18 Feb 2018

Hidden Killer in Kesterite Thin-film Solar Cells

최근 발표된 우리 그룹의 연구를 소개한다.

광기전력(photovoltaic) 물질이 띠틈(band gap)보다 큰 에너지의 빛을 흡수하면 전도 띠(conduction band)와 원자가 띠(valence band)에 각각 전자(electron)와 양공(hole)을 생성할 수 있다. 생성된 전자와 양공이 각각 음극과 양극에서 수집되면 태양전지가 전기가 생산하게 된다. 따라서 충분한 시간동안 전자와 양공, 즉 전하 운반자가 물질 내에서 살아있어야한다.

하지만 전자와 양공이 서로 다시 결합하면 에너지를 방출하고 사라진다. 전자와 양공으로 나눠진 전하 운반자는 빛을 내며 재결합할 수 있다(복사 재결합: radiative recombination). 또는 빛 대신 열(phonon)을 방출하며 재결합할 수 있다 (비복사 재결합: non-radiative recombination). 재결합시 방출되는 에너지는 광기전력 물질의 띠틈에 해당하고 이는 대략 1~2 eV 이다. 하지만 포논의 크기는 대략 수십 meV 정도이다. 따라서 단일 과정으로는 재결합이 일어나기 힘들다. 대신 띠틈 사이에 징검다리 역활을 할 에너지 준위가 있으면 이를 매개로 전자와 양공이 빠르게 재결합할 수 있다. 이러한 에너지 준위는 주로 물질 내부의 결함으로 인해 생성된다. 따라서 이러한 재결합 과정을 결함-보조 비복사 재결합(trap-assisted non-radiative recombination)이라고 하며, 대부분의 광기전력 물질에서 가장 중요한 재결합 경로이다. 결함이 생성하는 중간 에너지 준위의 위치가 띠틈의 중앙에 있을 때 결함-보조 비복사 재결합이 가장 빠르게 일어난다고 널리 생각되어 지고있다(Shockley and Read 1952, Hall 1952).

최근 Cu₂ZnSnS(Se)₄(CZTS)는 광기전력 신물질로 관심을 받고 있다. 아직까지 CZTS의 성능은 짧은 전하운반자의 수명으로 인해 낮은 수준에 머물러있다. 하지만 이 물질의 주요한 고유 결함들이 만드는 에너지 준위는 대부분 전도 띠끝이나 원자가 띠끝에 위치하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 어떠한 결함을 매개로 재결합이 일어나는지에대한 아직 이해가 부족하다.

많은 이온 화합물(ionic compound)에서 음이온 빈자리(anion vacancy)는 전자 주개(electron donor)로 행동한다. 하지만 CZTS에서 음이온 빈자리는 중성 결함이 된다. 음이온 빈자리 주위에 위치한 Sn 원자 때문이다. CZTS에서 Sn의 원자가는 4이지만 음이온 빈자리 주변에서는 원자가가 2로 줄어들면서 전도 띠로 가야할 전자 두개를 흡수하게 된다: Sn(IV) -> Sn(II). 따라서 음이온 빈자리가 띠틈 안에 어떠한 주개 준위도 만들지 않는다.

기존의 통념에 따르면 CZTS에서 음이온 빈자리는 비복사 재결합을 일으키기 힘들 것으로 예상된다. 하지만 열 들뜸(thermal exitation)과 광 흡수(optical absorption)를 통해 매우 효율적인 재결합 경로를 제공한다는 것을 밝혀냈다. 광 흡수를 통해 Sn의 원자가가 다시 4로 늘어나게 되면 Sn주변의 원자구조가 크게 변하면서 원자가 띠 아래에 있던 에너지 준위가 전도띠 주변으로 올라오게 된다. 이를 통해 전자를 매우 빠르게 포획하게 된다. 포획된 전자는 다시 Sn의 원자가를 줄이고 따라서 에너지 준위가 다시 원자가 띠쪽으로 내려오면 양공을 포획하여 재결합이 완료된다.

우리는 CZTS에서 음이온 빈자리가 광 흡수를 통해 매우 효율적으로 전하운반자의 재결합을 돕는다는 것을 확인했다. 또한 결함-보조 재결합을 효과적으로 일으키기 위해서 반드시 띠틈 중앙 근방에 위치한 에너지 준위가 필요하지 않다는 것을 보였다. 우리가 제안한 결함의 들뜬 상태를 매개로 빠르게 진행되는 결함-보조 재결합 기작은 다른 광전자공학 물질에 대한 연구에도 통찰을 줄 것으로 기대하고 있다.

자세한 내용은 ACS Energy letters에서 확인 할 수 있다.

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at 16:27