KR100977529B1 - 3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 - Google Patents
3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100977529B1 KR100977529B1 KR1020080026020A KR20080026020A KR100977529B1 KR 100977529 B1 KR100977529 B1 KR 100977529B1 KR 1020080026020 A KR1020080026020 A KR 1020080026020A KR 20080026020 A KR20080026020 A KR 20080026020A KR 100977529 B1 KR100977529 B1 KR 100977529B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- cigs
- heat treatment
- thin film
- solar cell
- selenium
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims abstract description 86
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XIMIGUBYDJDCKI-UHFFFAOYSA-N diselenium Chemical compound [Se]=[Se] XIMIGUBYDJDCKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 CIGS 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지에 관한 것으로, 특히, 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 CIGS 박막 제조 방법에 있어서, CIGS 구성물 중 선택된 1종의 물질을 고체상태에서 CIGS시료와 함께 진공 밀폐시킨 후, 고체상태의 상기 물질이 기화되도록 열처리시키는 1차 열처리 단계, 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 기체상태의 상기 물질이 응결되어 막을 형성하도록 열처리시키는 2차 열처리 단계 및 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 상기 막을 형성한 상기 물질의 그레인(Grain)이 성장되도록 열처리시키는 3차 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법을 제공하는데, 바람직하게는 상기 CIGS 구성물 중 선택된 1종의 물질로서 셀레늄(Se)을 이용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리를 통해 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도함으로써, 기화온도가 상대적으로 낮은 셀레늄(Se)으로 인한 비화학양론적 CIGS 구성을 제어하여, 셀레늄(Se)의 그레인 성장을 통해, CIGS 막 밀도를 증가시켜, 결과적으로 화학양론적 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2)의 제조가 가능하게 되며, 이를 통해 전기적 특성이 향상된 고효율의 태양전지를 얻을 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
CIGS 태양전지, CIGS 박막, 셀렌화(Selenization), 3단계 열처리
Description
본 발명은 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리를 통해, CIGS 박막의 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도함으로써, 기화온도가 낮은 셀레늄(Se)으로 인한 비화학양론적 CIGS 구성을 제어하여, 셀레늄(Se)의 그레인 성장을 통해, CIGS 막 밀도를 증가시켜, 결과적으로 화학양론적 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2)의 제조가 가능할 수 있으며, 이를 통해 전기적 특성이 향상된 고효율의 태양전지를 얻을 수 있는 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
전 세계 각 국에서는 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향 을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 더욱 각광받고 있다.
종래에는 이러한 태양에너지를 활용할 수 있는 방법 중 하나로써, 태양전지(Solar Cell)와 같은 반도체 소자를 이용하여, 태양광을 수광하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방법이 주를 이루었으나, 최근에는 이보다 태양광 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비도 절감할 수 있는 CIGS 태양전지가 등장하였다.
이러한 CIGS 태양전지에는 CIGS 박막이 사용되는데, 이의 재료인 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2)는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se2)으로 조성된 4원계 화합물로서, 에너지밴드갭이 대략 1.04eV 정도로 이상적인 값에 가깝고, 광흡수계수가 높으며, 안정성이 뛰어나, 태양전지의 소재로서 커다란 응용 잠재력을 가지는 재료이다.
그런데 이러한 CIGS 박막과 같은 4원계 화합물의 제조는 그 조성뿐만 아니라 온도, 시간 등에 의해서도 크게 변하기 때문에 엄밀한 공정 제어가 필수적인데, 먼저, 스퍼터링(Sputtering) 또는 진공 증착(Vacuum Evaporation) 등의 물리기상증착 법(PVD: Physical Vapor Deposition)이나, 나노입자를 스프레잉(Spraying)이나 프린팅(Printing)에 의해 코팅하는 방법을 통해 CIGS시료- 열처리 단계를 거치지 않은 CIGS 박막을 'CIGS시료'라 칭한다-를 증착 형성한다.
이러한 CIGS시료는 CIGS 태양전지의 광흡수층으로 사용되어 높은 광효율을 발휘하기 위하여, 셀레늄(Se)의 막(幕) 밀도를 증가시키고, 그레인(Grain)을 더욱 성장시키기 위한 별도의 열처리 단계를 거치게 된다.
도 1 및 도 2는 종래의 CIGS 박막 제조 방법 중 셀레늄(Se) 열처리를 설명하기 위해 도시한 순서도와 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 CIGS 박막을 제조하기 위해, 고체상태의 셀레늄(Se)을 CIGS시료와 함께 밀폐시킨 후, 300~400℃의 온도로 열처리시켜, 셀레늄(Se) 기체 분위기를 형성하는 첫 번째 열처리 단계(S10)를 갖는다. 이러한 단계(S10)에서의 열처리 온도는 300~400℃이므로, 고체상태의 셀레늄(Se)은 기화되어 기체 상태로 존재하게 되는데, 이러한 셀레늄(Se) 기체는 CIGS시료에 흡수되게 된다. 이후, 450℃ 이상(통상적으로 500℃)의 온도에서 열처리시켜, CIGS시료에 흡수된 셀레늄(Se)의 그레인(Grain)을 성장시키는 두 번째 열처리 단계(S20)를 갖는다.
도 2를 참조하면, 첫 번째 열처리 단계(S10)에서의 온도(300~400℃) 및 두 번째 열처리 단계(S20)에서의 온도(450℃ 이상)는 셀레늄(Se)의 녹는점(217℃)보다 모두 높은 온도 값을 가지게 되는데, 이와 같이, 셀레늄(Se)의 녹는점(217℃)보다 계속 상위의 온도에서 열처리가 수행되게 되면, 셀레늄(Se)이 CIGS시료에 효과적으로 흡수되지 못하는 현상이 발생되게 된다.
이러한 현상은 종래의 CIGS 박막 제조 방법에 의해 제공된 CIGS 박막의 그레인 성장 부진의 원인 및 막 밀도 저하의 원인으로 작용하여, 결과적으로, CIGS 태양전지의 전기적 특성 향상 및 광 효율 증가에 많은 어려움이 따랐다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리를 통해, CIGS 박막의 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도함으로써, 기화온도가 낮은 셀레늄(Se)으로 인한 비화학양론적 CIGS 구성을 제어하여, 셀레늄(Se)의 그레인 성장을 통해, CIGS 막 밀도를 증가시켜, 결과적으로 화학양론적 CIGS(Cu(In1 - xGax)Se2)의 제조가 가능할 수 있으며, 이를 통해 전기적 특성이 향상된 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 사상에 따르면, 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 CIGS 박막 제조 방법에 있어서, a) CIGS 구성물 중 선택된 1종의 물질을 고체상태에서 CIGS시료와 함께 진공 밀폐시킨 후, 고체상태의 상기 물질이 기화되도록 열처리시키는 1차 열처리 단계; b) 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 기체상태의 상기 물질이 응결되어 막을 형성하도록 열처리시키는 2차 열처리 단계; 및 c) 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 상기 막을 형성한 상기 물질의 그레인(Grain)이 성장되도록 열처리시키는 3차 열처리 단계;를 포함하 는 것을 특징으로 하는 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법을 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 a) 단계에서의 1차 열처리 온도는 300~400℃이고, 상기 b) 단계에서의 2차 열처리 온도는 150~300℃이며, 상기 c) 단계에서의 3차 열처리 온도는 400~600℃인 것이 좋다.
그리고 상기 a) 단계에서의 1차 열처리 시간, 상기 b) 단계에서의 2차 열처리 시간 및 상기 c) 단계에서의 3차 열처리 시간은 각각 1~60분인 것이 좋다.
또한, 상기 CIGS시료에서의 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 조성비(x)는 Cu(In1 -xGax)Se2에서 0≤x≤1인 것이 바람직하다.
그리고 상기 c) 단계 이후에, d) 성장된 그레인을 갖는 상기 막이 형성된 상기 CIGS시료를 상온에서 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 a) 단계에서, 상기 CIGS 구성물 중 선택된 상기 1종의 물질은 셀레늄(Se)인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 또 다른 사상에 따르면, 상기와 같은 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법으로 제조된 CIGS 박막을 이용한 CIGS 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명은 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처 리를 통해 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도함으로써, 기화온도가 상대적으로 낮은 셀레늄(Se)으로 인한 비화학양론적 CIGS 구성을 제어하여, 셀레늄(Se)의 그레인 성장을 통해, CIGS 막 밀도를 증가시켜, 결과적으로 화학양론적 CIGS(Cu(In1 -xGax)Se2)의 제조가 가능하게 되며, 이를 통해 전기적 특성이 향상된 고효율의 태양전지를 얻을 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
본 발명에 따른 3단계 열처리에 의한 CIGS(Cu(In1 - xGax)Se2) 박막 제조 방법, CIGS 박막 및 이를 이용한 태양전지에 대한 실시예는 다양하게 적용될 수 있으나, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
도면에서, 도 3은 본 발명에 따른 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위해 도시한 순서도이며, 도 4는 도 3에 도시된 실시예를 설명하기 위해 도시한 그래프이고, 도 5는 도 1에 도시된 종래의 CIGS 박막 제조 방법과 도 3에 도시된 실시예에 의해 제조된 각각의 CIGS 박막 표면을 주사전자현미경(Scaning Electron Microscope)를 이용하여 비교 촬영한 사진이다.
도 3 내지 도 5를 병행 참조하여, 본 발명의 사상에 따른 3단계 열처리에 의한 CIGS(Cu(In1 - xGax)Se2) 박막 제조 방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, CIGS 태양전지의 광흡수층으로 이용(기타 다른 용도로 이용되는 것 또한 본 발명의 범주에 포함되는 것은 자명하다)될 수 있는 CIGS 박막 제조 방법에 있어서, 본 발명은 CIGS 구성물 중 선택된 1종의 물질을 고체상태에서 CIGS시료와 함께 진공 밀폐시킨 후, 고체상태의 상기 물질이 기화되도록 열처리시키는 1차 열처리 단계(S100)을 포함한다.
상기 CIGS 구성물은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는데, 이러한 CIGS 구성물 중에서 1종의 물질로서 셀레늄(Se)이 선택되는 것이 바람직하다.
고체상태의 셀레늄(Se)을 CIGS시료(CIGS 박막을 제조하는 공정 과정 중에 본 발명에 따른 3단계 열처리를 거치기 전의 증착 형성된 형태의 CIGS박막을 'CIGS시료'라 칭한다)와 함께 진공 밀폐시키는데, 이때 이용되는 반응 용기는 대략 600℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 재질을 가진 것으로서, 석영, 금속 및 합금 등의 재질이면 어느 것이라도 무방하다. 본 실시예에서는 석영 재질의 반응 용기를 이용한다. 그리고 이때의 반응 용기는 내부가 진공의 밀폐 상태로 유지될 수 있는 형상을 가진 것이 바람직하다.
고체상태의 셀레늄(Se)은 CIGS시료와 함께 반응 용기 상에 담아지고, 이후, 진공 펌프를 이용하여, 반응 용기 내부는 진공의 밀폐 상태로 만들어진다.
그리고 반응 용기를 소성로에 넣은 후, 300~400℃의 온도로 1~60분 동안 1차 열처리 단계를 수행한다. 이러한 본 단계(S100)에 의하여, 진공의 밀폐 상태가 유지된 반응 용기 내부 상태는 기화된 셀레늄(Se)에 의해 셀레늄(Se) 기체 분위기로 만들어진다.
다음으로, 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 기체상태의 상기 물질이 응결되어 막을 형성하도록 열처리시키는 2차 열처리 단계(S120)를 포함한다.
바람직한 실시예로서, 이전 단계(S100)에서 상기 물질을 셀레늄(Se)으로 선택하였는데, 고체상태에서 기체상태로 기화된 셀레늄(Se)이 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서 응결되어 막(幕)을 형성하도록, 50~300℃의 온도로 1~60분 동안 열처리시킨다.
본 단계(S120)는 진공의 밀폐 상태로 유지된 반응 용기 내부의 기체 셀레늄(Se)이 CIGS시료의 표면과 입자 사이에 응결되어 막이 형성되는 저온 열처리 단계이다.
도 1에서 살펴본 바와 같이, 종래의 CIGS 박막 제조 방법에서와 같이, 첫 번째 열처리 단계(S10)에서 300~400℃의 온도로 열처리한 후, 더 높은 온도인 450℃ 이상에서 두 번째 열처리를 수행할 경우에는 본 실시예에서와 같이 셀레늄(Se) 기체가 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에 응결되어 막으로 형성되지 못하는데, 이는 종래의 경우 CIGS시료의 표면 온도가 셀레늄(Se)의 응결 온도보다 높기 때문이다.
따라서, 본 단계(S120)에서는 50~300℃의 온도로 1~60분 동안 저온 열처리를 해줌으로써, 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도할 수 있으며, CIGS시료에서 셀레늄(Se)이 손실되는 현상을 방지할 수 있다.
다음으로, 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 상기 막을 형성한 상기 물질의 그레인(Grain)이 성장되도록 열처리시키는 3차 열처리 단계(S140)를 포 함한다.
본 단계(S140)에서는 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서 막을 형성한 상기 셀레늄(Se)의 그레인이 성장될 수 있도록, 400~600℃의 온도로 1~60분 동안 열처리시키는 고온 열처리 단계로서, 셀레늄(Se)의 그레인이 효과적으로 충분히 성장될 수 있게 충분한 에너지를 공급한다.
여기까지 상술된 단계들(S100, S120, S140)을 통해, 본 발명에 따른 CIGS 박막이 제조될 수 있으며, 도 4에는 본 실시예의 이해를 돕기 위한 그래프가 도시되어 있다.
마지막으로, 성장된 그레인을 갖는 상기 셀레늄(Se) 막이 형성된 CIGS시료는 상온에서 냉각될 수 있는데(S160), 이러한 단계(S160)는 전술된 1차 열처리 단계(S100), 2차 열처리 단계(S120) 및 3차 열처리 단계(S140)에 의해 제조된 CIGS 박막을 상온에서 냉각시키는 열처리 후 공정 단계이다.
본 단계(S160)에서는 자연적인 상온 냉각을 이용할 수도 있으나, 잉여의 셀레늄(Se) 기체가 CIGS박막의 표면상에 남아 있지 않게 질소(N) 기체 또는 아르곤(Ar) 기체를 불어 넣어주면서 냉각시키는 것이 바람직하다.
그리고 본 실시예에서 CIGS(Cu(In1 - xGax)Se2)시료의 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 조성비(x)는 0≤x≤1을 가질 수 있다. 즉, CIGS 뿐만 아니라 CIS 또는 CGS에 모두 해당된다.
도 5는 도 1에 도시된 종래의 CIGS 박막 제조 방법과 도 3에 도시된 실시예에 의해 제조된 각각의 CIGS 박막 표면을 주사전자현미경(Scaning Electron Microscope)를 이용하여 비교 촬영한 사진이다.
도 5를 참조하면, (a)는 종래의 CIGS 박막 제조 방법에 의해 제조된 CIGS 박막 표면 사진이며, (b)는 본 실시예를 이용하여 제조된 CIGS 박막 표면 사진이다. 사진 (a)에 비해 사진 (b)는 일견하여 살펴보아도, 나노 수준의 크기를 갖는 그레인이 마이크로 수준의 크기를 갖는 그레인으로 성장되어 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 3단계 열처리에 의한 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2) 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였다.
이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2) 박막 제조 방법 중 열처리 단계를 설명하기 위해 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열처리 단계를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위해 도시한 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 종래의 CIGS 박막 제조 방법과 도 3에 도시된 실시예에 의해 제조된 각각의 CIGS 박막 표면을 주사전자현미경(Scaning Electron Microscope)를 이용하여 비교 촬영한 사진이다.
Claims (7)
- 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 CIGS 박막 제조 방법에 있어서,a) 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se2) 중 선택된 1종의 물질을 고체상태에서 CIGS시료와 함께 진공 밀폐시킨 후, 고체상태의 상기 물질이 기화되도록 열처리시키는 1차 열처리 단계;b) 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 기체상태의 상기 물질이 응결되어 막을 형성하도록 열처리시키는 2차 열처리 단계; 및c) 상기 CIGS시료의 표면 또는 입자 사이에서, 상기 막을 형성한 상기 물질의 그레인(Grain)이 성장되도록 열처리시키는 3차 열처리 단계;를 포함하며,상기 a) 단계에서의 1차 열처리 온도는 300~400℃이고, 상기 b) 단계에서의 2차 열처리 온도는 150~300℃이며, 상기 c) 단계에서의 3차 열처리 온도는 400~600℃인 것을 특징으로 하는,3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 a) 단계에서의 1차 열처리 시간, 상기 b) 단계에서의 2차 열처리 시간 및 상기 c) 단계에서의 3차 열처리 시간은 각각 1~60분인 것을 특징으로 하는,3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 CIGS시료에서의 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 조성비(x)는,Cu(In1 - xGax)Se2에서 0≤x≤1인 것을 특징으로 하는,3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 c) 단계 이후에,d) 성장된 그레인을 갖는 상기 막이 형성된 상기 CIGS시료를 상온에서 냉각시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 a) 단계에서, 상기 선택된 상기 1종의 물질은 셀레늄(Se)인 것을 특징으로 하는,3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법.
- 제 1 항, 제3항, 제4항, 제5항 및 제 6 항 중 어느 한 항의 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법으로 제조된 CIGS 박막을 이용한 CIGS 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080026020A KR100977529B1 (ko) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | 3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080026020A KR100977529B1 (ko) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | 3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090100692A KR20090100692A (ko) | 2009-09-24 |
| KR100977529B1 true KR100977529B1 (ko) | 2010-08-23 |
Family
ID=41358827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080026020A KR100977529B1 (ko) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | 3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100977529B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101307994B1 (ko) | 2010-09-03 | 2013-09-12 | 전남대학교산학협력단 | 광흡수 나노입자 전구체, 상기 전구체 제조방법, 상기 전구체를 이용한 고품질광흡수 나노입자 및 상기 나노입자 제조방법 |
| US9437761B2 (en) | 2013-04-02 | 2016-09-06 | Korea Institute Of Energy Research | Method of forming chalcopyrite light-absorbing layer |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101335656B1 (ko) * | 2011-11-25 | 2013-12-03 | 한국광기술원 | Ｃｉｓ계 박막 제조방법 |
| KR101577906B1 (ko) * | 2014-08-29 | 2015-12-16 | 에스엔유 프리시젼 주식회사 | Cigs 박막 급속 열처리 장치 |
| KR102075633B1 (ko) * | 2018-11-08 | 2020-02-10 | 재단법인대구경북과학기술원 | CZTSSe계 박막 제조방법 및 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 |
| WO2023059120A1 (ko) * | 2021-10-07 | 2023-04-13 | 동우 화인켐 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020007777A (ko) * | 2000-07-19 | 2002-01-29 | 손재익 | 이원화합물의 진공증발 증착에 의한 ＣｕＩｎＳｅ２박막의 제조방법 |
| JP2003105542A (ja) | 2001-08-09 | 2003-04-09 | Micron Technology Inc | 可変温度堆積方法 |
| KR20070120374A (ko) * | 2006-06-19 | 2007-12-24 | (주)인솔라텍 | 태양전지용 광흡수층의 제조방법 |
-
2008
- 2008-03-20 KR KR1020080026020A patent/KR100977529B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020007777A (ko) * | 2000-07-19 | 2002-01-29 | 손재익 | 이원화합물의 진공증발 증착에 의한 ＣｕＩｎＳｅ２박막의 제조방법 |
| JP2003105542A (ja) | 2001-08-09 | 2003-04-09 | Micron Technology Inc | 可変温度堆積方法 |
| KR20070120374A (ko) * | 2006-06-19 | 2007-12-24 | (주)인솔라텍 | 태양전지용 광흡수층의 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Cu(In,Ga)Se2 나노입자을 이용한 광흡수층 치밀화에 따른 Se 분위기의 열처리 효과(2006.06.22) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101307994B1 (ko) | 2010-09-03 | 2013-09-12 | 전남대학교산학협력단 | 광흡수 나노입자 전구체, 상기 전구체 제조방법, 상기 전구체를 이용한 고품질광흡수 나노입자 및 상기 나노입자 제조방법 |
| US9437761B2 (en) | 2013-04-02 | 2016-09-06 | Korea Institute Of Energy Research | Method of forming chalcopyrite light-absorbing layer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20090100692A (ko) | 2009-09-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Son et al. | Effect of solid-H 2 S gas reactions on CZTSSe thin film growth and photovoltaic properties of a 12.62% efficiency device | |
| KR100922890B1 (ko) | Ｃｉｇｓ 광흡수층 제조방법 및 ｃｉｇｓ 광흡수층을포함하는 태양전지. | |
| JP4994032B2 (ja) | Ｉｂ−ｉｉｉａ−ｖｉａ族四元合金又は五元合金以上の合金から成る半導体薄膜を製造するための方法 | |
| TWI554624B (zh) | 大規模cigs基薄膜光伏材料的鈉濺射摻雜方法 | |
| KR100977529B1 (ko) | 3단계 열처리에 의한 ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 및 ｃｉｇｓ태양전지 | |
| JP5730788B2 (ja) | スパッタリングターゲット及びスパッタリングターゲットの製造方法 | |
| KR101628312B1 (ko) | ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지 | |
| WO2003005456A1 (en) | Method for forming light-absorbing layer | |
| Zhang et al. | Sb2Se3 films fabricated by thermal evaporation and post annealing | |
| JP2019140392A (ja) | 銅−インジウム−ガリウム−セレン吸収層及びその製造方法、太陽電池及びその製造方法 | |
| Cheng et al. | Optimization of post-selenization process of Co-sputtered CuIn and CuGa precursor for 11.19% efficiency Cu (In, Ga) Se 2 solar cells | |
| WO2014064823A1 (ja) | 半導体膜の製造方法、太陽電池及びカルコパイライト化合物 | |
| KR101388458B1 (ko) | 급속 열처리 공정을 사용한 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법 | |
| Terauchi et al. | Preparation of CuInSe2 thin films by selenization of Cu In O precursors | |
| KR20130007188A (ko) | Ｃｉｇｓ 박막 제조 방법 | |
| Gang et al. | Optimization of CdS buffer layer for high efficiency earth-abundant Cu2ZnSn (S, Se) 4 thin film solar cells | |
| Wu et al. | Effect of selenization processes on CIGS solar cell performance | |
| JP3960869B2 (ja) | アモルファス鉄シリサイド半導体薄膜の製造方法 | |
| US20170309772A1 (en) | Method for manufacturing a large-area thin film solar cell | |
| Kawabe et al. | Preparation of CuIn (S, Se) 2 films by PLD of precursor layers and post‐annealing and their application to solar cells | |
| US20170167028A1 (en) | Selenization or sulfurization method of roll to roll metal substrates | |
| KR101083741B1 (ko) | 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법 | |
| Alberts et al. | Material properties of Cu (In, Ga) Se2 thin films prepared by the reaction of thermally evaporated compound materials in H2Se/Ar | |
| Varol et al. | OPTICAL, STRUCTURAL AND MORPHOLOGICAL CHARACTERIZATION OF CuIn0. 7Ga0. 3 (Se0. 6Te0. 4) 2 THİN FILMS UNDER DIFFERENT ANNEALING TEMPERATURES | |
| Li et al. | Electrodeposition and characterization of CuInSe 2 thin films for solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130705 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140708 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150706 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160707 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |