KR101410671B1 - Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지 - Google Patents

Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101410671B1
KR101410671B1 KR1020120102728A KR20120102728A KR101410671B1 KR 101410671 B1 KR101410671 B1 KR 101410671B1 KR 1020120102728 A KR1020120102728 A KR 1020120102728A KR 20120102728 A KR20120102728 A KR 20120102728A KR 101410671 B1 KR101410671 B1 KR 101410671B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
cis thin
cis
sputtering
single target
Prior art date
Application number
KR1020120102728A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140037355A (ko
Inventor
김태원
박재철
김호성
오익현
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020120102728A priority Critical patent/KR101410671B1/ko
Priority to PCT/KR2012/011452 priority patent/WO2014042319A1/ko
Priority to US14/428,349 priority patent/US20150263210A1/en
Publication of KR20140037355A publication Critical patent/KR20140037355A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101410671B1 publication Critical patent/KR101410671B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/04Semiconductor 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
    • H01L31/06Semiconductor 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
    • H01L31/072Semiconductor 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
    • H01L31/0749Semiconductor 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
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541CuInSe2 material PV cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 기판 상부에 전극층을 증착하며, 전극층의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착하여 CIS 박막을 제조하되, CIS 박막의 두께를 조절하여 구조적·광학적으로 우수한 특성의 CIS 박막 태양전지를 제조하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 CIS(CuInSe2) 단일 스퍼터링 타겟을 이용한 1회 증착 공정으로 CIS 박막을 제조하므로써 공정의 간소화뿐 아니라 경제성 및 효율성 측면에서 매우 유리한 효과를 기대할 수 있다.

Description

CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지{Fabrication method of CIS thin films and its application to CIS thin film solar cells}
본 발명은 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지에 관한 것으로서, 특히 기판 상부에 전극층을 증착하고 그 전극층의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착함으로써, 제조 공정이 간단해질 수 있는 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지에 관한 것이다.
일반적인 CIS계 박막 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같은 기본 구조를 가지며, 유리, 플라스틱, 스테인리스 스틸 등으로 이루어진 기판(11), 그 위에 후면전극층(일반적으로는, Mo)(12), p형 CIS(CuInSe2)계 광흡수층(13), n형 버퍼층(14), 윈도우층(15), 반사방지막층(16), 후면전극에 대한 상대전극(17)의 순서로 박막층이 순차 적층된 구조의 디바이스이다.
CIS계 박막 태양전지에 있어서, 광흡수층(13)은 빛을 흡수하여 전기 에너지를 발생시키는 부분으로 동시증발법(co-evaporation) 또는 금속전구체의 셀렌화법(two-stage process) 등의 제조방식이 가장 널리 이용되며, 상기 동시증발법의 경우 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 열 증발원을 이용하여 동시에 증발시켜 후면전극층(12)이 형성된 고온의 기판(11)에 상기 광흡수층(13)을 형성하게 된다.
또한, 상기 금속전구체의 셀렌화법은 2단계 공정법으로 불리기도 하는데, 전구체 증착공정 및 열처리를 하는 셀렌화 공정을 포함하는 2단계 공정으로 이루어지며, 상기 후면전극층(12)이 형성된 기판(11)에 스퍼터링 처리를 통해 구리(Cu)와 인듐(In)으로 이루어진 전구체를 순차적으로 진공 증착한 후 고온에서 셀렌화 공정을 실시하여 상기 광흡수층(13)을 형성하게 된다.
한편, 동시증발법은 구리, 인듐 및 셀렌의 재료소비가 많아 각 단위 원소들의 이용효율이 낮고 대면적 기판에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 금속전구체의 셀렌화법의 경우에는 셀렌화 공정에서 셀렌화수소(H2Se)와 같은 유독성 가스를 사용해야 하는 점과, 셀렌의 농도가 불균일한 점 및 CIS의 조성비를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 금속전구체의 셀렌화법은 상기 후면전극층(12)과 상기 광흡수층(13) 간의 계면에서 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)과 상기 후면전극층(12)을 이루는 단위 원소 간의 상호확산(counter diffusion)이 발생하면서 전도띠의 배열이 달라지는 문제점이 있었고, 또한 금속전구체의 셀렌화 과정중의 부피팽창 등으로 인한 계면탈리 현상등이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서, 제조된 CIS 박막 특성에 열화를 발생시키는 문제점이 발생되었던 것이다.
본 발명자들은 셀렌화 후공정을 실시하지 않고 스퍼터링 공정만을 이용하는 단일 공정으로 CIS 박막을 제조할 수 있게 하고 제조된 CIS 박막을 두께에 따라 비교 분석한 결과, 최적의 흡수층 조건을 체계적으로 확인할 수 있게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 단일 공정으로 광흡수층을 형성하게 하여 제조공정을 단순화하는 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 CIS 박막의 두께를 조절하여 CIS 박막의 구조적 특성, 조성적 특성 또는 광학적 특성이 우수한 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (1) 기판을 준비하는 단계와, (2) 상기 기판 상부에 전극층을 증착하는 단계, 및 (3) 상기 전극층의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하는 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단계 (3)은 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)이 포함된 단일타겟을 이용하여 RF 스퍼터링 또는 DC 스퍼터링 처리하여, 상기 광흡수층을 증착한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 RF 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 100W 내지 300W 사이의 특정 고주파전원을 가하여 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 DC 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 100W 내지 300W 사이의 특정 직류전원을 가하여 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단일타겟은 CuInSe2로, 구리(Cu) 조성이 0.8 내지 1.0의 조성비 범위를 가지며 그에 상응하는 셀렌(Se) Se2 +X, x=0.1 내지 0.3의 조성비를 가지는 범위를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단일타겟은 기판과의 거리가 100㎜ 내지 150㎜이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 CIS 박막 두께는 0.1㎛ 내지 2.0㎛이다.
본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIS 박막 태양전지는, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일 타겟을 구비하고 스퍼터링 처리를 통해 광흡수층을 증착하므로, 간단한 공정을 통해 신속하고 효율적으로 일정한 두께를 가지면서 구조적, 조성적 그리고 광학적으로 특성이 우수한 CIS 박막을 제조할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 이렇게 제조된 CIS 박막으로 태양전지를 제조함으로써, 태양전지의 높은 효율성과 아울러 대량생산 및 단가절감 등 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 일반적인 CIS계 박막 태양전지의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법을 나타내는 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 CIS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막 샘플을 나타내는 도면,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막의 표면 및 단면구조를 나타내는 SEM 도면,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막의 두께에 따른 광학적 특성을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법을 나타내는 공정도이며, 도 3은 본 발명에 따른 CIS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법은, 먼저, 기판(110)을 준비한다(S1). 기판(110)은 유리 특히, 실리카, 석회 및 소다회를 주성분으로 이루어지고 비용이 저렴하고 효율이 우수한 소다석회 유리(sodalime glass; SLG)를 사용할 수 있으며, 이외에도 스테인리스 스틸, 금속 기판, 폴리이미드(polyimide; PI) 등 다양한 재질이 사용가능하다.
기판(110)을 준비한 후, 기판(110) 상부에 전극층(120)을 증착한다(S2). 이때, 전극층(120)은 몰리브덴(Mo)으로 구비할 수 있고 상기 몰리브덴을 스퍼터링 처리하여 1㎛ 두께를 가지는 상기 전극층(120)으로 증착할 수 있다. 전극층(120) 증착방법으로는 DC 스퍼터링(DC sputtering)이 일반적으로 사용되지만, 이외에도 몰리브덴을 상기 전극층(120)으로 증착할 수 있는 다양한 증착방법을 통해 실시될 수도 있다.
다음, 상기 전극층(120)의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟(140)으로 스퍼터링 처리하여 광흡수층(130)을 증착한다(S3).
광흡수층(130)을 단시간에 효율적으로 증착할 수 있도록 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟(140)으로 스퍼터링 처리하며, 상기 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링(RF Sputtering) 또는 DC 스퍼터링(DC Sputtering)을 이용하여 상기 광흡수층(130)에 증착할 수 있다.
또한, 상기 단일타겟(140)은 99.9%의 CuInSe2 화합물로, 구리(Cu) 조성이 0.8, 0.9, 1.0의 조성비 범위를 가지면서 그에 상응하는 셀렌(Se)이 Se2 +x(x=0.1, 0.2, 0.3)의 조성비를 가지도록 하는 범위를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 상기 RF 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 특정 온도에서 상기 단일타겟(140)의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도(power density; W/㎠)를 갖는 고주파전원을 가하여 이루어졌으며, 상기 단일타겟(140)의 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)이 상기 광흡수층(130)으로 증착되게 하였다.
또한, 상기 RF 스퍼터링 처리는 먼저, 상기 단일타겟(140)을 챔버(100) 내부의 캐소드(cathode)에 장착하고, 상기 전극층(120)이 증착된 기판(110)을 상기 단일타겟(140)과 소정거리 이격하여 상기 챔버(100)의 내부에 애노드(anode)에 장착하게 된다. 여기서, 챔버(100) 내의 압력은 1∼5×10-6Pa이며, 기판(110)과 타겟(140) 간의 거리는 100∼150㎚이다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 상기 챔버(100)의 내부를 진공펌프(300)를 통해 진공상태로 만들고 가스주입부(400)를 통해 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 상기 챔버(100) 내부로 주입시킨다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 전원부(200)를 통해 전원을 인가하여 상기 챔버(100) 내부에 플라즈마를 발생시키게 되고, 상기 단일타겟(140)의 원소들은 방출되면서 상기 전극층(120)의 상부에 증착되어 상기 광흡수층(130)을 이루게 된다.
즉, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 상기 단일타겟(140)에 구비하고 상기 RF 스퍼터링 처리를 통한 단일 공정으로 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있으므로, 별도의 셀렌화 후공정을 실시하지 않아도 되고 간단하고 신속하게 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있게 된다.
또한, 상기 광흡수층(130)은 DC 스퍼터링 처리를 통해 증착할 수도 있는데, 상기 DC 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 특정 온도에서 상기 단일타겟(140)의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도(power density; W/㎠)를 갖는 직류전원을 가하여 이루어지며, 상기 단일타겟(140)의 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)이 상기 광흡수층(130)으로 증착된다.
DC 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링 처리와 같이 단일타겟(140)을 구비하여 단일 공정으로 광흡수층(130)을 증착하는 것으로, 다만, 단일타겟(140)에 가해지는 전원이 직류전원인 점에서 차이가 있으나 별도의 셀렌화 후공정을 실시하지 않고도 간단하고 신속하게 광흡수층(130)을 증착할 수 있는 점은 동일하다.
상기 CuInSe2로 조성된 단일타겟(140)을 이용한 스퍼터링 처리의 단일 공정으로 제조된 본 발명에 의한 CIS 박막의 샘플을 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막은 박막 경사에 따라 일정한 두께를 가짐을 알 수 있다. 여기서, (a) 샘플로 갈수록 기판과 타겟 사이의 거리가 가깝게 되어 박막의 두께가 두껍게 된다. 이들 각각의 박막을 비교 분석함으로써 최적의 흡수층 조건을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막의 두께에 따른 표면 및 단면구조를 나타내는 SEM 도면이다. 여기서, 박막의 두께는 a(4.2㎛), b(2.5㎛), c(1.5㎛), d(1.2㎛), e(0.7㎛), f(0.5㎛)로 하였다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막은, 표면에서 결정구조가 명확한 결정립계를 관찰할 수 있고, 결정립 크기는 박막의 두께가 커질수록 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막은, 단면에서 기판(110)과의 뛰어난 점착(adhesion) 특성을 볼 수 있다. 즉, CIS 박막의 두께가 2㎛ 이하인 (c) 내지 (f) 경우에서의 특성으로, 두께가 2㎛ 이상인 (a)와 (b) 경우에서는 결정립 크기는 커지나 거친 표면특성과 밀하지 않는 박막특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막의 두께에 따른 광학적 특성을 나타내는 그래프로, 각각 투과특성, 밴드갭, 결정성을 나타낸다.
도 7의 CIS 박막의 두께에 따른 광학적 특성 그래프를 보면, 가로는 파장(wavelength), 세로는 투과율(transmittance)을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 CIS 박막 제조방법으로 제조된 CIS 박막은 2.5㎛ 이상의 두께를 제외하고 약 1200∼1300㎚의 파장영역에서 최초의 흡수 피크(peak)가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 광학적 밴드갭 에너지로 환산했을 때 약 0.97∼1.04eV 값으로 셀렌화 공정을 실시한 박막과 유사한 특성을 가지며, 단일타겟(140)만을 가지고 실시한 공정과 비교했을 때 매우 우수한 특성을 가지는 것임을 알 수 있다.
2.5㎛ 이상의 두께를 가지는 박막에 대해서는 투과특성의 변화를 관찰하기 어렵고, 박막공정의 경제성과 광흡수층(130)의 효율을 동시에 고려할 때 박막의 두께 조절은 필수 요건임을 알 수 있다.
상기 도 7 그래프에 나타낸 투과특성을 이용하여 hv에 따른 (ahv)2값을 플로팅(plotting)하면, 도 8과 같은 광학적 밴드갭 특성 그래프로 나타낼 수 있다.
도 8을 보면, 2.5㎛ 이하의 두께를 가지는 CIS 박막에서는 0.96∼1.05eV 값을 가지는 광학적 밴드갭을 확인할 수 있다. 2.5㎛와 4.2㎛ 두께의 CIS 박막은 도 6에서 보듯이 기판에 대한 투과도가 너무 낮아 흡수 혹은 투과되는 변곡점이 나타나지 않았기 때문에 밴드갭을 확인할 수 없지만, 2㎛ 이하의 두께를 가지는 CIS 박막들은 셀렌화 공정없이 광학적 밴드갭이 크게 변화하지 않는 안정된 특성을 보여주는 것을 알 수 있다.
CIS 박막의 광학적 밴드갭(a=[ln(1/T)]/t; T=투과도, t=박막두께)은 박막의 두께 요인과 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)의 조성비에 따라 변화할 수 있다.
따라서, 단일 스퍼터링 타겟만을 사용하여 광흡수층의 최적의 박막 두께 조절과 화학양론적으로 안정된 조성비 특성을 만족하는 안정적인 광학적 특성을 가지는 CIS 박막을 제조할 수 있다.
도 9는 CIS 박막 라만스펙트럼의 분석 그래프로, 라만 PL을 통하여 서로 다른 두께로 제작된 CIS 박막의 단결정성, 다결정성, 혹은 secondary phases를 확인하면, 일반적으로 단결정 특성을 가지는 CIS 박막의 경우 173㎝-1에서 라만피크가 관찰되며, 약 9∼10㎝-1의 반가폭(FWHM) 값을 가진다. 0.5㎛∼4.2㎛ 박막 두께의 CIS 박막의 경우 Roman shift는 173∼174㎝-1의 값을 보여주었으며, 반가폭은 8∼11㎝- 1값을 나타내었다. 이는 단일 CIS 스퍼터링 타겟만을 사용하여 제작된 광흡수층 박막의 우수한 단결정성 특성임을 보여주며, 종래의 금속전구체의 셀렌화법으로 제조된 흡수층 박막과 비교하여 결정학적으로 저하되지 않고 우수한 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
2㎛ 이상의 박막 두께는 가지는 CIS 박막의 경우, 단결정 특성을 보여줌과 동시에 화학량론적으로 불안정한 조성을 지니는 특성피크(OVC phase : 184㎝-1, CuxSe:260㎝-1)가 관찰되었다.
도 10은 본 발명에 따른 CIS 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 CIS 박막은, 황동광(chalcopyrite) 구조를 나타내는 (103), (211) 특성피크가 0.5㎛∼4.2㎛ 박막 두께 모두에서 확인되었다. 구리(Cu)-셀륨(Se)이나 인듐(In)-셀륨(Se)과 같은 바이너리(binary) 상과 관련된 피크는 발견되지 않았으며, 이는 Roman 데이터와 비교 분석할 때 CIS 박막 이외의 다른 상이 발견되지 않은 점과 일맥상통함을 알 수 있다.
또한, 2 theta(θ) 범위(20∼80deg.)에서 확인된 모든 회절피크{(112),(220),(312),(400),(332)}는 오직 황동광(chalcopyrite) 구조만을 가지는 특성피크이며, 2성분계로 이루어진 위상(phase)이나 섬아연광(sphalerite) 구조를 가지는 피크포지션은 발견되지 않았다.
따라서, 본 발명은 단일 스퍼터링 타겟만을 이용하여 최초 1회 공정으로 CIS 박막을 제조함으로써, 셀렌화 공정을 요하는 기존 스퍼터링 공법에 비해 공정의 경제성 및 효율성 측면에서 매우 유리할 수 있으며, CIS 박막의 두께를 조절하여 우수한 구조적, 광학적 특성을 갖게 할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
110 : 기판 120 : 전극층
130 : 광흡수층 140 : 단일타켓

Claims (9)

  1. (1) 기판을 준비하는 단계;
    (2) 상기 기판 상부에 전극층을 증착하는 단계; 및
    (3) 상기 전극층의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟의 스퍼터링 처리를 통한 단일 공정으로, 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 단일타겟은 CuInSe2로, 구리(Cu) 조성이 0.8 내지 1.0의 조성비 범위를 가지며 그에 상응하는 셀렌(Se) Se2+X, x=0.1 내지 0.3의 조성비를 가지는 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (3)은 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 상기 단일타겟의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도로 고주파전원을 가하여 RF 스퍼터링 처리함을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (3)은 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 상기 단일타겟의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도로 직류전원을 가하여 DC 스퍼터링 처리함을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단일타겟은 기판과의 거리가 100㎜ 내지 150㎜인 것을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광흡수층은 XRD 분석결과, 황동광(chalcopyrite)구조의 피크특성을 나타내고 2성분계로 이루어진 상(phase)이나 섬아연광(sphalerite) 구조를 가지는 피크위치(peak position)가 발견되지 않은 광학 및 구조적 특성을 가지며, 그 특성에 따라 박막 두께가 조절됨을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 광흡수층의 박막 두께는 0.1㎛ 내지 2.0㎛인 것을 특징으로 하는 CIS 박막 제조방법.
  9. 제 1항, 제 3항, 제 4항, 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한항의 제조방법으로 제조된 CIS 박막 태양전지.
KR1020120102728A 2012-09-17 2012-09-17 Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지 KR101410671B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120102728A KR101410671B1 (ko) 2012-09-17 2012-09-17 Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지
PCT/KR2012/011452 WO2014042319A1 (ko) 2012-09-17 2012-12-26 Cis/cgs/cigs 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지
US14/428,349 US20150263210A1 (en) 2012-09-17 2012-12-26 Cis/cgs/cigs thin-film manufacturing method and solar cell manufactured by using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120102728A KR101410671B1 (ko) 2012-09-17 2012-09-17 Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140037355A KR20140037355A (ko) 2014-03-27
KR101410671B1 true KR101410671B1 (ko) 2014-06-25

Family

ID=50646176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120102728A KR101410671B1 (ko) 2012-09-17 2012-09-17 Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101410671B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000269238A (ja) * 1999-03-16 2000-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 化合物半導体薄膜の製造装置およびこれを用いた化合物半導体薄膜の製造方法
JP2002064108A (ja) * 2000-08-17 2002-02-28 Honda Motor Co Ltd 化合物半導体成膜装置
KR100922890B1 (ko) 2007-10-29 2009-10-22 한국과학기술원 Cigs 광흡수층 제조방법 및 cigs 광흡수층을포함하는 태양전지.
KR20110012954A (ko) * 2009-07-31 2011-02-09 삼성전자주식회사 박막 태양 전지의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000269238A (ja) * 1999-03-16 2000-09-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 化合物半導体薄膜の製造装置およびこれを用いた化合物半導体薄膜の製造方法
JP2002064108A (ja) * 2000-08-17 2002-02-28 Honda Motor Co Ltd 化合物半導体成膜装置
KR100922890B1 (ko) 2007-10-29 2009-10-22 한국과학기술원 Cigs 광흡수층 제조방법 및 cigs 광흡수층을포함하는 태양전지.
KR20110012954A (ko) * 2009-07-31 2011-02-09 삼성전자주식회사 박막 태양 전지의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140037355A (ko) 2014-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vanalakar et al. A review on pulsed laser deposited CZTS thin films for solar cell applications
Romeo et al. Low substrate temperature CdTe solar cells: A review
US7744705B2 (en) Group I-III-VI quaternary or higher alloy semiconductor films
JP2010530474A (ja) 単一の有機金属化学気相蒸着工程によるi−iii−vi2化合物薄膜の製造方法
Park et al. 10% efficiency Cu (In, Ga) Se2 solar cell with strongly (220)/(204) oriented Cu-poor absorber layers sputtered using single quaternary target
KR101441942B1 (ko) 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법
KR101734362B1 (ko) Acigs 박막의 저온 형성방법과 이를 이용한 태양전지의 제조방법
KR101410671B1 (ko) Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지
Raza et al. Study of CdTe film growth by CSS on three different types of CdS coated substrates
KR20150064930A (ko) 유연성을 갖는 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR101757169B1 (ko) SnS 박막 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법
Huda et al. CdZnTe thin films growth by RF sputtering for CdTe solar cells
KR101462498B1 (ko) Cigs 흡수층 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
Cao et al. In-situ growth of a CdS window layer by vacuum thermal evaporation for CIGS thin film solar cell applications
KR101410673B1 (ko) Cigs박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cigs박막 태양전지
KR101831700B1 (ko) 이중 삽입층을 이용한 cigs 흡수층 제조방법, 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR101521450B1 (ko) CuSe2를 타겟으로 하는 비셀렌화 스퍼터링 공정을 이용한 CIGS 박막 제조방법
KR101552968B1 (ko) Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR20130007188A (ko) Cigs 박막 제조 방법
KR101410672B1 (ko) Cgs박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cgs박막 태양전지
Nadi et al. Effect of substrate temperature on the growth of CZTS thin films by RF magnetron sputtering
Gundogan et al. The Effect of Ar Gas Flow Rate on Structure and Optical Properties of Magnetron Sputtered Sb 2 Se 3 Thin Films for Solar Cells
Soare et al. Electrodeposition and characterization of CuInSe2/CdS multilayered thin films deposited on flexible substrate
Rahman et al. Effect of growth techniques on the properties of CdTe thin films for photovoltaic application
Sung et al. Effect of Soft-annealing on the Properties of CIGSe Thin Films Prepared from Solution Precursors

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
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170327

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180406

Year of fee payment: 5