KR101035979B1 - Method for growth of zinc oxide thin films and thin film solar cell using the same and fabricating method for the thin film solar cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for growing a ZnO thin film, a thin film solar cell using the same, and a method for manufacturing the thin film solar cell are provided to prevent a void and a crack in a silicon thin film deposition process by making the surface of the ZnO thin film with a U-shape. CONSTITUTION: Textures in a (0002) direction and a (1120) direction are simultaneously grown by controlling a deposition temperature, a deposition pressure, or the injection ratio of precursors. The deposition temperature is controlled between 90 and 150 degrees centigrade. The deposition pressure is controlled between 0.1 and 10 torr. The precursor is made of oxygen materials and zinc materials.

Description

ZnO 박막 성장방법 그리고 이를 이용한 박막태양전지 및 그 제조방법{Method for growth of zinc oxide thin films and thin film solar cell using the same and fabricating method for the thin film solar cell}Method for growth of zinc oxide thin films and thin film solar cell using the same and fabricating method for the thin film solar cell}

본 발명은 ZnO 박막 성장방법 그리고 이를 이용한 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ZnO 박막 적층시 <0002> 방향 및 <1120> 방향의 성장을 동시에 유도하여 ZnO 박막의 표면 요철 상태를 U자형으로 구현함으로써 텍스쳐링 등의 별도의 후처리 공정이 요구되지 않은 ZnO 박막 성장방법 그리고 이를 이용한 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a ZnO thin film growth method and a thin film solar cell using the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, the surface uneven state of the ZnO thin film by inducing the growth in the <0002> direction and the <1120> direction when the ZnO thin film is laminated The present invention relates to a ZnO thin film growth method that does not require a separate post-treatment process such as texturing by implementing a U-shape, and a thin film solar cell using the same and a method of manufacturing the same.

박막형 태양전지는 투명기판 상에 제 1 전극, 반도체층 및 제 2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 이와 같은 구조에서 제 1 전극은 광투과 특성이 우수한 ITO(indium tin oxide), ZnO 등의 투명 재질의 물질로 구성되며, 반도체층은 결정질(microcrystalline) 또는 비정질(amorphous) 실리콘 등으로 구성된다. The thin film solar cell has a structure in which a first electrode, a semiconductor layer, and a second electrode are sequentially stacked on a transparent substrate. In this structure, the first electrode is made of a transparent material such as indium tin oxide (ITO) and ZnO having excellent light transmission properties, and the semiconductor layer is made of crystalline (microcrystalline) or amorphous (amorphous) silicon.

반도체층으로 다결정질 실리콘(micro-crystalline Si)이 적용된 박막태양전지는 에너지밴드갭(energy band gap)이 1.1eV로 비정질 실리콘이 적용된 경우에 비해 낮아 가시광선 영역에서 근적외선 영역까지 광흡수범위가 넓고 또한, 광노출에 의한 열화가 작은 장점을 갖고 있다. 그러나, 광흡수도가 낮아 충분한 광흡수를 위해서는 약 50㎛ 이상의 막 두께가 요구된다. 따라서, 반도체층에서의 광흡수를 최대화하면서 박막층의 두께를 최소화할 수 있는 기술이 필요하다. 이러한 효과는 막의 표면에서 광산란을 일으켜 막 내에서 빛이 이동하는 거리를 증가시키는 이른바, 광 포획(light trapping)에 의해 가능하다. 광 포획(light trapping)은 일반적으로 박막태양전지의 투명전극으로 사용되는 ITO, SnO2, ZnO 등의 투명전도막의 표면 조도(surface roughness)를 증가시켜 그 효과를 얻을 수 있다. Thin-film solar cells with micro-crystalline Si as a semiconductor layer have an energy band gap of 1.1 eV, which is lower than that of amorphous silicon, resulting in a wider light absorption range from visible to near-infrared. In addition, deterioration due to light exposure has a small advantage. However, low light absorption requires a film thickness of about 50 mu m or more for sufficient light absorption. Therefore, there is a need for a technique capable of minimizing the thickness of the thin film layer while maximizing light absorption in the semiconductor layer. This effect is made possible by the so-called light trapping, which causes light scattering at the surface of the film and increases the distance that light travels within the film. Light trapping may be achieved by increasing the surface roughness of transparent conductive films such as ITO, SnO 2 , and ZnO, which are generally used as transparent electrodes of thin film solar cells.

한편, ZnO 박막은 광투과 및 전기전도성이 좋고 가격이 낮아 ITO에 비해 많은 장점을 갖고 있다. 또한, 실리콘 박막 증착시 사용되는 수소 플라즈마에 대한 저항성도 우수하여 SnO2에 비해 활용성이 크다. ZnO는 일반적으로 스퍼터링(sputtering) 또는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 방법을 통해 증착되는데, 스퍼터링 방법을 통해 증착된 박막의 경우 결정성장면의 방향이 <0002> 방향을 이루며 박막의 표면은 도 1에 도시한 바와 같이 매우 평탄하다. 따라서, 빛의 난반사를 기대할 수 없다. 반면, MOCVD 방법을 통해 증착된 박막의 경우 증착 조건에 따라 <0002> 방향 또는 <1120> 방향을 이루는데, <1120> 방향의 박막은 도 2에 도시한 바와 같이 피라미드 형태의 입자들이 기판 상에 박혀있는 형상이며, 전체적으로 요철 구조를 이룬다. 이와 같은 표면 요철 구조에 의해 빛은 난반사되고 광 포획을 얻을 수 있게 된다. 참고로, 본 특허에서 <1120> 방향은 육방정계를 갖는 입자가 기판에 수직으로 성장하는 방향을 의미하며, 이하에서도 마찬가지이다. Meanwhile, ZnO thin films have many advantages over ITO due to their low light transmittance and electrical conductivity and low price. In addition, it is also highly usable compared to SnO 2 because it has excellent resistance to hydrogen plasma used in the deposition of silicon thin films. ZnO is generally deposited by sputtering or metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). In the case of a thin film deposited by the sputtering method, the crystal growth plane has a direction of <0002> and the surface of the thin film is Very flat as shown in FIG. Therefore, diffuse reflection of light cannot be expected. On the other hand, the thin film deposited by the MOCVD method forms a <0002> direction or <1120> direction according to the deposition conditions, the thin film in the <1120> direction is a pyramidal particles as shown in Figure 2 on the substrate It is embedded in shape and forms an uneven structure as a whole. Such surface irregularities allow light to be diffusely reflected and to capture light. For reference, in the present patent, the <1120> direction means a direction in which particles having a hexagonal system grow perpendicular to the substrate, and the same also applies to the following.

한편, <1120> 방향으로 성장된 박막의 표면은 도 3에 도시된 바와 같이 피라미드형 입자(201)들이 인접하여 배치된 형태임에 따라, 입자(201)들 사이에는 V자 형태의 골(valley)이 형성된다. 이와 같은 상태에서, ZnO 박막 상에 반도체층으로 실리콘 박막을 적층하게 되면 실리콘 박막(202)이 V자 형태의 골(valley)을 완벽하게 채우지 못해 보이드(void)(203)가 발생하거나 이로 인해 크랙(crack)이 발생되는 문제점이 있다. 이러한 보이드 및 크랙은 V자 형태의 골에 실리콘 박막이 증착될 때 새도우(shadowing) 효과 때문에 발생되며, 태양전지의 효율을 저하시키는 중요한 요인이 된다('M. Python et al., Solar energy materials and solar cells, 93, 1714 (2009)', 'H. B. T. Li et al., Thin solid films, 517, 3476 (2009)')Meanwhile, as the surface of the thin film grown in the <1120> direction has a shape in which pyramidal particles 201 are disposed adjacent to each other, as shown in FIG. 3, a V-shaped valley is formed between the particles 201. ) Is formed. In this state, when the silicon thin film is deposited on the ZnO thin film as a semiconductor layer, the silicon thin film 202 does not completely fill the V-shaped valleys, causing voids 203 or cracks due to the cracks. There is a problem that (crack) occurs. These voids and cracks are generated due to the shadowing effect when the silicon thin film is deposited on the V-shaped bone, which is an important factor in reducing the efficiency of the solar cell ('M. Python et al., Solar energy materials and solar cells, 93, 1714 (2009) ',' HBT Li et al., Thin solid films, 517, 3476 (2009) ')

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, MOCVD 이용하여 ZnO를 증착한 후 플라즈마 처리를 하여 V자 형태의 골을 U자형으로 만들어 주는 방법('J. Bailat et al., Proce. of the 4th WCPEC. Hawaii, 1533 (2006)') 습식식각하여 U자형으로 만들어 주는 방법(미국특허출원 2009-239326호) 등이 제안되었다. 이러한 방법들을 통상 텍스쳐링(texturing)이라 칭하며, 실리콘 박막과 ZnO 사이의 보이드 및 크랙을 제거하는데 효과적이며 따라서 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. In order to solve such a problem, a method of forming Z-shaped bones in a U shape by depositing ZnO using MOCVD and performing plasma treatment ('J. Bailat et al., Proce. Of the 4th WCPEC.Hawaii, 1533 (2006) ') has been proposed a method of making a U-shaped by wet etching (US Patent Application 2009-239326). These methods are commonly referred to as texturing and are effective in removing voids and cracks between the silicon thin film and ZnO and thus increase the efficiency of the solar cell.

그러나, 플라즈마 처리나 습식식각 처리에 의해 U자형 골을 만드는 방법은 ZnO 증착 후 추가적인 공정이 요구되며, 플라즈마 처리에 사용되는 기체나 습식식각 공정에 사용되는 식각액 등에 의한 ZnO 박막의 오염을 유발할 가능성이 상존하여 표면 세정을 위한 별도의 공정이 필요하고, 또한 처리 중에 ZnO 박막 표면에 손상을 주어 ZnO 박막의 물성 저하를 유발할 수 있다.
However, the method of making U-shaped bone by plasma treatment or wet etching requires an additional process after ZnO deposition, and it is possible to cause contamination of the ZnO thin film by the gas used in the plasma treatment or the etchant used in the wet etching process. There is a need for a separate process for surface cleaning, and may also damage the surface of the ZnO thin film during treatment, which may cause a decrease in physical properties of the ZnO thin film.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, ZnO 박막 적층시 <0002> 방향 및 <1120> 방향의 성장을 동시에 유도하여 ZnO 박막의 표면 요철 상태를 U자형으로 구현함으로써 텍스쳐링 등의 별도의 후공정 공정이 요구되지 않은 ZnO 박막 성장방법 그리고 이를 이용한 박막태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, by inducing growth in the <0002> direction and <1120> direction at the time of the ZnO thin film stacking to implement the surface irregularities of the ZnO thin film in the U-shaped to separate the texturing, etc. It is an object of the present invention to provide a ZnO thin film growth method and a thin film solar cell using the same and a method for manufacturing the same, which do not require post-processing.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ZnO 박막 성장방법은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 ZnO 박막을 성장함에 있어서, ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키는 것을 특징으로 한다. ZnO thin film growth method according to the present invention for achieving the above object in the growth of ZnO thin film using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, 1) deposition temperature control, 2) deposition pressure during the deposition of ZnO thin film Control, 3) through the one or more of adjusting the injection rate ratio of the precursor, characterized in that to grow the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction at the same time.

1) 증착 온도 조절에서, 상기 증착 온도는 90∼150℃에서 조절될 수 있다. 2) 증착 압력 조절에서, 상기 증착 압력은 0.1∼10torr에서 조절될 수 있다. 3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서, 상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>의 주입량의 비율은 <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질> = 0.1∼4일 수 있다. 또한, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O이고, 상기 <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc) 또는 DMZ(dimethylzinc)일 수 있다. 1) In the deposition temperature control, the deposition temperature may be adjusted at 90 ~ 150 ℃. 2) In the deposition pressure control, the deposition pressure may be adjusted from 0.1 to 10 torr. 3) In controlling the injection rate ratio of the precursors, the precursor is composed of <material including oxygen> and <material containing zinc>, the amount of the injection amount of the <material containing oxygen> and <material containing zinc> The ratio may be <material comprising oxygen> / <material comprising zinc> = 0.1 to 4. In addition, the <material containing oxygen> is H 2 O, the <material containing zinc> may be DEZ (diethylzinc) or DMZ (dimethylzinc).

본 발명에 따른 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지 제조방법은 기판을 준비하는 단계 및 상기 기판 상에 표면 요철 구조를 갖는 ZnO 박막을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지며, ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키는 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing a thin film solar cell using the ZnO thin film growth method according to the present invention includes preparing a substrate and depositing a ZnO thin film having a surface uneven structure on the substrate. Through one or more of temperature control, 2) deposition pressure control, 3) injection rate ratio adjustment of precursors, it is characterized in that the growth of the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction at the same time.

본 발명에 따른 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지는 기판 및 상기 기판 상에 적층되며, 표면 요철 구조를 갖는 ZnO 박막을 포함하여 이루어지며, ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키는 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지.
The thin film solar cell using the ZnO thin film growth method according to the present invention is laminated on the substrate and the substrate, and comprises a ZnO thin film having a surface irregularities structure, 1) deposition temperature control, 2) deposition pressure during the deposition of ZnO thin film 3) A thin film solar cell using the ZnO thin film growth method, characterized by simultaneously growing an aggregate structure in the <0002> direction and an aggregate structure in the <1120> direction through at least one of adjusting the injection rate ratio of the precursors.

본 발명에 따른 ZnO 박막 성장방법 그리고 이를 이용한 박막태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. ZnO thin film growth method and a thin film solar cell using the same and a manufacturing method according to the present invention has the following effects.

<0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 혼재되도록 ZnO 박막을 형성함에 따라, ZnO 박막 표면구조가 U자 형태를 이루게 된다. 이에 따라, 광산란 효과를 담보함과 함께 후속의 실리콘 박막 증착시 보이드 및 크랙이 발생되는 것을 억제할 수 있게 된다. As the ZnO thin film is formed such that the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction are mixed, the surface structure of the ZnO thin film is U-shaped. Accordingly, the light scattering effect can be ensured and the generation of voids and cracks during subsequent silicon thin film deposition can be suppressed.

따라서, 플라즈마 식각 등의 추가적인 공정이 요구되지 않아 박막태양전지 공정을 단순화시킬 수 있으며, 보이드 및 크랙 억제를 통해 박막태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. Therefore, since an additional process such as plasma etching is not required, the thin film solar cell process can be simplified, and the photoelectric conversion efficiency of the thin film solar cell can be improved by suppressing voids and cracks.

이와 함께, 증착 온도, 증착 압력, 전구체들(precursors)의 주입량 비율의 조절을 통해 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직의 혼재가 가능함에 따라, 공정 조건을 제어하기가 용이하다.
In addition, by controlling the deposition temperature, the deposition pressure, and the injection ratio of precursors, it is possible to mix the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction, thereby making it easier to control the process conditions. Do.

도 1은 <0002> 방향으로 성장된 ZnO 박막의 표면 SEM 사진.
도 2는 <1120> 방향으로 성장된 ZnO 박막의 표면 SEM 사진.
도 3은 <1120> 방향으로 성장된 ZnO 박막 상에 실리콘 박막을 적층하는 경우 발생되는 보이드(void)를 나타낸 참고도.
도 4는 <0002> 방향의 집합조직 및 <1120> 방향의 집합조직이 혼재된 ZnO 박막의 단면 모식도.
도 5는 Bubbler bath의 온도가 H2O는 80℃, DEZ는 36℃로 조절된 상태에서, 증착 온도 120℃, 증착 압력 0.67torr 하에서 90분간 증착시킨 ZnO 박막의 표면 구조 사진.
도 6은 도 5의 ZnO 박막에 대한 XRD 스펙트럼 결과를 나타낸 것.
도 7은 도 5의 ZnO 박막에 대하여 전체 투과도(TT, total transmittance) 및 난반사(diffused reflection)에 의한 투과도(DT)를 함께 나타낸 것.
1 is a SEM image of the surface of the ZnO thin film grown in the <0002> direction.
2 is a SEM image of the surface of a ZnO thin film grown in a <1120> direction.
3 is a reference diagram illustrating voids generated when a silicon thin film is laminated on a ZnO thin film grown in a <1120> direction.
4 is a schematic cross-sectional view of a ZnO thin film in which an aggregate structure in a <0002> direction and an aggregate structure in a <1120> direction are mixed.
FIG. 5 is a surface structure photograph of a ZnO thin film deposited for 90 minutes under a deposition temperature of 120 ° C. and a deposition pressure of 0.67 torr, with a bubble bath having a temperature of 80 ° C. and a DEZ of 36 ° C. adjusted to H 2 O. FIG.
Figure 6 shows the XRD spectrum results for the ZnO thin film of FIG.
FIG. 7 illustrates the total transmittance (TT) and transmittance (DT) due to diffuse reflection (TT) for the ZnO thin film of FIG. 5.

본 발명은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 ZnO 박막을 증착함에 있어서 증착 온도, 증착 압력, 전구체들(precursors)의 주입량 비율 중 어느 하나 이상을 조절하여 <0002> 방향 및 <1120> 방향의 성장을 동시에 유도함에 그 특징이 있다. The present invention is to control any one or more of the deposition temperature, the deposition pressure, the injection ratio of the precursors (precursors) in the deposition of ZnO thin film using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method and <1120 Its characteristic is to induce growth in the> direction simultaneously.

이를 통해 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 혼재된 ZnO 박막을 구현할 수 있으며, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 혼재됨으로 인해 ZnO 박막의 표면은 V자형이 아닌 U자 형태를 이루게 된다(도 4 참조). 이에 따라, ZnO 박막 표면은 광산란이 가능한 요철 구조를 이룸과 함께 후속의 실리콘 박막층의 적층시 보이드(void) 및 크랙 발생을 억제할 수 있는 구조를 갖게 된다. Through this, the ZnO thin film in which the aggregated structure in the <0002> direction and the aggregated structure in the <1120> direction can be realized can be realized, and the surface of the ZnO thin film is caused by the mixed structure in the <0002> direction and the aggregated structure in the <1120> direction. Form a U shape rather than a V shape (see FIG. 4). Accordingly, the surface of the ZnO thin film forms a concave-convex structure capable of light scattering, and has a structure capable of suppressing voids and cracks during subsequent deposition of the silicon thin film layer.

또한, 이와 같은 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 혼재된 U자형 요철구조의 ZnO 박막은 박막태양전지의 투명전도막으로 응용될 수 있으며, 이 경우 투명전도막에 대한 추가적인 텍스쳐링(texturing) 등의 후공정 즉, 플라즈마 식각 공정 등이 요구되지 않게 된다. In addition, the ZnO thin film having a U-shaped concave-convex structure in which the aggregated structure in the <0002> direction and the aggregated structure in the <1120> direction are mixed may be applied as a transparent conductive film of a thin film solar cell, in which case, Further processing such as texturing (texturing), that is, plasma etching process or the like is not required.

한편, ZnO 박막의 결정 성장시, <0002> 방향 및 <1120> 방향의 성장을 동시에 유도하기 위한 인자로 1) 전구체들의 주입량 비율 조절, 2) 증착 온도 조절, 3) 증착 압력 조절이 있는데, 먼저 1) 전구체들의 주입량 비율 조절에 대해 설명하면 다음과 같다. Meanwhile, when crystal growth of a ZnO thin film, there are 1) controlling the injection ratio of precursors, 2) controlling the deposition temperature, and 3) controlling the deposition pressure as factors for inducing growth in the <0002> and <1120> directions simultaneously. 1) Controlling the injection rate ratio of precursors is as follows.

ZnO 박막 증착에 사용되는 전구체들은 <산소를 포함하는 물질>과 <아연(Zn)을 포함하는 물질>로 구분되며, <산소를 포함하는 물질>로는 H2O가 이용될 수 있으며, <아연을 포함하는 물질>로는 DEZ(diethylzinc) 또는 DMZ(dimethylzinc)가 이용될 수 있다. Precursors used for ZnO thin film deposition are classified into <materials containing oxygen> and <materials containing zinc (Zn)>, H 2 O may be used as <materials containing oxygen> and <zinc As a material containing>, DEZ (diethylzinc) or DMZ (dimethylzinc) may be used.

실험에 따르면, <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질>의 비 정확히는, 산소/아연의 비가 0.1∼4로 변화되는 상태에서 ZnO 박막의 결정 성장방향은 <0002> 방향에서 <1120> 방향으로 변화된다. 즉, <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질>의 비가 0.1에 가까울수록 <0002> 방향의 결정 성장이 이루어지며, <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질>가 4에 가까울수록 <1120> 방향의 결정 성장이 이루어진다. 이 때, <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질>의 비가 0.1 이하이면 Zn의 금속 박막 형태로 증착되며, 그 비가 4 이상에서는 성장방향이 <1120>으로 고정되어 성장방향의 변화가 보이지 않는다. According to the experiment, the ratio of <material containing oxygen> / <material containing zinc>, the crystal growth direction of the ZnO thin film is <1120 in the <0002> direction with the oxygen / zinc ratio being changed from 0.1 to 4 Direction is changed. That is, as the ratio of <material containing oxygen> / <material containing zinc> approaches 0.1, crystal growth occurs in the <0002> direction, and <material containing oxygen> / <material containing zinc> is As close to 4, crystal growth occurs in the <1120> direction. At this time, when the ratio of <material including oxygen> / <material containing zinc> is 0.1 or less, the metal film is deposited in the form of a Zn metal thin film. Does not look

따라서, <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질>의 비를 0.1∼4로 조절함으로써 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시킬 수 있다. Therefore, by adjusting the ratio of <material including oxygen> / <material containing zinc> to 0.1 to 4, it is possible to simultaneously grow the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction.

다음으로, 2) 증착 온도 조절에 대해 설명하면 다음과 같다. ZnO 박막 증착시 증착 온도가 상승될수록 ZnO 박막은 <1120> 방향의 성장 형태를 나타내며, 반대로 증착 온도가 낮아질수록 ZnO 박막은 <0002> 방향의 성장 형태를 나타낸다. 구체적으로, 증착 온도가 150℃ 이상이 되면 ZnO 박막은 <1120> 방향으로만 성장하고, 증착 온도가 90℃ 이하가 되면 ZnO 박막은 <0002> 방향으로만 성장된다. 반면, 증착 온도가 90∼150℃의 경우 ZnO 박막은 <0002> 방향 뿐만 아니라 <1120> 방향의 성장이 함께 이루어진다. 따라서, ZnO 박막의 증착시 증착 온도를 90∼150℃로 조절함으로써 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시킬 수 있다. Next, 2) the deposition temperature control will be described. During deposition of the ZnO thin film, as the deposition temperature is increased, the ZnO thin film shows a growth pattern in the <1120> direction. In contrast, as the deposition temperature decreases, the ZnO thin film shows a growth pattern in the <0002> direction. Specifically, when the deposition temperature is 150 ° C. or more, the ZnO thin film grows only in the <1120> direction, and when the deposition temperature reaches 90 ° C. or less, the ZnO thin film grows only in the <0002> direction. On the other hand, when the deposition temperature is 90 to 150 ° C., the ZnO thin film grows in the <1120> direction as well as the <0002> direction. Therefore, by controlling the deposition temperature to 90 to 150 ℃ during the deposition of the ZnO thin film it is possible to grow the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction at the same time.

마지막으로, 3) 증착 압력 조절에 대해 설명하면 다음과 같다. 0.1∼10torr의 압력 범위에서 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 동시에 성장된다. 또한, 압력이 낮을수록 <1120> 방향의 성장이 우선되고, 압력이 높으면 <0002. 방향의 집합조직이 성장된다. 두 개의 집합조직이 동시 성장하는 압력범위는 온도에 따라 다르나, 120℃의 예를 보면 0.3torr에서 6torr 범위로 조절하여 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시킬 수 있다. Finally, 3) the deposition pressure control will be described. In the pressure range of 0.1 to 10 torr, the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction are simultaneously grown. In addition, the lower the pressure, the higher the growth in the <1120> direction, and the higher the pressure, the <0002. The aggregate of directions grows. The pressure range in which two aggregates grow simultaneously depends on the temperature, but in the example of 120 ℃, it is possible to grow the aggregate in the <0002> direction and the aggregate in the <1120> direction by adjusting from 0.3torr to 6torr. have.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 ZnO 박막 성장시 1) 전구체들의 주입량 비율 조절, 2) 증착 온도 조절, 3) 증착 압력 조절을 통해 <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직이 혼재된 U자형 요철구조의 ZnO 박막을 형성함에 특징이 있다. 이 중 1) 전구체들의 주입량 비율 조절 및 3) 증착 압력 조절의 경우, 증착 온도의 변화를 통해 결정 성장방향을 변화시키는 것이 아님에 따라, 증착 온도가 결정 성장방향에 미치는 영향이 없으며, 이에 따라 다양한 온도 조건 하에서 ZnO 박막을 형성시킬 수 있다. As described above, in the present invention, when the ZnO thin film is grown, the aggregated structure in the <0002> direction and the aggregated structure in the <1120> direction are mixed through 1) controlling the injection ratio of precursors, 2) controlling the deposition temperature, and 3) controlling the deposition pressure. It is characterized by forming a ZnO thin film having a U-shaped uneven structure. Among these, 1) the injection rate ratio of the precursors and 3) the deposition pressure control do not change the crystal growth direction by changing the deposition temperature, there is no effect of the deposition temperature on the crystal growth direction, accordingly It is possible to form a ZnO thin film under temperature conditions.

이와 같이 저온 ZnO 박막 증착이 가능함에 따라, ZnO 박막이 증착되는 기판의 재료 선정에 폭이 넓어지게 되며 고분자 기판 등의 응용이 충분히 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 ZnO 박막 성장방법은 표면 요철 구조가 요구되는 박막태양전지의 투명전도막에 응용될 수 있으며, 저온에서의 ZnO 박막 증착이 가능함에 따라 박막태양전지의 기판 선택(고분자 기판 사용 가능)에 폭을 넓혀줄 수 있다. As such a low temperature ZnO thin film can be deposited, the width of the material for the substrate on which the ZnO thin film is deposited becomes wider, and the application of the polymer substrate and the like is sufficiently possible. Therefore, the ZnO thin film growth method according to the present invention can be applied to a transparent conductive film of a thin film solar cell requiring a surface irregularities structure, and the substrate selection of the thin film solar cell is possible as the ZnO thin film can be deposited at low temperature. Wider).

이와 함께, 본 발명의 ZnO 박막을 박막태양전지에 응용하는 경우, ZnO 박막 표면 구조가 U자 형태를 이룸에 따라, 후속의 실리콘 박막을 증착함에 있어서 보이드(도 3 참조) 및 크랙 발생을 억제할 수 있게 되어 추가적인 후처리 공정이 요구되지 않는다. In addition, when the ZnO thin film of the present invention is applied to a thin film solar cell, as the ZnO thin film surface structure is U-shaped, it is possible to suppress voids (see FIG. 3) and crack generation in depositing subsequent silicon thin films. So that no additional aftertreatment process is required.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 ZnO 박막을 성장시킴과 함께 성장된 ZnO 박막의 결정구조 및 광투과 특성을 살펴보기로 한다.
Hereinafter, the crystal structure and the light transmission characteristics of the ZnO thin film grown with the growth of the ZnO thin film according to an embodiment of the present invention will be described.

실시예 1Example 1

Bubbler를 이용하여 전구체인 H2O와 DEZ(diethylzinc)를 운반기체와 함께 MOCVD 챔버 내에 공급하여 유리기판 상에 ZnO 박막을 증착시켰다. 운반기체로는 아르곤 가스를 사용하였으며, MOCVD 챔버 내의 압력은 0.67torr, 온도는 120℃이었다. 또한, H2O의 주입량은 100sccm, DEZ의 주입량은 200sccm이었다. MOCVD 챔버는 직경 5.5cm의 석영관이 발열체 내에 구비된 핫월(hot wall) 형태이며, 전구체와 운반기체의 공급 전에 석영관을 10-3torr로 배기하고 기판을 원하는 온도에 미리 맞추었다. <0002> 방향과 <1120> 방향의 결정 성장이 동시에 이루어지도록 하는 방법으로, H2O와 DEZ의 Bubbler bath의 온도를 독립적으로 조절함으로써 MOCVD 챔버 내로 공급되는 전구체의 주입량을 각각 조절하였다. Using a bubbler, precursors of H 2 O and DEZ (diethylzinc) were supplied together with a carrier gas into the MOCVD chamber to deposit a ZnO thin film on a glass substrate. Argon gas was used as the carrier gas, and the pressure in the MOCVD chamber was 0.67torr and the temperature was 120 ° C. In addition, the injection amount of H 2 O was 100 sccm, and the injection amount of DEZ was 200 sccm. The MOCVD chamber was in the form of a hot wall with a 5.5 cm diameter quartz tube in the heating element, evacuating the quartz tube to 10 -3 torr and feeding the substrate to the desired temperature before supplying the precursor and carrier gas. In order to simultaneously achieve crystal growth in the <0002> direction and the <1120> direction, the injection amount of the precursor supplied into the MOCVD chamber was controlled by independently controlling the temperatures of the Bubbler baths of H 2 O and DEZ.

도 5는 Bubbler bath의 온도가 H2O는 80℃, DEZ는 36℃로 조절된 상태에서, 증착 온도 120℃, 증착 압력 0.67torr 하에서 90분간 증착시킨 ZnO 박막의 표면 구조 사진이다. 도 5를 참고하면, 결정면이 뚜렷한 큰 입자들이 매우 작은 입자들과 혼재되어 있는 것을 알 수 있다. 결정면이 뚜렷한 입자는 <1120> 방향의 입자이고, 매우 작은 입자들은 <0002> 방향의 입자들이다. ZnO 박막의 표면 형상은 마치 <0002> 입자들로 이루어진 기지 상에 <1120> 입자가 섬처럼 존재하는 형태를 이룬다. 이와 같은 조직에서 <0002> 방향의 입자들이 없이 <1120> 입자들만이 성장하였다고 가정하면, 이들 입자 사이의 경계는 매우 예리한 깊은 골(즉, V자 형태)을 형성하였을 것으로 추정된다. 도 5의 경우, <1120> 입자들 뿐만 아니라 <0002> 입자들이 동시 성장하여 <1120> 입자들 사이의 골을 채워주는 형상을 하고 있다고 볼 수 있다. Figure 5 is a photograph of the surface structure of ZnO thin film was deposited 90 minutes while the temperature of the H 2 O bath Bubbler 80 is ℃, DEZ is in a controlled state in 36 ℃, deposition temperature 120 ℃, deposition pressure 0.67torr. Referring to FIG. 5, it can be seen that large particles having clear crystal planes are mixed with very small particles. Particles with a clear crystal plane are particles in the <1120> direction, and very small particles are the particles in the <0002> direction. The surface shape of the ZnO thin film is such that <1120> particles exist as islands on a matrix of <0002> particles. Assuming that only <1120> particles grew without such particles in the <0002> direction in these tissues, the boundary between these particles is estimated to form a very sharp deep valley (ie, V-shaped). In the case of FIG. 5, it can be seen that not only <1120> particles but also <0002> particles grow simultaneously to fill the valleys between the <1120> particles.

한편, 도 5에 도시된 ZnO 박막의 XRD 스펙트럼을 살펴보면 도 6과 같다. 도 6을 참고하면, (0002) 및 (1120)의 회절피크(diffraction peak)가 함께 나타나고 있으며, 이를 통해 <0002> 방향의 입자와 <1120> 방향의 입자가 동시 성장됨을 확인할 수 있다.
Meanwhile, the XRD spectrum of the ZnO thin film shown in FIG. 5 is shown in FIG. 6. Referring to FIG. 6, diffraction peaks of (0002) and (1120) are shown together, and through this, particles in the <0002> direction and particles in the <1120> direction may be simultaneously grown.

실시예 2Example 2

실시예 2는 실시예 1을 통해 제조된 ZnO 박막의 광투과 특성을 측정한 결과이다. 도 7은 도 5의 ZnO 박막에 대하여 전체 투과도(TT, total transmittance) 및 난반사(diffused reflection)에 의한 투과도(DT)를 함께 나타낸 것이다. 도 7을 참고하면, 거의 모든 파장대에 대하여 일정 수준 이상의 난반사 효과가 있음을 확인할 수 있다. Example 2 is a result of measuring the light transmission characteristics of the ZnO thin film prepared in Example 1. FIG. 7 shows the total transmittance (TT) and transmittance (DT) due to diffuse reflection (TT) for the ZnO thin film of FIG. 5. Referring to Figure 7, it can be seen that there is a diffuse reflection effect of a predetermined level or more for almost all wavelength bands.

Claims (16)

MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 ZnO 박막을 성장함에 있어서,
ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키며,
1) 증착 온도 조절에서, 상기 증착 온도는 90∼150℃에서 조절되고,
2) 증착 압력 조절에서, 상기 증착 압력은 0.1∼10torr에서 조절되며,
3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서, 상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>의 주입량의 비율은 <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질> = 0.1∼4인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법.
In growing a ZnO thin film using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method,
When depositing a ZnO thin film, 1) controlling the deposition temperature, 2) controlling the deposition pressure, and 3) adjusting the injection rate ratio of precursors, simultaneously growing the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction.
1) In the deposition temperature control, the deposition temperature is controlled at 90 ~ 150 ℃,
2) in the deposition pressure control, the deposition pressure is controlled at 0.1 ~ 10torr,
3) In controlling the injection rate ratio of the precursors, the precursor is composed of <material including oxygen> and <material containing zinc>, the amount of the injection amount of the <material containing oxygen> and <material containing zinc> The ratio is <material containing oxygen> / <material containing zinc> = 0.1 to 4, wherein the ZnO thin film growth method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O이고, 상기 <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc) 또는 DMZ(dimethylzinc)인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법.
The ZnO thin film growth method of claim 1, wherein the <material including oxygen> is H 2 O, and the <material containing zinc> is DEZ (diethylzinc) or DMZ (dimethylzinc).
제 1 항에 있어서, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서,
상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O, <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc)이고, 상기 H2O/DEZ의 비는 0.1∼4인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법.
According to claim 1, 3) In adjusting the injection ratio of the precursors,
The precursor is composed of <material containing oxygen> and <material containing zinc>, the <material containing oxygen> is H 2 O, <material containing zinc> is DEZ (diethylzinc), ZnO thin film growth method, characterized in that the ratio of H 2 O / DEZ is 0.1 to 4.
기판을 준비하는 단계; 및
상기 기판 상에 표면 요철 구조를 갖는 ZnO 박막을 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지며,
ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키며,
1) 증착 온도 조절에서, 상기 증착 온도는 90∼150℃에서 조절되고,
2) 증착 압력 조절에서, 상기 증착 압력은 0.1∼10torr에서 조절되며,
3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서, 상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>의 주입량의 비율은 <산소를 포함하는 물질>/<아연을 포함하는 물질> = 0.1∼4이며,
상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O이고, 상기 <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc) 또는 DMZ(dimethylzinc)인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지 제조방법.
Preparing a substrate; And
And depositing a ZnO thin film having a surface uneven structure on the substrate,
When depositing a ZnO thin film, 1) controlling the deposition temperature, 2) controlling the deposition pressure, and 3) adjusting the injection rate ratio of precursors, simultaneously growing the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction.
1) In the deposition temperature control, the deposition temperature is controlled at 90 ~ 150 ℃,
2) in the deposition pressure control, the deposition pressure is controlled at 0.1 ~ 10torr,
3) In controlling the injection rate ratio of the precursors, the precursor is composed of <material including oxygen> and <material containing zinc>, the amount of the injection amount of the <material containing oxygen> and <material containing zinc> The ratio is <material containing oxygen> / <material containing zinc> = 0.1 to 4,
The <material containing oxygen> is H 2 O, and the <material containing zinc> is DEZ (diethylzinc) or DMZ (dimethylzinc) characterized in that the thin film solar cell manufacturing method using a ZnO thin film growth method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 7 항에 있어서, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서,
상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O, <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc)이고, 상기 H2O/DEZ의 비는 0.1∼4인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지 제조방법.
According to claim 7, 3) In controlling the injection rate ratio of the precursors,
The precursor is composed of <material containing oxygen> and <material containing zinc>, the <material containing oxygen> is H 2 O, <material containing zinc> is DEZ (diethylzinc), A method of manufacturing a thin film solar cell using the ZnO thin film growth method, characterized in that the ratio of H 2 O / DEZ is 0.1 to 4.
기판; 및
상기 기판 상에 적층되며, 표면 요철 구조를 갖는 ZnO 박막을 포함하여 이루어지며,
ZnO 박막 증착시 1) 증착 온도 조절, 2) 증착 압력 조절, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절 중 어느 하나 이상을 통해, <0002> 방향의 집합조직과 <1120> 방향의 집합조직을 동시에 성장시키며,
1) 증착 온도 조절에서, 상기 증착 온도는 90∼150℃에서 조절되고,
2) 증착 압력 조절에서, 상기 증착 압력은 0.1∼10torr에서 조절되며,
3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서, 상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O, <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc)이고, 상기 H2O/DEZ의 비는 0.1∼4인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지.
Board; And
Stacked on the substrate, including a ZnO thin film having a surface irregularities structure,
When depositing a ZnO thin film, 1) controlling the deposition temperature, 2) controlling the deposition pressure, and 3) adjusting the injection rate ratio of precursors, simultaneously growing the texture in the <0002> direction and the texture in the <1120> direction.
1) In the deposition temperature control, the deposition temperature is controlled at 90 ~ 150 ℃,
2) in the deposition pressure control, the deposition pressure is controlled at 0.1 ~ 10torr,
3) In controlling the injection ratio of the precursors, the precursor is composed of <material including oxygen> and <material containing zinc>, wherein <material containing oxygen> is H 2 O, <material containing zinc > Is DEZ (diethylzinc), the ratio of the H 2 O / DEZ is a thin film solar cell using a ZnO thin film growth method, characterized in that 0.1 to 4.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 12 항에 있어서, 3) 전구체들의 주입량 비율 조절에서,
상기 전구체는 <산소를 포함하는 물질>과 <아연을 포함하는 물질>로 구성되며, 상기 <산소를 포함하는 물질>은 H2O, <아연을 포함하는 물질>은 DEZ(diethylzinc)이고, 상기 H2O/DEZ의 비는 0.1∼4인 것을 특징으로 하는 ZnO 박막 성장방법을 이용한 박막태양전지.
The method according to claim 12, 3) in controlling the injection ratio of precursors,
The precursor is composed of <material containing oxygen> and <material containing zinc>, the <material containing oxygen> is H 2 O, <material containing zinc> is DEZ (diethylzinc), The thin film solar cell using the ZnO thin film growth method, characterized in that the ratio of H 2 O / DEZ is 0.1 to 4.
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