KR101410673B1 - Ｃｉｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｉｇｓ박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 기판 상부에 전극층을 증착하고, 전극층의 상부에 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CIS 단일타겟과 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CGS 단일타겟을 동시에 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착하여 CIGS 박막을 제조하며, 이를 이용하여 구조적, 광학적, 전기적으로 특성이 우수한 CIGS 박막 태양전지를 제조하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 이용한 단 한번의 스퍼터링 공정으로 CIGS 광흡수층을 증착할 수 있어 공정의 간소화뿐 아니라 (In, Ga)의 조성비 조절에 따라 다양한 특성의 박막 제조가 가능한 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 서로 다른 광학적 흡수계수를 가지는 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시에 스퍼터링 처리하여 CIGS 광흡수층을 증착함으로써, 한번의 공정으로 우수한 광학적 특성 및 결정학적으로 매우 안정적인 CIGS 박막을 제조할 수 있는 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, CIGS 박막 태양전지는 제조단가가 낮고 태양광의 흡수에 가장 이상적인 1.04eV 정도의 에너지 밴드갭(Eg: Band-gap Energy)을 가지므로 변환효율이 높은 이점이 있어 박막형 태양전지로써 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
또한, CIGS 박막 태양전지는 대개 기판층, 전극층, 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극으로 구비되는 상부전극층으로 이루어지는데, 기판층은 유리 또는 금속 재질로 구비되고 상기 기판층의 상부에 전극층(Back Contact)을 증착하게 된다.
또한, 상기 전극층의 상부에 광흡수층이 증착되며 상기 광흡수층은 빛을 흡수하여 전기 에너지를 발생시키는 부분으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)의 화합물로 구비된다. 또한, 상기 버퍼층은 대개 황화 카드늄(CdS)을 이용하여 구비되고, 상기 상부전극층은 산화아연(ZnO)으로 구비된다.
또한, 상기 CIGS 박막 태양전지의 광흡수층은 동시증발법(co-evaporation) 또는 금속전구체의 셀렌화법(two-stage process) 등의 제조방식이 가장 널리 이용되며, 상기 동시증발법의 경우 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 열 증발원을 이용하여 동시에 증발시켜서 상기 전극층이 형성된 고온의 기판에 상기 광흡수층을 형성하게 된다.
또한, 상기 금속전구체의 셀렌화법은 2단계 공정법으로 불리기도 하는데, 전구체 증착공정 및 열처리를 하는 셀렌화 공정을 포함하는 2단계 공정으로 이루어지며, 상기 전극층이 형성된 기판에 스퍼터링 처리를 통해 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 이루어진 전구체를 순차적으로 진공 증착한 후 고온에서 셀렌화 공정을 실시하여 상기 광흡수층을 형성하게 된다.
한편, 동시증발법은 구리, 인듐, 갈륨 및 셀렌의 재료소비가 많아 각 단위 원소들의 이용효율이 낮고, 대면적 기판에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 금속전구체의 셀렌화법의 경우에는 셀렌화 공정에서 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se)를 사용해야 하는 점과, 셀렌의 농도가 불균일한 점 및 CIGS 박막의 조성비를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 금속전구체의 셀렌화법은 상기 전극층과 상기 광흡수층 간의 계면에서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)과 상기 전극층을 이루는 단위 원소 간의 상호확산(counter diffusion)이 발생하면서 전도띠의 배열이 달라지는 문제점이 있었고, 또한 전구체 형성과정에서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)만을 사용하기 때문에 후속 셀렌화 과정을 거치면서 부피 팽창으로 인한 CIGS 막질의 하락을 가져오는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 서로 다른 광학적 흡수계수를 가지는 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 이용하여 셀렌화 후공정을 실시하지 않고 스퍼터링 공정만을 이용하는 단일 공정으로 CIGS 광흡수층을 형성하게 하여 제조공정을 단순화하는 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 또한, CIGS 박막의 조성비를 제어하여 CIGS 박막의 광학적 특성이 우수하고 결정학적으로 매우 안정적인 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지를 제공하는 데 있다.
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 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하는 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단계 (3)은 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시에 스퍼터링하여 CIGS 광흡수층을 증착한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스퍼터링 처리는 파워 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠), 압력 0.1 내지 0.5㎩, 시간 0.5 내지 2hr, 온도 상온 내지 550℃의 공정조건 하에서 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 CIS(CuInSe2) 단일타겟은 구리(Cu)의 조성비를 0.8 내지 1.0으로, 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2 +x(x=0 내지 0.2)으로 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 CGS(CuGaSe2) 단일타겟은 구리(Cu)의 조성비를 0.8 내지 1.0으로, 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2 +x(x=0.2 내지 0)으로 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단일타겟은 기판과의 거리가 100㎜ 내지 150㎜이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층의 박막은 갈륨(Ga) 함량비에 따라 일정한 비율의 흡수 파장을 가지며, 700 내지 1200 파장 내에의 흡수피크 분포를 나타낸다.
본 발명의 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CIGS 박막 태양전지는, CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 이용하여 스퍼터링 처리를 통해 광흡수층을 증착하므로, 간단한 공정을 통해 신속하고 효율적으로 CIGS 박막을 제조할 수 있다. 이로 인하여, 공정의 경제성 및 효율성 면에서 일반적인 셀렌화 공정의 흡수층 제조와 비교하여 매우 유리한 효과를 갖는다.
또한, CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시에 스퍼터링 처리하여 증착된 CIGS 박막의 광학적 밴드갭이 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 함량비에 따라서 일정한 비율로 변화되게 되므로, CIGS 박막의 조성비를 쉽게 제어할 수 있다. 이로 인하여, 구조적 특성, 조성적 특성 및 광학적 특성이 우수한 CIGS 박막을 제조할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막 샘플을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막에 대한 조성비의 XRF 분석결과를 나타내는 그래프,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 단면 및 표면구조를 나타내는 SEM 도면,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 투과특성을 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 밴드갭 특성을 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 XRD 특성을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막 샘플을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막에 대한 조성비의 XRF 분석결과를 나타내는 그래프,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 단면 및 표면구조를 나타내는 SEM 도면,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 투과특성을 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 밴드갭 특성을 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 XRD 특성을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
다만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 따라서, 도면에서의 요소들이 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 공정도이며, 도 2는 본 발명에 따른 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법은, 먼저, 기판(110)을 준비한다(S1).
기판(110)은 유리, 세라믹, 금속 또는 폴리머(polymer)를 포함하여 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 기판(110)은 값싼 소다회 유리(sodalime glass; SLG)로 이루어질 수 있다.
기판(110)을 준비한 후, 기판(110) 상부에 전극층(120)을 증착한다(S2).
전극층(120)은 높은 전기전도도를 가지고, CIGS 광흡수층(130)에의 오믹(ohmic) 접합이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전극층(120)은, 예를 들어, 몰리브덴(Mo)으로 이루어질 수 있다.
상기 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 또한 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 상기 기판(110)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
상기 전극층(120)은 스퍼터링(sputtering)법, 예를 들어 통상의 직류 스퍼터링(DC sputtering)법을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 전극층(120) 상에 광흡수층(130)을 증착하게 되는데, 상기 광흡수층(130)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)으로 이루어지고 스퍼터링 처리를 통해 증착할 수 있다.
또한, 상기 광흡수층(130)을 단시간에 효율적으로 증착할 수 있도록 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CIS 단일타겟(140a)과, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CGS 단일타겟(140b)으로 스퍼터링 처리하며, 상기 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링(RF sputtering) 또는 DC 스퍼터링(DC sputtering)을 이용하여 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있다(S3).
또한, 상기 CIS 단일타겟(140a)은 99.9％의 CuInSe2 화합물로, 구리(Cu)의 조성비를 0.8, 0.9, 1.0으로 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2 +x(x=0.1, 0.2, 0.3)으로 구비하는 것이 바람직하다.
CGS 단일타겟(140b)은 99.9％의 CuGaSe2 화합물로, 구리(Cu)의 조성비를 0.8, 0.9, 1.0으로 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2 +x(x=0.2, 0.1, 0)으로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 공정조건으로는 공정파워 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠), 공정압력 0.1∼1.0㎩, 공정시간 0.5∼2hr, 기판(110)과 타겟(140a,140b) 사이의 거리(DTS) 100∼150mm, 기판온도 상온(R.T)∼550℃로 하였다.
상기 공정조건 하에서, RF 스퍼터링 처리시 CIS 단일타겟(140a)과 CGS 단일타겟(140b)을 진공챔버(100) 내부의 캐소드(cathode)에 장착하고, 상기 전극층(120)이 증착된 기판(110)을 상기 CIS 및 CGS 단일타겟(140a,140b)과 소정거리 즉, 100∼150mm 정도 이격하여 상기 진공챔버(100)의 내부의 애노드(anode)에 장착하게 된다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 가스주입부(400)를 통해 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성기체를 상기 진공챔버(100) 내부로 주입시킨 후 상기 진공챔버(100)의 내부 압력을 0.1 내지 1.0㎩ 상태로 유지시킨다. 즉, 10-6㎩의 고진공상태인 진공챔버(100) 내에 불활성가스를 주입시킨 후 공정압력을 0.1 내지 1.0㎩로 유지시킨다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 전원부(200)를 통해 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠)의 전원을 인가하여 상기 진공챔버(100) 내부에 플라즈마를 발생시키게 되고, 상기 CIS 단일타겟(140a)과 CGS 단일타겟(140b)의 원소들은 방출되면서 상기 전극층(120)의 상부에 증착되어 상기 CIGS 광흡수층(130)을 이루게 된다.
즉, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)과, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 각각 단일타겟(140a,140b)에 구비하고 상기 RF 스퍼터링 처리를 통한 단일공정으로 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 전술한 RF 스퍼터링 처리와 같이 상기 단일타겟(140a,140b)을 구비하여 단일 공정으로 상기 광흡수층(130)을 증착하는 것이다. 다만, 상기 단일타겟(140a,140b)에 가해지는 전원이 직류 전원인 점에서 차이가 있으나 별도의 셀렌화 후공정을 실시하지 않고도 간단하고 신속하게 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있는 점은 동일하다.
상기의 공정을 통해 제조된 본 발명에 의한 CIGS 박막의 샘플을 도 3에 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막은 (In, Ga)의 조성비를 다양하게 가지도록 제조되었으며, (a) 샘플 쪽으로 갈수록 CGS가 우세한(rich) 영역이고, (f) 샘플 쪽으로 갈수록 CIS가 우세한 영역을 나타낸다. 여기서, 샘플 (a) 내지 (f)에 따라서 도 4에 나타낸 바와 같이 (In, Ga) 조성비가 다양하게 분포하도록 CIGS 박막을 제작하였다.
도 4를 보면, 가로는 (a) 내지 (f) 샘플을 나타내고, 세로는 조성비(at.％)를 나타낸다. (a) 샘플 쪽으로 갈수록 인듐(In)의 함유량은 줄고 갈륨(Ga)의 함유량이 증가하는 경향을 나타내고, 반대로 (f) 샘플 쪽으로 갈수록 인듐(In)의 함유량은 증가하고 갈륨(Ga)의 함유량이 줄어드는 경량을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, (a) 내지 (f) 샘플 각각에 따라 조성비(composition ratio)가 다양하게 분포됨을 알 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 단면 및 표면구조를 나타내는 SEM 도면이다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막은, 화학량론의 조성비를 가지는 CIS(CuInSe2), CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟(140a,140b)을 이용하여 서로 다른 조성비를 가지는 CIGS 박막(130)으로, 기판(110)과의 뛰어난 접합(adhesion) 특성을 보여주는 것을 알 수 있다. 이때, 박막의 두께는 약 2∼4㎛ 정도의 두께 경사를 가지며, 박막 밀도는 CGS가 우세한 (a) 샘플 쪽으로 갈수록 높아지며, 결정립크기(grain size)는 CIS가 우세한 (f) 샘플 쪽으로 갈수록 커지는 특성을 보여주는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막은, 표면에서 결정구조가 명확한 결정립계를 관찰할 수 있고, 결정립 크기는 약 100㎚∼1㎛까지의 분포를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
즉, CIS 영역(f)으로 갈수록 결정립 크기는 증가하며 박막 충진밀도는 CGS 영역(a)으로 갈수록 높아지는 경향을 보여주는 것을 알 수 있다. CIS-CGS 단일타겟(140a,140b)을 이용하여 1회 공정만으로 제작된 CIGS 박막의 큰 결정립 크기와 높은 충진밀도는 공정의 경제성 및 효율성 면에서 일반적인 셀렌화 공정의 흡수층 제작과 비교하여 매우 유리한 입장을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 투과특성을 나타내는 그래프로, 특히 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 조성비에 따라 제작된 CIGS 박막의 투과특성을 나타낸다.
도 7을 참조하면, (a)∼(f)까지 CIGS 박막 내 (In, Ga)의 조성비에 따라 박막의 투과도 특성을 평가하였으며, CIGS 박막의 투과 특성을 갈륨(Ga) 함량에 따라 비교 분석하였다. 여기서, (a)는 Ga/(In+Ga)의 조성비가 0.87at.％이고, (b)는 0.78at.％, (c)는 0.66at.％, (d)는 0.51at.％, (e)는 0.36at.％ 그리고 (f)는 0.24at.％를 갖는다.
비교 분석한 결과, 그래프에서 나타난 바와 같이 샘플번호 (e), (f)는 박막의 두께가 약 4㎛ 정도로 매우 두껍게 증착이 되었기 때문에 최초 흡수 파장을 확인하기 어려운 것을 알 수 있다. 샘플번호 (e), (f)를 제외한 (a)∼(d)까지의 투과특성은 갈륨(Ga) 함량비에 따라 일정한 비율을 갖는 흡수 파장을 보여주었으며, 약 700∼1200 파장내에의 흡수피크(peak) 분포를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 밴드갭 특성을 나타내는 그래프로, CIS-CGS 단일타겟(140a,140b)을 이용하여 병합(combinatorial) 증착된 CIGS 박막의 광학적 특성을 나타내며, (In, Ga) 함량비에 따라서 일정한 비율로 광학적 밴드갭이 변화하는 특성을 보여준다.
도 8을 참조하면, CIS 및 CGS 단일 박막으로 제작된 광학적 밴드갭은 각각 0.98eV, 1.60eV이며, 두 타겟을 이용하여 병합 증착된 CIGS 박막의 광학적 밴드갭은 Ga/(In+Ga) 함량비가 0.51∼0.87로 증가함에 따라 광학적 밴드갭은 1.24∼1.52eV로 일정하게 증가하는 현상을 확인할 수 있다. 이는 서로 다른 두 단일타겟만을 이용하여 스퍼터링 공법으로 제작된 CIGS 박막의 (In, Ga) 조성비를 쉽게 제어할 수 있음을 의미한다고 할 것이다. 또한, 서로 다른 조성을 가지는 CIGS 박막은 (In, Ga)의 함량비에 따라 일정한 광학적 밴드갭을 갖도록 제작 가능하다는 것을 의미한다.
그래프에서 나타난 바와 같이, 샘플 번호 (e), (f) 박막은 CIS 우세영역(Ga의 함량=0.24, 0.36)이며, 증착된 박막의 두께가 4㎛ 이상의 두께를 가지기 때문에 투과도 특성이 낮아 밴드갭 특성을 확인할 수 없다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 라만(Raman) PL을 통하여 CIGS 박막의 단결정성, 다결정성, secondary phase 존재 유무를 확인하였으며, (In, Ga)의 함량비에 따라 일정하게 변화하는 위상천이(phase shift) 또한 관찰하였다. CIS, CGS 단일 박막으로만 제작된 샘플의 라만 시프트(Raman shift)값은 각각 174㎝-1, 183㎝-1이며, 두가지 타겟으로 콤비 증착된 CIGS 박막의 라만시프트값은 (In, Ga)의 함량비가 갈륨(Ga) 우세 영역으로 갈수록 CGS 위상피크(phase peak) 위치와 가까워졌으며, 인듐(In) 우세 영역으로 갈수록 CIS 위상피크와 가까워지는 현상을 보여주었다. 라만 PL 특성에서 살펴본 결과, (In, Ga)의 조성비 조절에 따라 CIGS 위상이 일정하게 변화하고 있음을 확인할 수 있었으며, 원하는 조성비를 가지는 CIGS 박막을 단일공정(one-step)의 스퍼터링 공법만으로 우수한 광학적 특성을 가지도록 제작할 수 있음을 증명하였다.
(In, Ga) 함량비에 따라 A1 모드 피크(mode peak) 이동이 관찰되었으며, 이는 모두 CIGS 내 (In, Ga) 조성의 변화에 따라 현상으로 확인되었다. 또한, 2성분계 위상 및 조성적으로 불안정한 제3의 위상은 확인되지 않는 매우 안정적인 CIGS 박막을 제작하였다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 CIGS 박막 제조방법으로 제조된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 조성비에 따른 XRD 특성을 나타내는 그래프로, 특히 (In, Ga) 함량비에 제작된 CIGS 박막과 CIS, CGS 단일박막의 XRD 특성을 비교 분석한 것이다.
도 10을 참조하면, CIS 박막에 대하여 황동광(chalcopyrite) 구조를 나타내는 회절피크는 α(112), α(220), α(312)이며, CGS 박막의 황동광 구조를 나타내는 회절피크로는 β(112), β(220), β(204), β(312), β(116)이 확인되었다. 조성비를 갈륨(Ga)의 함량으로 표기하면 α 샘플은 0, β 샘플은 1의 값을 가지며, Ga/In+Ga의 함량비에 따라 제작된 샘플은 (a)∼(f)까지 각각 0.24∼0.87의 조성비를 가지게 된다.
도 10의 그래프에서 보면 알 수 있듯이, CIGS 박막 샘플 내에 Ga/In+Ga의 함량비가 증가하면 CGS구조를 가지는 회절피크와 가까워지며, 반대인 경우에는 CIS 구조를 가지는 회절피크로 시프트됨을 알 수 있다. 두가지 단일타겟(CIS,CGS)을 이용하여 제작된 CIGS 박막의 (In, Ga)의 함량비를 제어하여 제작할 수 있으며, 특정 조성비를 가지는 CIGS 박막은 오직 황동광 구조만을 가지는 회절피크만 확인되었으며, binary phase 혹은 섬아연광(sphalerite) 구조와 같이 흡수층의 효율을 저하시키는 제 2의 위상을 나타내는 회절피크는 관찰되지 않았다. 본 실험을 통하여, 단일공정 스퍼터링 공법만으로 결정학적으로 매우 안정적이며, (In, Ga)의 조성비에 따라 일정하게 시프트되도록 제어할 수 있는 CIGS 박막을 제작하였다.
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 : CIGS 광흡수층 140a : CIS 단일타겟
140b : CGS 단일타겟
130 : CIGS 광흡수층 140a : CIS 단일타겟
140b : CGS 단일타겟
Claims (10)
- (1) 기판을 준비하는 단계;
(2) 상기 기판 상부에 전극층을 증착하는 단계; 및
(3) 상기 전극층의 상부에 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시에 스퍼터링 처리하여, CIGS 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하며,
상기 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟은 구리(Cu)의 조성비를 0.8 내지 1.0으로, 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2+x(x=0 내지 0.2)으로 구비된 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 스퍼터링 처리는 파워 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠), 공정압력 0.1 내지 1.0㎩, 시간 0.5 내지 2hr, 온도 상온 내지 550℃의 공정조건 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 단일타겟은 상기 기판과의 거리가 100 내지 150㎜인 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층의 박막은 갈륨(Ga) 함량비에 따라 일정한 비율의 흡수 파장을 가지며, 700 내지 1200 파장 내에의 흡수피크 분포를 나타냄을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층의 박막은 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 함량비에 따라 일정한 광학적 밴드갭을 가짐을 특징으로 CIGS 박막 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층의 박막은 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 조성비 조절에 따라 위상이 일정하게 변화됨을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
- 제 1항, 제 3항, 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한항의 제조방법으로 제조된 CIGS 박막 태양전지.
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