$_{OC}$가 20 mV 가량 개선된 것을 알 수 있다. 이러한 투명전극 소재의 활용은 앞서 언급한 태양전지 외에도 디스플레이 및 기타 광전 소자에 응용이 충분한 소재인 것으로 보이며 특히 초고효율 태양전지를 달성하려면 표면의 광 포획 및 반사방지막을 비롯해 투명 전극 기반의 광학적 설계가 최적화하면 30% 이상의 효율을 기록할 수 있을 것으로 보인다. 그 외에도 태양전지에 기반한 다양한 이슈가 해결되면 35%를 능가하는 효율도 가능할 것으로 전망한다.