KR101407161B1 - Manufacturing method of CZTS-based thin film solar cell light absorber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지 광흡수층으로 사용되는 CZTS계(CZTS 및 CZTSe) 박막의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 CZTS계 전구체로부터 RTP를 통해 셀렌화 또는 설퍼화하는 과정에서 전구체 내의 Sn의 손실을 최소화하면서 CZTS계 태양전지 광흡수층 박막을 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a CZTS (CZTS and CZTSe) thin film used as a solar cell light absorbing layer, and more particularly, to a method for producing a CZTS (CZTS and CZTSe) The present invention relates to a technique capable of manufacturing a CZTS-based solar cell light absorbing layer thin film while minimizing the thickness of the light absorbing layer.
CIGS계(CIS, CGS, CIGS, CIGSS 등) 화합물 반도체를 이용한 박막태양전지는 높은 광 흡수계수를 가지며, 화합물 내의 조성 조절이 가능하여 에너지 밴드갭(1.0~1.7eV)을 조절할 수 있다. 또한, 셀 효율이 최고 20.4%를 기록하여 현재 국내뿐 아니라 세계에서 많은 관심을 가지고 연구 중이다. 하지만, CIS, CIGS 박막태양전지 소재는 상대적으로 매장량이 적고, 고가인 In, Ga을 사용하고 있다는 단점이 있다. 이 같은 소재부족 문제로 인해 단가가 높아지는 약점을 보완하기 위해서 In, Ga을 저가 원소로 대체한 Cu2ZnSnSe4(CZTSe) 및 Cu2ZnSnS4(CZTS)와 같은 화합물 반도체(이하 "CZTS"계라 통칭함)가 CIGS계 박막 재료의 대안으로써 활발히 연구되고 있는데, 이들은 0.8 eV(CZTSe)부터 1.5 eV (CZTS)까지의 에너지 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있다.
Thin film solar cells using CIGS (CIS, CGS, CIGS, CIGSS, etc.) compound semiconductors can control the energy band gap (1.0 ~ 1.7eV) In addition, cell efficiency is up to 20.4%, and it is currently being studied with great interest not only in Korea but also in the world. However, CIS and CIGS thin film solar cell materials have a disadvantage in that they use less expensive and inexpensive materials such as In and Ga. In order to compensate for the drawbacks of increasing the unit price due to such shortage of materials, compound semiconductors such as Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe) and Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) ) Have been actively studied as an alternative to CIGS thin film materials, and they are known to have an energy band gap from 0.8 eV (CZTSe) to 1.5 eV (CZTS).
본 발명은 CZTS계(CZTS 및 CZTSe를 통칭함) 광흡수층에 관한 기술로서, CZTS계는 전구체로부터 RTP를 통하여 전구체의 각 성분이 서로 반응하여 CZTS계 광흡수층 박막을 제조할 수 있는데, 상기 RTP 과정에서 고온으로 온도를 올리면, 전구체 내의 Sn이 CZTS계 광흡수층 박막을 제조하는 과정에 참여하지 못하고, 증발하여 손실이 되며, 이로 인하여 Mo와 CZTS계 광흡수층 사이의 계면 분리현상이 일어난다는 문제점이 있다. 이러한 계면 분리는 CZTS계 박막의 효율을 떨어뜨리기 때문에 결국 CZTS계 광흡수층을 이용한 박막태양전지의 효율이 떨어지게 된다.
The present invention relates to a CZTS-based light absorbing layer (collectively referred to as CZTS and CZTSe). In the CZTS system, the components of a precursor react with each other through RTP from a precursor to produce a CZTS-based light absorbing layer thin film. The Sn in the precursor does not participate in the process of preparing the CZTS-based light-absorbing layer thin film, evaporates and is lost, thereby causing a problem of interfacial separation between the Mo and CZTS-based light-absorbing layer . Such interfacial separation deteriorates the efficiency of the CZTS thin film, resulting in a decrease in efficiency of the thin film solar cell using the CZTS light absorption layer.
본 발명은 CZTS계 광흡수층 박막의 생성을 위해 RTP 과정에서 고온으로 온도를 올리면, 전구체로부터 Sn의 손실이 많아져 태양전지의 효율을 떨어지는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
The object of the present invention is to solve the problem of increasing the loss of Sn from the precursor when the temperature is elevated to a high temperature in the RTP process in order to produce a CZTS-type light absorbing layer thin film, thereby reducing the efficiency of the solar cell.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, CZTS계 전구체를 RTP(Rapid Thermal Process)를 통해 셀렌화 또는 설퍼화하여 CZTS계 광흡수층을 제조하는 방법에 있어서, 상기 CZTS계 전구체를 준비하여 쿼츠 재질의 케이스 및 상기 케이스를 덮는 커버를 포함하여 이루어지는 샘플트레이 내에 놓고, 퍼지가스가 입출구를 통하여 연속적으로 흐르며 RTP(Rapid Thermal Process)를 위한 열원이 구비된 RTP반응기 안에 상기 샘플트레이를 놓고 RTP를 진행하되, 상기 커버의 내측면에는 Se 또는 S의 코팅층과, 상기 코팅층 위에 Sn이 순서대로 적층된 Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 있으며, 상기 RTP는 SnSex 또는 SnSx가 합성되기 위한 프리어닐링 과정과 상기 프리어닐링 과정 후에 셀렌화 또는 설퍼화 과정의 2단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CZTS계 태양전지 광흡수층의 제조방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a CZTS-based light absorbing layer by selenizing or sulphating a CZTS-based precursor through RTP (Rapid Thermal Process), the method comprising: And a cover covering the case. The sample tray is placed in an RTP reactor in which a purge gas flows continuously through an inlet and an outlet and a heat source for RTP (Rapid Thermal Process), and RTP is performed. (Se or S) coating layer in which Sn or S coating layer and Sn on the coating layer are sequentially stacked on the inner surface of the cover, the RTP is a pre-annealing process for synthesizing SnSe x or SnS x , And a step of selenization or a step of sulphurization after the annealing process. Provided.
특히, 상기 CZTS계 전구체는 글라스 기판 위에 Mo 전극을 형성한 후, Sn 층, Cu 층, Zn 층이 순서대로 적층된 위에 Se 층 또는 S 층이 적층되어 있는 것이 바람직하다.
Particularly, it is preferable that the CZTS-based precursor is formed by forming a Mo electrode on a glass substrate, then stacking an Sn layer, a Cu layer and a Zn layer on the glass substrate in order, or an Se layer or an S layer.
특히, 상기 RTP는 프리어닐링 과정은 230 ~ 480℃에서 이루어지고, 상기 셀렌화 또는 설퍼화 과정은 500 ~ 600℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
Particularly, it is preferable that the pre-annealing process is performed at 230 to 480 ° C, and the selenization or sulfuration process is performed at 500 to 600 ° C.
특히, 상기 샘플트레이의 커버 내측면에는 Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 있는 부분과 없는 부분으로 패턴화되며, 상기 Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 없는 부분을 통하여 상기 열원으로부터 발생된 열이 통과되도록 하는 것이 바람직하다.
Particularly, the inner surface of the cover of the sample tray is patterned into a portion having a Sn / (Se or S) coating layer and a portion having no Sn / (Se or S) coating layer and heat generated from the heat source through the portion having no Sn / It is preferable to allow it to pass.
특히, 상기 샘플트레이의 커버 내측면에는 Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 중심 부분을 제외하고 모서리부분에만 띠 형상으로 형성되어 있거나, Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 있는 부분과 없는 부분이 바둑판 형상으로 서로 교차 이웃하도록 형성되는 것이 바람직하다.
Particularly, the Sn / (Se or S) coating layer is formed on the inner surface of the cover of the sample tray only in the corner portion except for the central portion, or the portion where the Sn / (Se or S) Shaped cross-section.
특히, 상기 열원은 IR 히터인 것이 바람직하다.
In particular, the heat source is preferably an IR heater.
특히, 상기 프리어닐링 과정은 3분 내지 30분 동안 진행되는 것이 바람직하다.
In particular, the pre-annealing is preferably performed for 3 to 30 minutes.
본 발명은 CZTS계 전구체를 RTP를 이용한 셀렌화 또는 설퍼화를 통하여 CZTS계 광흡수층 박막으로 제조함에 있어서, 샘플트레이의 커버 내측에 코팅된 Se과 Sn으로부터 SnSex를 전구체로 공급함으로써, CZTS계 전구체의 셀렌화 또는 설퍼화 과정에서 전구체 내의 Sn이 증발하여 손실되는 것을 줄일 수 있어, 광전 효율이 우수한 CZTS계 광흡수층 박막의 제조가 가능하다. 또한, Sn의 손실이 감소하면, 광전 효율 감소와 계면접착력 저하를 유발하는 것으로 알려진 ZnSe과 같은 이성분계 부산물의 생성을 감소시킬 수 있다
The present invention relates to a method for producing a CZTS-based light absorbing layer thin film by CZTS-based precursor through RTP-based selenization or sulphation by supplying SnSe x as a precursor from Se and Sn coated inside the cover of a sample tray, It is possible to reduce the loss of Sn in the precursor during the selenization or the sulphation of the precursor, thereby making it possible to manufacture a CZTS-type photoabsorption layer having excellent photoelectric efficiency. Also, a reduction in the loss of Sn can reduce the production of bidentate by-products such as ZnSe, which is known to cause a decrease in photoelectric efficiency and a decrease in interfacial adhesion
도 1은 본 발명의 CZTSe 전구체의 바람직한 다층 구조의 예를 보여주는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 RTP 시스템 도면이며, 도 2b는 상기 RTP 시스템 중 반응기와 샘플트레이 부분을 확대한 도면이다.
도 2c는 샘플트레이 커버 내측면에 순서대로 Se층과 Sn층이 적층된 상태에서의 커버의 단면도이다.
도 2d 및 도2e는 샘플트레이 커버 내측면에 Sn/Se 코팅층의 바람직한 패턴의 예를 보여주는 도면이다.
도 3a는 Sn-Se의 이성분계 열역학 상평형도이다.
도 3b는 글라스/Mo/Sn/Se 샘플의 XRD 측정 결과이다.
도 3c는 SnSe2의 시간에 따른 분해를 측정한 결과이다.
도 3d는 실험예에서 사용한 RTP 온도 프로파일이며, 도 3e는 상기 RTP 과정에서 샘플트레이 커버 내측면에 코팅된 Sn/Se 코팅층의 상변화를 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 방법으로 제조한 CZTSe 광흡수층(SnSe external supply)을 제조한 것과 종래 기술로서 전구체층의 Se만을 Se 소스로 하여 CZTSe 광흡수층(No SnSe supply)을 제조한 경우의 라만 측정 결과이며, 도 4b는 도 4a의 각 샘플에서 Mo와 CZTSe 광흡수층을 계면 분리한 후 Mo 표면을 라만 분석한 결과이다.
도 5는 도 4a의 각 샘플에 대한 SEM 측정 결과이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a diagram illustrating an example of a preferred multilayer structure of a CZTSe precursor of the present invention.
FIG. 2A is an RTP system of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a reactor and a sample tray portion of the RTP system.
2C is a cross-sectional view of the cover in a state in which the Se layer and the Sn layer are stacked in order on the inner side of the sample tray cover.
2D and 2E are views showing an example of a preferable pattern of the Sn / Se coating layer on the inner side of the sample tray cover.
3A is a two-component thermodynamic equilibrium diagram of Sn-Se.
FIG. 3B shows the XRD measurement results of the glass / Mo / Sn / Se sample.
FIG. 3C shows the result of measuring the decomposition of SnSe 2 with respect to time.
FIG. 3D is an RTP temperature profile used in the experimental example, and FIG. 3E is a view for explaining the phase change of the Sn / Se coating layer coated on the inner side of the sample tray cover in the RTP process.
FIG. 4A is a graph showing the results of Raman spectroscopy when a CZTSe light absorbing layer (SnSe external supply) prepared by the method of the present invention is prepared and a CZTSe light absorbing layer (No SnSe supply) And FIG. 4B is a result of Raman analysis of the Mo surface after interfacial separation of Mo and CZTSe light absorbing layers in each sample of FIG. 4A.
FIG. 5 shows SEM measurement results for each sample of FIG. 4A.
본 발명에서는 Mo 배면전극 위에 다층 구조의 CZTS계 전구체층을 형성하고, 상기 CTZS계 전구체를 셀렌화 또는 설퍼화하는 과정에서 전구체층에 있는 Sn이 증발하여 손실되는 문제점을 해결하고자, 본 발명자의 특허등록 제10-1111047호의 쿼츠(quartz) 재질의 CIGS계 광흡수층을 제조하기 위하여 사용되었던 샘플트레이 시스템을 응용하되, 쿼츠 재질의 샘플트레이 커버의 내측면에 스퍼터링과 증발법 등을 이용하여 Se 층과 Sn 층(CZTSe 광흡수층 제조시)을 순서대로 코팅하거나, S 층과 Sn 층을 순서대로 코팅한(CZTS 광흡수층 제조시) 후, RTP 과정에서 SnSex 또는 SnSx를 CZTS계 전구체층으로 공급해줌으로써, Sn의 손실을 최소화하고, Mo와 CZTS계 광흡수층 박막 사이의 접착력을 개선하는 것을 특징으로 한다.
In the present invention, in order to solve the problem that the Sn in the precursor layer is evaporated and lost due to the formation of a multi-layered CZTS-based precursor layer on the Mo back electrode and the selenization or sulfuration of the CTZS-based precursor, Application of a sample tray system, which was used to manufacture a CIGS light absorbing layer of quartz material of Registration No. 10-1111047, was applied to the inner surface of a quartz sample tray cover by sputtering and evaporation, coated Sn layer (light-absorbing layer during manufacture CZTSe) in turn, or, S layer and in SnSe, RTP process, and then (CZTS light absorption during manufacturing) coating, as the Sn layer sequence x Or SnS x is supplied to the CZTS-based precursor layer, thereby minimizing the loss of Sn and improving the adhesion between Mo and the CZTS-based light-absorbing layer thin film.
이하에서는 CZTS계 광흡수층 박막 중 CZTSe 광흡수층 박막을 기준으로 설명하기로 한다. CZTS와 CZTSe 광흡수층은 S 대신에 Se로 대체된 것으로서, 동일하게 RTP 과정에서 Sn이 손실되며, 동일한 방법으로 Sn의 손실을 감소시킬 수 있는바, 이하에서는 설명의 편의상 CZTSe 광흡수층 박막을 기준으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, the CZTSe light absorbing layer thin film will be described with reference to the CZTSe light absorbing layer thin film. CZTS and CZTSe light absorbing layer are replaced with Se instead of S, Sn is lost in the same RTP process, and the loss of Sn can be reduced by the same method. Hereinafter, for convenience of explanation, I will explain.
CZTSeCZTSe 전구체 Precursor
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 Mo 전극 위에 CZTSe 광흡수층의 재료가 되는 Cu, Zn, Sn 및 Se을 적층하여 CZTSe 전구체를 만든 후, RTP(Rapid Thermal Process)에 의해 Se와 Sn을 동시에 상기 전구체로 공급하면서 CZTSe 광흡수층 박막을 완성한다. 참고로, CZTS의 경우 Se 대신에 S 층이 적층되면 된다.
As described above, in the present invention, Cu, Zn, Sn and Se, which are the materials of the CZTSe light absorbing layer, are laminated on the Mo electrode to form a CZTSe precursor, and then Se and Sn are simultaneously implanted into the precursor by RTP (Rapid Thermal Process) And the CZTSe light absorbing layer thin film is completed. For reference, in the case of CZTS, the S layer may be stacked instead of Se.
특히, 도 1과 같이, Mo 전극 위에 순서대로 Sn 박막층, Cu 박막층, Zn 박막층 및 Se 박막층으로 적층되는 것이 바람직하다. 물론, CuSn, CuZn 와 같은 복합 성분으로 이루어진 전구체층이 다층으로 적층된 것도 가능하지만, 이럴 경우 조성 제어가 힘들며, 제조 단가가 높아지기 때문에, 도 1과 같이 단일 성분의 전구체층이 적층되는 것이 바람직하다.
In particular, as shown in Fig. 1, it is preferable that the Mo thin film layer, the Cu thin film layer, the Zn thin film layer and the Se thin film layer are sequentially stacked on the Mo electrode. Of course, it is also possible that the precursor layers composed of a composite component such as CuSn and CuZn are laminated in multiple layers. However, in this case, since the composition control is difficult and the manufacturing cost is increased, it is preferable that the single- .
Sn의 손실을 최소화하기 위해 Sn을 전구체 제일 아래 쪽에 증착하고, Zn, Sn과 합금을 잘 형성하는 Cu를 Zn와 Sn 가운데 증착하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실험예에서 CZTSe 전구체의 두께는 400 ~ 500nm이고, RTP 과정에서 CZTSe 전구체층으로 공급되는 쿼츠 커버 내측에 증착된 Se만으로는 Se 공급이 충분하지 않기 때문에, 상기 금속 전구체층 위에 열증착 시스템을 이용하여 Se을 증착하였다. 그 후에 RTP(rapid thermal process)를 통하여 Ar분위기에서 셀렌화를 실시하였다. 한편, 도 1과 같이 CZTSe 전구체 내에서 Se 전구체층은 1, 3 및 5 ㎛로 하여 셀렌화 과정에서의 Se 전구체층의 두께에 따른 영향을 실험하였다.
In order to minimize the loss of Sn, it is preferable to deposit Sn at the bottom of the precursor, and to deposit Zn and Sn, which form a good alloy with Zn, in Zn and Sn. In the experimental example of the present invention, the thickness of the CZTSe precursor is 400 to 500 nm. When Se is deposited only inside the quartz cover which is supplied to the CZTSe precursor layer in the RTP process, the Se deposition is not sufficient. And Se was deposited thereon. Thereafter, selenization was performed in an Ar atmosphere through RTP (rapid thermal process). On the other hand, as shown in FIG. 1, Se precursor layers in the CZTSe precursors were 1, 3, and 5 탆, respectively, and the influence of the Se precursor layer thickness on the selenization process was examined.
금속층인 Sn, Cu, Zn 박막층은 스퍼터링 시스템을 이용하여 적층할 수 있으며, Se 박막층은 열증착 시스템을 이용하여 적층할 수 있다. 이하 본 발명의 실험에서는 CZTSe 전구체를 제작하기 위해 Mo가 코팅된 글라스를 사용하였다. 스퍼터의 타겟으로는 값이 싼, 순도 4N의 Cu, Zn, Sn을 이용하였고, 모두 DC 스퍼터로 증착하였다. 공정 조건은 Ar 30 sccm, base pressure 3.0 x 10-6Torr, working pressure 5.0 mTorr, substrate rotating velocity 8 rpm으로 진행하였다.
The Sn, Cu, and Zn thin film layers, which are metal layers, can be stacked using a sputtering system, and the Se thin film layers can be stacked using a thermal evaporation system. In the experiments of the present invention, a Mo-coated glass was used to prepare a CZTSe precursor. As the target of the sputtering, Cu, Zn, and Sn having a purity of 4N were used, and all of them were deposited by DC sputtering. The process conditions were Ar 30 sccm, base pressure 3.0 x 10 -6 Torr, working pressure 5.0 mTorr, and
RTPRTP
셀렌화Selenization
장치 Device
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 RTP 셀렌화 시스템(100)의 도면 및 부분 확대도로서, 본 발명에서 사용한 RTP를 이용한 셀렌화 시스템(100)은 본 발명자의 특허등록 제10-1111047호를 응용하였다.
FIGS. 2A and 2B are a drawing and a partially enlarged view of a preferred
즉, 쿼츠(quartz) 재질의 용기 형상의 케이스(11)와, 상기 케이스(11)를 덮는 뚜껑의 쿼츠 재질의 커버(12)를 포함하여 구성되는 샘플트레이(10)를 이용한다. CZTSe 광흡수층을 제조하기 위하여 각 재료가 적층된 CZTSe 전구체 샘플을 케이스(11)에 넣고, 커버(12)를 덮되, 상기 커버의 내측면(12b)에 Se와 Sn을 공급하기 위하여 Se와 Sn의 순서대로 적층되어 있다. Se는 열증착을 이용하고, Se 열증착면 위에 Sn을 스퍼터링하여 Sn/Se 적층할 수 있다. 참고로, CZTS 광흡수층의 제조시에는 Se 대신 S가 열증착에 의하여 커버 내측면(12b)에 코팅된 후, 그 위에 Sn이 스퍼터링에 의하여 코팅되어 Sn/S로 적층된다.
That is, a
종래에 사용하던 RTP 방식은 샘플트레이에 CZTSe 전구체 샘플을 넣고 쿼츠커버로 덮어, 공정 중의 Se 손실을 최소화하는 것이다. 그러나 이러한 종래 방식으로는 Sn과 Se을 충분히 공급하는데 어려움이 있다. 본 발명에서는 기존의 쿼츠커버의 내측면(12b)에 순서대로 Se과 Sn을 이중층으로 코팅하여 공정 중에 SnSeX 이성분계 형태의 증기로 공급함으로써, CZTSe 전구체 내의 Sn의 손실을 방지하도록 했다.
In the conventional RTP method, a CZTSe precursor sample is placed in a sample tray and covered with a quartz cover to minimize Se loss during the process. However, such a conventional method has difficulty in sufficiently supplying Sn and Se. In the present invention, Se and Sn are sequentially coated on the
도 2a 및 도 2b와 같이 본 발명의 샘플트레이(10)는 쿼츠 재질로 튜브 형태의 반응기(20) 안에 들어 있으며, 상기 반응기(20) 밖으로 샘플트레이(10)를 가열하기 위한 IR 히터와 같은 발열수단(31)이 구비되는데, 튜브 형상의 반응기(20)의 외부를 둘러 균일한 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 발열수단(31)은 발열튜브(30) 안에 설치되는 것이 바람직하다. 발열튜브(30)는 상기 반응기(20)를 중심에 두고 둘러싸는 도넛 형상이 바람직하다. 예를 들어, 45도 각도마다 IR 램프를 하나씩 설치하여 총 8개의 IR 램프를 통해 반응기(20) 내의 샘플트레이(10)로 열을 전달하도록 한다. 퍼지를 위하여 Ar 또는 H2S와 같은 불활성 가스를 반응기(20) 안으로 RTP 반응 동안 계속 공급하며, 다수의 온도계(40)가 상기 반응기(20) 안에 구비되어 RTP 반응 과정에서 반응기(20) 내의 다양한 지점의 온도를 측정한다.
2A and 2B, the
도 2c와 같이 커버(12)의 내측면(12b)에는 순서대로 커버내측면 위로 Se층->Sn층이 순서대로 적층되되, 도 2d와 2e와 같이 Sn/Se 코팅층이 없는 부분이 있어야 한다. 이는 Sn 코팅층이 IR 램프와 같은 발열수단(31)의 빛을 모두 흡수하여 케이스(11) 내의 CZTSe 샘플로 빛(=열)이 도달하지 못하기 때문에 커버(12)의 일정 부분은 Sn/Se 코팅층이 없어야 한다. 도 2d는 가운데 부분이 Sn/Se 코팅층이 없는 형태이며, 도 2e는 바둑판과 같이 Sn/Se 코팅층이 있는 부분과 없는 부분이 교차하는 형태일 수도 있다. 이러한 Sn/Se 코팅층의 패턴은 다양한 패턴의 마스크를 이용하여 Se와 Sn을 순서대로 각각 스퍼터링과 증착을 이용하여 코팅하면 된다.
As shown in FIG. 2C, Se layer -> Sn layer is sequentially stacked on the
본 발명에서 Se 코팅층 위에 Sn 코팅층을 두는 이유는 Se의 증발 온도가 Sn 보다 낮기 때문에 Se이 RTP 과정에서 바로 증발하면 SnSex가 형성되지 않기 때문에 Se 코팅층 위에 Sn 코팅층으로 막아둠으로써, SnSex의 이성분계 화합물이 되도록 많이 합성되도록 하기 위함이다.
The reason put Sn coating layer over Se coating layer in the present invention, since the evaporation temperature of the Se is lower than Sn Se When immediately evaporated in a RTP process, SnSe x by giving prevent the Sn coating layer on the Se coating layer because it does not create an SnSe x reason So as to be synthesized to be a steric compound.
RTPRTP
공정 fair
본 발명에서는 셀렌화를 위한 RTP 과정에서 온도를 2단계로 조절한다. 커버(12)의 내측면(12b)에 코팅된 Sn/Se층이 반응하여 SnSex를 형성하기 위한 프리어닐링(preannealing) 과정과, 상기 프리어닐링의 온도보다 고온에서 SnSex가 증발하여 CZTSe 전구체층과 반응하여 CZTSe 광흡수층을 형성하기 위한 셀렌화 과정의 2 단계로 구성된다. 참고로, CZTS 광흡수층의 경우에는 SnSx가 프리어닐링 과정에서 생성되며, 셀렌화 대신에 설퍼화가 진행된다.
In the present invention, the temperature is controlled in two steps in the RTP process for selenization. A preannealing process for forming SnSe x by reacting the Sn / Se layer coated on the
도 3a의 Sn-Se 이성분계 상평형도 및 도 3b의 Mo 전극 위에 Sn, Se 순서로 적층된 층에서의 온도별로 셀렌화되는 과정을 측정한 고온 XRD 결과이다. Se과 Sn의 녹는점은 각각 약 220, 230℃이다. 위의 상평형도에서 Sn-Se의 이성분계 화합물로는 SnSe과 SnSe2가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 액체상과 고체 화합물이 공존하는 영역이 나타나고, L1+γ-SnSe, L1+δ-SnSe, L2+SnSe 및 L2+SnSe2가 존재한다. 1078K 고온에서는 액체상의 혼화성이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
FIG. 3A shows the results of the high temperature XRD measurement of the selenization process of the Sn-Se binary phase balance degree and the temperature of the layers stacked in the order of Sn and Se on the Mo electrode of FIG. 3B. The melting points of Se and Sn are about 220 and 230 ℃, respectively. In the above phase diagrams, it can be seen that SnSe and SnSe 2 appear as the binary compound of Sn-Se. Further, a region in which the liquid phase and the solid compound coexist appears, and L 1 + γ-SnSe, L 1 + δ-SnSe, L 2 + SnSe and L 2 + SnSe 2 exist. 1078K It can be confirmed that the miscibility of the liquid phase exists at a high temperature.
도 3b의 XRD 결과와 같이, 최근 금속 Sn의 셀렌화 메커니즘에 대한 연구결과를 본 연구팀에서 보고한 바 있다. Mo가 코팅된 글라스 위에 Sn과 Se을 각 층으로 증착하여 고온 XRD를 이용하여 셀렌화 메커니즘을 분석하였다. 초기의 Se층은 비정질 상태로 존재하여 Sn 피크들만 나타난다. 이후 110-220℃ 구간에서 Se이 결정화되고, 220℃에서 녹기 시작한다. Sn은 230℃까지 단일상으로 존재하고, 그 이후 녹기 시작하여 Se과 반응한다. 230℃에서 SnSe이 형성되고, Se이 지속적으로 과잉공급되면서 약 280℃에서 SnSe2가 생성된다. 이렇게 생성된 SnSe2는 약 500℃에서 다시 SnSe과 Se으로 분해된다. 이 과정에서 Sn의 손실이 발생한다.
As shown in the XRD results of FIG. 3B, recent research results on the mechanism of selenization of metallic Sn have been reported. The selenization mechanism was analyzed by using high temperature XRD by depositing Sn and Se on each layer of Mo coated glass. The initial Se layer is present in an amorphous state and only Sn peaks are present. After that, Se crystallizes in the range of 110-220 ° C and begins to melt at 220 ° C. Sn is present in a single phase up to 230 캜, and then begins to melt and react with Se. The SnSe formed at 230 ℃, Se is constantly generated SnSe 2 at about 280 ℃ as oversupply. The SnSe 2 thus produced is decomposed again into SnSe and Se at about 500 ° C. In this process, loss of Sn occurs.
도 3c의 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)를 참고하면, 480℃의 고온에서 SnSe2가 SnSe과 Se으로 다시 분해되면서 발생하는 Sn의 손실을 나타낸 것이다. 고온에서 SnSe2이 SnSe과 Se으로 분해가 일어나면서 Se뿐 아니라 Sn 또한 손실되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 30분이 지나면 SnSe2가 SnSe로 과도하게 분해되므로 프리어닐링 시간은 30분 이하가 바람직하며, Sn과 Se가 반응하여 SnSe2가 형성되기 위한 시간을 감안하여 프리어닐링은 3분 이상은 해주어야 한다.
Referring to the ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) of FIG. 3C, the Sn loss due to decomposition of SnSe 2 into SnSe and Se at a high temperature of 480 ° C. is shown. It can be seen that, at high temperature, SnSe 2 is decomposed into SnSe and Se, as well as Se, as well as Sn. In particular, since after 30 minutes SnS e2 is excessively decomposed to SnSe pre-annealing time is less than 30 minutes preferably, in view of the Sn and the time for the SnSe 2 is formed by Se the reaction pre-annealing is haejueoya is more than 3 minutes .
본 발명에서는 프리어닐링 구간의 온도를 Sn과 Se가 모두 녹는점인 230℃ 이상으로 설정하여야 Sn가 Se가 반응하여 SnSex의 이성분계화합물이 형성될 수 있으며, 또한, 프리어닐링 구간의 최대 온도는 SnSe2가 SnSe와 Se로 분해되는 것을 감안하여 셀렌화 온도보다 낮은 480℃가 바람직하다. 이는 CZTS 광흡수층에서도 같은 원리로 상기 온도 범위가 바람직하다. 이는 S의 녹는점보다 Sn의 녹는점이 높은데, SnSx가 형성되기 위해서는 Sn의 녹는점 이상이 되어야 하기 때문에 하한치가 230℃가 바람직하며, 상한치 역시 SnS2가 SnS와 S로 분해되는 것을 감안하여 480℃가 바람직하다.
In the present invention, when the temperature of the pre-annealing section is set to 230 ° C or more at which Sn and Se are both melted, Sn may react to form a binary compound of SnSex, and the maximum temperature of the pre- 2 is decomposed into SnSe and Se, it is preferably 480 DEG C lower than the selenization temperature. This is also preferable in the CZTS light absorbing layer in the above temperature range on the same principle. This nopeunde point of Sn than the melting point of S melting, in order to form a SnS x and the lower limit is preferably 230 ℃ because they must be the melting point or higher of Sn, the upper limit value also in view of that the SnS 2 is decomposed into SnS and S 480 Lt; 0 > C.
한편, RTP의 셀렌화 온도는 통상 알려진 것과 같이 500~600℃가 바람직하다. 500℃ 이하에서는 셀렌화가 잘 일어나지 않으며, 600℃ 이상인 경우 글라스 기판이 녹기 때문이다. 특히, 설퍼화 온도는 550 ~ 600℃가 더욱 바람직하다.
On the other hand, the selenization temperature of RTP is preferably 500 to 600 ° C as is commonly known. Selenization does not occur well at temperatures below 500 ° C, and glass substrate melts at temperatures above 600 ° C. In particular, the sulfuration temperature is more preferably 550 to 600 ° C.
이하 본 발명의 실험에서는 도 3d의 온도 프로파일로 RTP를 실시하였다. 쿼츠커버의 Sn과 Se을 먼저 SnSeX 이성분계 화합물로 형성시키기 위해 300℃에서 5분 동안 프리어닐링한 후, CZTSe 광흡수층을 잘 생성시킬 수 있는 550℃에서 10분 동안 셀렌화를 진행하였다.
In the experiment of the present invention, RTP was performed with the temperature profile of FIG. Sn and Se of the quartz cover were pre-annealed at 300 ° C for 5 minutes to form a SnSe X binary compound, and selenized at 550 ° C for 10 minutes to produce a CZTSe light absorbing layer well.
도 3e와 같이, 초기의 증착 된 Se과 Sn이 300℃가 되면서 SnSeX형태의 이성분계 화합물이 생성된다. 생성된 이성분계상 SnSeX는 증기 형태로 CZTSe 전구체 샘플에 공급된다. 반응이 끝난 후에 커버 내측면(12b)에 SnSeX 형태로 약간 남이 있게 된다.
As shown in FIG. 3E, the SnSe X type binary compound is produced at the initial deposition of Se and Sn at 300 ° C. The resulting binary phase SnSe X is fed to the CZTSe precursor sample in vapor form. Some others it is possible to form the X SnSe After the reaction was finished, the cover inner surface (12b).
실험예Experimental Example 1 : 라만 분석 결과 1: Raman analysis result
도 4a는 본 발명의 방법으로 제조한 CZTSe 광흡수층(SnSe external supply)과 종래 기술로서 전구체층의 Se만을 Se 소스로 하여 CZTSe 광흡수층(No supply)을 제조한 경우의 라만 측정 결과이며, 본 발명의 방법에 의해 제조된 CZTSe 광흡수층 피크의 세기가 높은 것으로 보아, CZTSe 상이 더 잘 형성되었음을 알 수 있었다.
4A is a Raman measurement result when a CZTSe optical absorber layer (SnSe external supply) manufactured by the method of the present invention and a CZTSe optical absorber layer (No supply) using only Se of a precursor layer as a Se source are used in the prior art. The intensity of the CZTSe light absorption layer peak was high, indicating that the CZTSe phase was better formed.
도 4b는 도 4a의 CZTSe 광흡수층 박막 샘플에서 Mo와 CZTSe 계면을 분리한 후 Mo 표면을 라만 분석한 결과이다. SnSe의 추가공급이 없이 Se 전구체층을 Se의 공급원으로 하여 제조한 CZTSe(도 4b에서 No supply)는 기존의 방법으로 실험한 결과와 같이 Mo/CZTSe 계면에 이차상(ZnSe)이 많이 생성되었다. ZnSe은 Mo/CZTSe 계면에 생성될 경우, 직렬저항을 증가시켜서 셀의 효율을 떨어뜨리는 원인이 되며, Mo/CZTSe 계면접착력의 저하시켜 셀제조를 위한 후공정시에 CZTS박막의 박리를 유발할 수 있다. 반면에 본 발명의 방법으로 제조된 경우에는 SnSe을 추가로 공급해줌으로써 Sn의 양이 충분해지고 또 이로 인해 ZnSe과 같은 이차상들의 생성을 감소시키고, 계면접착력을 강화시킬 수 있었다.4B is a result of Raman analysis of the Mo surface after separating the Mo and CZTSe interfaces from the CZTSe light absorbing layer thin film sample of FIG. 4A. CZTSe (No supply in FIG. 4B) prepared by using a Se precursor layer as a source of Se without additional supply of SnSe produced a large amount of a second phase (ZnSe) at the interface of Mo / CZTSe as in the conventional method. When ZnSe is formed at the Mo / CZTSe interface, it increases the series resistance and decreases the efficiency of the cell. Therefore, the Mo / CZTSe interfacial adhesion can be lowered and the CZTS thin film may be peeled at the post-process . On the other hand, in the case of the method of the present invention, by supplying SnSe more, the amount of Sn becomes sufficient, thereby reducing the generation of secondary phases such as ZnSe and enhancing the interfacial adhesion.
실험예Experimental Example 2 : 2 : SEMSEM 측정 결과 Measurement result
도 5는 SEM 측정 결과로서, "No supply"와 본 발명의 SnSex를 외부로부터 공급하여 제조한 CZTSe 전구체층의 Se층의 두께에 따른 측정 결과로서, 본 발명의 방법으로 제조한 CZTSe 박막 광흡수층에서는 Mo과 CZTSe 박막층 사이에 박리가 적고 접착이 잘 되어 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 5 shows the result of SEM measurement according to the thickness of the Se layer of the CZTSe precursor layer prepared by supplying the "No supply" and the SnSex of the present invention from the outside. In the CZTSe thin film optical absorption layer produced by the method of the present invention It was confirmed that the peeling between Mo and the CZTSe thin film layer was small and adhesion was good.
이처럼 이차상의 생성이 감소함과 동시에 충분한 Sn 공급으로 Mo와 CZTSe사이의 접착력이 개선되는 효과를 볼 수 있었고, CZTSe 그레인(grain)이 잘 형성되었음을 확인할 수 있었다.
As a result, the formation of the secondary phase was reduced, and the adhesion between Mo and CZTSe was improved by the sufficient supply of Sn, and it was confirmed that the CZTSe grain was well formed.
Claims (7)
상기 CZTS계 전구체를 준비하여 쿼츠 재질의 케이스 및 상기 케이스를 덮는 커버를 포함하여 이루어지는 샘플트레이 내에 놓고, 퍼지가스가 입출구를 통하여 연속적으로 흐르며 RTP(Rapid Thermal Process)를 위한 열원이 구비된 RTP반응기 안에 상기 샘플트레이를 놓고 RTP를 진행하되,
상기 커버의 내측면에는 Se 또는 S의 코팅층과, 상기 코팅층 위에 Sn이 순서대로 적층된 Sn/(Se 또는 S) 코팅층이 있으며,
상기 RTP는 SnSex 또는 SnSx가 합성되기 위한 프리어닐링 과정과 상기 프리어닐링 과정 후에 셀렌화 또는 설퍼화 과정의 2단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CZTS계 태양전지 광흡수층의 제조방법.
A method for producing a CZTS-based light absorbing layer by selenizing or sulfurizing a CZTS-based precursor through RTP (Rapid Thermal Process)
The CZTS precursor is prepared and placed in a sample tray including a case of quartz and a cover covering the case, and a purge gas flows continuously through the inlet and the outlet and is supplied to a RTP reactor equipped with a heat source for RTP (Rapid Thermal Process) Placing the sample tray and performing RTP,
(Sn or S) coating layer in which Se or S coating layer and Sn on the coating layer are laminated in order on the inner surface of the cover,
Wherein the RTP comprises two steps of a pre-annealing step for synthesizing SnSe x or SnS x and a selenization or sulphation step after the pre-annealing step.
The CZTS-based precursor according to claim 1, wherein the CZTS-based precursor is formed by forming a Mo electrode on a glass substrate, and then depositing a Se layer or an S layer on the Sn layer, the Cu layer, A method for manufacturing a battery light absorbing layer.
The method of claim 1, wherein the RTP is performed at a temperature of 230 to 480 ° C, and the selenization or sulphation process is performed at a temperature of 500 to 600 ° C.
The method of claim 1, wherein the inner surface of the cover of the sample tray is patterned into a portion having a Sn / (Se or S) coating layer and a portion having no Sn / (Se or S) coating layer, Wherein the CZTS-based solar cell comprises a plurality of solar cells.
The method according to claim 4, wherein a Sn / (Se or S) coating layer is formed on the inner surface of the cover of the sample tray in a strip shape except for the central portion, Wherein the first and second portions are formed so as to cross each other in a checkerboard shape.
The method of claim 1, wherein the heat source is an IR heater.
The method of claim 1, wherein the pre-annealing process is performed for 3 to 30 minutes.
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