KR100833517B1 - 광전 물질 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
CIS 또는 CdTe와 같은 종전의 광전 물질은 희소한 인듐 원소 또는 환경에 해로운 카드뮴과 같은 원소를 사용하여야 하는 단점이 있었다. 본 발명은 AXYY'의 화학식을 갖는 광전 물질(여기서, A는 11족 원소이고, X는 15족 원소이고, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이한 16족 원소임)을 제공함으로써 이러한 단점을 해소하고 높은 광전 효율을 보일 수 있다.
In Free, 칼코젠, 광전도성, 칼코젠 화합물
Description
도 1은 본 발명의 광전 물질을 제조하기 위한 제조 장치의 일구현예의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 광전 물질에 대하여 수행한 XRD(X-선 회절) 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 광전 물질, As2S3 박막, 및 CuSe2 박막의 광투과 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 광전 물질의 광전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 광전 물질을 포함하는 광전 소자의 일구현예를 나타낸 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 진공 챔버 120: 기판 홀더
130: 타겟 140: 기판
210: 기판 220: 배면 전극
230: 광 흡수층 240: 버퍼층
250: 윈도우 층 260: 반사 방지층
270: 그리드 전극
본 발명은 광전 물질 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 희소한 인듐이나 환경에 해로운 카드뮴과 같은 원소를 포함하지 않으면서 높은 광전 효율을 보일 수 있는 광전 물질 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지용 광전 소재에서 실리콘의 경우 광효율이 상대적으로 다른 소재에 비해 우수하지만 태양광에 장시간 노출되면 열화 문제가 생기기 때문에 CIS(CuInSe2) 또는 CIGS(CuInGaSe)와 같은 소재를 이용한 개발이 진행되고 있다.
이들은 직접천이형 반도체로서 광흡수계수가 1×105 cm-1로 매우 높고 전기광학적으로도 안정한 장점이 있다. 그러나 CIS 또는 CIGS 등은 박막을 형성할 때 고가의 누출 셀(effusion cell) 등을 이용하여 조성을 정확하게 조절하여야 하기 때문에 대면적의 박막 형성이 어려운 단점이 있다. 또한, 매장량이 극히 제한적인 인듐(In)을 필요로 하는 단점이 있었다.
또 다른 고감도 소재로 알려진 CdTe의 경우 비록 상대적으로 높은 광효율을 보이지만 환경을 크게 오염시키는 중금속 원소인 카드뮴(Cd)을 포함하는 단점으로 인하여 다른 소재의 개발을 필요로 한다.
따라서, 인듐과 카드뮴을 사용하지 않으면서도 우수한 광전 특성을 보이는 광전 물질의 개발에 대한 필요가 높은 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 희소한 인듐이나 환경에 해로운 카드뮴과 같은 원소를 포함하지 않으면서 높은 광전 효율을 보일 수 있는 광전 물질을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 희소한 인듐이나 환경에 해로운 카드뮴과 같은 원소를 포함하지 않으면서 높은 광전 효율을 보일 수 있는 광전 물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 광전 물질을 채용한 광전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, AXYY'의 화학식을 갖는 광전 물질(여기서, A는 11족 원소이고, X는 15족 원소이고, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이한 16족 원소임)을 제공한다.
상기 광전 물질은 결정질일 수 있다. 또한, 상기 A가 구리(Cu)일 수 있고, 상기 X가 비소(As)일 수 있다. 또한, 상기 Y가 황(S)이고, 상기 Y'가 셀레늄(Se)일 수 있다. 선택적으로, 상기 A가 구리(Cu)이고, 상기 X가 비소(As)이고, 상기 Y가 황(S)이고, 상기 Y'가 셀레늄(Se)일 수 있다.
특히, 상기 광전 물질의 광학 밴드갭은 20 ℃에서 1.38 eV 내지 1.65 eV 사 이에 존재할 수 있다. 또한, 상기 광전 물질에 대한 X-선 회절 실험을 수행하였을 때, 피크의 위치(2θ)가 43도 내지 45도 및 63도 내지 65도에서 형성될 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 기판 위에 X2Y3의 화학식을 갖는 제 1 물질을 증착하는 단계; 상기 제 1 물질 위에 AY'2의 화학식을 갖는 제 2 물질을 증착하는 단계; 및 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질을 열처리하는 단계를 포함하는 광전 물질의 제조 방법(여기서, A는 11족 원소이고, X는 15족 원소이고, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이한 16족 원소임)을 제공한다.
상기 제 1 물질은 화학식이 As2S3일 수 있고, 상기 제 2 물질은 화학식이 CuSe2일 수 있다.
상기 열처리는 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제 1 물질은 비결정질일 수 있고, 상기 제 2 물질은 결정질일 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 제공하기 위하여, 상기 광전 물질을 포함하는 광전 소자를 제공한다.
상기 광전 소자는 기판, 상기 기판 위에 형성된 광흡수층, 상기 기판과 상기 광흡수층 사이에 형성된 배면 전극, 상기 광흡수층 위에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성된 윈도우층, 상기 윈도우층 위에 형성된 그리드 전극을 포함하고, 상기 광전 물질이 상기 광흡수층에 포함되어 있을 수 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 제 1 태양은 AXYY'의 화학식을 갖는 광전 물질을 제공한다. 여기서 A는 구리(Cu), 은(Ag), 또는 금(Au)과 같은 11족 원소이고, 특히 구리(Cu)일 수 있다. X는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 또는 비스무트(Bi)와 같은 15족 원소이고, 특히 비소(As)일 수 있다. Y 및 Y'는 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루르(Te), 또는 폴로늄(Po)과 같은 16족 원소이고, 특히 황(S) 또는 셀레늄(Se)일 수 있다. 특히 Y 및 Y'는 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
상기 광전 물질은 결정질의 고체로서, XRD(X-ray diffraction)를 수행하여 X선 회절특성을 측정하면 43도 내지 45도 및 63도 내지 65도에서 피크를 보이는 결정질의 고체이다. 또한, 본 발명의 광전 물질의 광학 밴드갭(optical bandgap)은 20℃에서 약 1.38 eV 내지 약 1.65 eV 사이에 존재한다.
상기 광전 물질은, 예를 들면, 기판 위에 형성될 수 있으며, 기판으로서는 유리 기판, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸 또는 구리 테이프와 같은 금속 기판, 폴리이미드와 같은 폴리머 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 광전 물질의 각 원소의 원자비는 AaXxYy1Y'y2라고 하였을 때, a : x : (y1+y2)가 1 : 1 : 2일 수 있다. 이는 각 원소의 최외각 전자를 고려하여 계산한 결과이다.
본 발명의 제 2 태양은 상기 광전 물질의 제조 방법을 제공한다.
먼저, 기판 위에 X2Y3의 화학식을 갖는 제 1 물질을 증착한다. 상기 제 1 물질에서 X는 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 또는 비스무트(Bi)와 같은 15 족 원소일 수 있다. 또한, 상기 제 1 물질에서 Y는 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루르(Te), 또는 폴로늄(Po)과 같은 16족 원소일 수 있다. 상기 제 1 물질은, 예를 들면, As2S3일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판으로는 유리 기판, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸 또는 구리 테이프와 같은 금속 기판, 폴리이미드와 같은 폴리머 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 기판 위에 상기 제 1 물질을 증착하는 방법은 당업계에 알려진 어떤 방법이든 이용할 수 있다. 예를 들면, 진공증착(evaporation), 스퍼터링, 전착(electrodeposition) 등의 방법에 의할 수 있지만 여기에 한정되지 않는다.
다음으로, 증착된 상기 제 1 물질 위에 AY'2의 화학식을 갖는 제 2 물질을 증착한다. 상기 제 2 물질에서 A는 구리(Cu), 은(Ag), 또는 금(Au)과 같은 11족 원소일 수 있으며, Y'는 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루르(Te), 또는 폴로늄(Po)과 같은 16족 원소일 수 있다. 제 1 물질의 Y와 제 2 물질의 Y'는 서로 같을 수도 있고 서로 상이할 수도 있다. 상기 제 2 물질은, 예를 들면, CuSe2일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 물질 위에 제 2 물질을 증착하는 방법은 당업계에 알려진 어떤 방법이든 이용할 수 있다. 예를 들면, 진공증착(evaporation), 스퍼터링, 전착(electrodeposition) 등의 방법에 의할 수 있지만 여기에 한정되지 않는다.
그런 후, 상기 제 1 물질과 제 2 물질을 열처리한다. 상기 열처리는 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 200 ℃에 미달하면 제 1 물질과 제 2 물질의 상호 확산이 미흡하여 본 발명의 광전 물질이 형성되지 않을 수 있다. 상기 열처리 온도가 300 ℃를 초과하면 경제적으로 불리하다.
상기 열처리는 앞서 설명한 온도 범위에서 10 분 내지 40 분 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리가 10 분 미만의 시간 동안 수행되면 본 발명의 광전 물질이 충분히 형성되지 않을 수 있고, 상기 열처리가 40 분을 초과하여 수행하는 것은 열처리에 따른 효과가 포화되기 때문에 비경제적이다.
상기와 같이 열처리함으로써 본 발명의 광전 물질을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 3 태양은 상기 광전 물질을 포함하는 광전 소자를 제공한다.
상기 광전 소자는 기판, 상기 기판 위에 형성된 광흡수층, 상기 기판과 상기 광흡수층 사이에 형성된 배면 전극, 상기 광흡수층 위에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성된 윈도우층, 상기 윈도우층 위에 형성된 그리드 전극을 포함하고, 상기 광전 물질이 상기 광흡수층에 포함되어 있을 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(210) 위에 광 흡수층(230)이 형성된다. 상기 광 흡수층(230)은 상기 광전 물질을 포함하고 실질적으로 외부의 광을 흡수하여 전류를 발생시키는 층이다.
상기 광 흡수층(230) 위에는 윈도우 층(250)이 형성된다. 상기 윈도우 층(250)은 투명 전극으로서의 기능을 하기 때문에 광 투과율이 높고 전기전도성이 우수하여야 한다. 상기 윈도우 층(250)은, 예를 들면, 산화 아연(ZnO) 박막을 이용하거나 ITO(indium tin oxide) 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중 구조를 이용할 수 있다.
또, 상기 광 흡수층(230)과 상기 윈도우 층(250) 사이에는 격자상수와 에너지 밴드갭에 있어서 큰 차이가 있기 때문에, 양호한 접합을 이루기 어려울 수 있다. 이러한 점을 고려하여 버퍼층(240)을 상기 광 흡수층(230)과 상기 윈도우 층(250) 사이에 둘 수 있다.
입사되는 빛의 반사를 줄임으로써 소자의 효율을 개선할 수 있기 때문에 반사 방지층(260)을 구비할 수 있다. 광전 소자에서 생성된 전류를 수집하기 위해 그리드 전극(270)과 배면 전극(220)을 구비할 수 있다. 특히, 상기 배면 전극(220)은 상기 기판(210)과 상기 광흡수층(230) 사이에 위치할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<실시예>
본 발명의 광전 물질을 제조하기 위한 제조 장치의 개념도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 진공 챔버(110) 내에 기판 홀더(120)가 위치된다. 상기 진공 챔버 내의 압력은 10-6 torr 이하로 유지하였다.
또한, 상기 기판 홀더(120)는 기판을 지지하는 역할과 함께 후속되는 열처리에서 기판에 열을 가하는 역할도 수행한다. 따라서, 상기 기판 홀더(120) 내에는 가열 구조가 구비되어 있다.
상기 기판 홀더(120) 위에 기판(140)을 위치시켰다. 기판(140)으로는 유리 기판을 세척하여 사용하였다.
또한, 상기 진공 챔버(110)의 하부에 타겟(130)을 위치시켰다. 상기 타겟은 타겟 자체를 위치시킬 수도 있고, 텅스텐 보우트(W-boat)에 담아서 위치시키거나 누출 셀(effusion cell)의 형태로 위치시킬 수도 있는데 대면적용으로 시료를 증착하기 위해서는 텅스텐 보우트를 이용하는 것이 유리하므로 두 개의 텅스텐 보우트에 As2S3 타겟과 CuSe2 타겟을 각각 담아 위치시켰다.
먼저 As2S3가 위치된 타겟을 가열하여 증발시킴으로써 상기 기판(140)에 As2S3의 층을 증착하였다. 다음으로 CuSe2가 위치된 타겟을 가열하여 증발시킴으로써 상기 기판(140)에 CuSe2의 층을 증착하였다.
그런 후, 상기 기판 홀더(120) 내의 가열 장치를 이용해 기판(140)의 온도를 250 ℃까지 약 15분에 걸쳐서 상승시켰다. 기판(140)의 온도를 250 ℃에서 10분 동안 유지시킨 후 상온까지 냉각시켰다.
상기와 같이 제조한 광전 물질 박막을 이용하여 XRD 실험을 수행함으로써 X선 회절 패턴을 측정하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. 그 결과 43도 내지 44도 및 63도 내지 65도에서 피크가 형성되는 것을 확인하였다. 제 1 물질인 As2S3는 비정질이므로 피크가 형성되지 않고, 제 2 물질인 CuSe2는 결정질로서 피크가 형성되는 위치는 27도, 28도, 31도, 32도, 46도, 47도, 50도, 57도, 71도이다. 따라서, 상기 제조 방법에 의하여 전혀 새로운 결정 구조의 광전 물질이 생성된 것을 알 수 있다.
또한, 제작된 광전 물질 박막의 광학적 특성을 알아보기 위하여 상기 실시예의 광전 물질과 As2S3 박막, CuSe2 박막에 대하여 광투과 특성을 측정하고 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3에서 보는 바와 같이 실시예의 광투과 특성은 As2S3 박막 및 CuSe2 박막의 광투과 특성과 전혀 상이하다.
또한, 상기 광투과 특성에서 실시예의 광전 물질의 광학 밴드갭이 20℃에서 약 1.38 eV 내지 약 1.65 eV 사이에 있음을 알 수 있다.
도 4는 상기와 같이 제조한 광전 물질을 이용한 광전 소자의 광전 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 보는 바와 같이 바이어스 전압을 건 상태에서 빛을 조사하였을 때와 조사하지 않았을 때의 전류 흐름에 있어서 빛을 조사하였을 때 전류가 더 많이 흐르는 것을 알 수 있다. 따라서, 본원 발명의 광전 물질의 광전 특성을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명의 광전 물질은 희소한 인듐이나 환경에 해로운 카드뮴과 같은 원소를 포함하지 않으면서 높은 광전 효율을 보이기 때문에 우수한 광전 소자를 제조하는 데 사용될 수 있다.
Claims (16)
- AXYY'의 화학식을 갖는 광전 물질(여기서, A는 11족 원소이고, X는 15족 원소이고, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이한 16족 원소임).
- 제 1 항에 있어서, 상기 광전 물질이 결정질인 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 A가 구리(Cu)인 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 X가 비소(As)인 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 Y가 황(S)이고, 상기 Y'가 셀레늄(Se)인 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 A가 구리(Cu)이고, 상기 X가 비소(As)이고, 상기 Y가 황(S)이고, 상기 Y'가 셀레늄(Se)인 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광전 물질의 광학 밴드갭이 20 ℃에서 1.38 eV 내지 1.65 eV 사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광전 물질에 대한 X-선 회절 실험을 수행하였을 때, 피크의 위치(2θ)가 43도 내지 45도 및 63도 내지 65도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 물질.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 따른 광전 물질을 포함하는 광전 소자.
- 제 9 항에 있어서, 상기 광전 소자가 기판, 상기 기판 위에 형성된 광흡수층, 상기 기판과 상기 광흡수층 사이에 형성된 배면 전극, 상기 광흡수층 위에 형성된 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성된 윈도우층, 상기 윈도우층 위에 형성된 그리드 전극을 포함하고, 상기 광전 물질이 상기 광흡수층에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
- 기판 위에 X2Y3의 화학식을 갖는 제 1 물질을 증착하는 단계;상기 제 1 물질 위에 AY'2의 화학식을 갖는 제 2 물질을 증착하는 단계; 및상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질을 열처리하는 단계;를 포함하는 광전 물질의 제조 방법(여기서, A는 11족 원소이고, X는 15족 원소이고, Y 및 Y'는 서로 같거나 상이한 16족 원소임).
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 물질의 화학식이 As2S3인 것을 특징으로 하는 광전 물질의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 물질의 화학식이 CuSe2인 것을 특징으로 하는 광전 물질의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 열처리가 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광전 물질의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 물질이 비결정질인 것을 특징으로 하는 광전 물질의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 물질이 결정질인 것을 특징으로 하는 광전 물질의 제조 방법.
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