KR20140037409A - Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지 - Google Patents

Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20140037409A
KR20140037409A KR1020120103120A KR20120103120A KR20140037409A KR 20140037409 A KR20140037409 A KR 20140037409A KR 1020120103120 A KR1020120103120 A KR 1020120103120A KR 20120103120 A KR20120103120 A KR 20120103120A KR 20140037409 A KR20140037409 A KR 20140037409A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
cgs
sputtering
cgs thin
present
Prior art date
Application number
KR1020120103120A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101410672B1 (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 KR1020120103120A priority Critical patent/KR101410672B1/ko
Priority to PCT/KR2012/011452 priority patent/WO2014042319A1/ko
Priority to US14/428,349 priority patent/US20150263210A1/en
Publication of KR20140037409A publication Critical patent/KR20140037409A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101410672B1 publication Critical patent/KR101410672B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • 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)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 기판 상부에 전극층을 증착하고, 전극층의 상부에 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착하여 CGS 박막을 제조하며, 이를 이용하여 구조적, 광학적, 전기적으로 특성이 우수한 CGS 박막 태양전지를 제조하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 CGS(CuGaSe2) 단일 스프터링 타겟을 이용한 단 한 번의 공정으로 CGS계 광흡수층을 형성할 수 있어 공정의 간소화뿐 아니라 경제성 및 효율성 측면에서 매우 유리한 효과를 기대할 수 있다.

Description

ＣＧＳ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ＣＧＳ박막 태양전지{Fabrication method of CGS thin films and its application to CGS thin film solar cells}
본 발명은 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, CuGaSe2로 조성되는 단일타켓을 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착함으로써, 공정이 간소화해질 수 있는 고품질의 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지(solar cell)에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 태양광 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비도 절감할 수 있는 CIGS계 박막형 태양전지가 널리 사용되고 있다.
CIGS계 박막형 태양전지란, CuIn1 - xGaxSe2로 조성된 4원계 화합물로 형성된 직접천이형 반도체로서, 에너지밴드갭이 대략 1.04eV 정도로 이상적인 값에 가깝고, 광흡수계수가 높으며, 안정성이 뛰어나, 박막형 태양전지로서 커다른 응용 잠재력을 가진 광흡수층(absorber layer) 재료이다.
CIGS계 박막형 태양전지의 광흡수층은 동시증발법(co-evaporation) 또는 금속전구체의 셀렌화법(two-stage process) 등의 제조방식이 가능 널리 이용되며, 동시증발법의 경우 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 열 증발원을 이용하여 동시에 증발시켜서 전극층이 형성된 고온의 기판에 광흡수층을 형성하게 된다.
금속전구체의 셀렌화법은 2단계 공정법으로 불리기도 하는데, 전구체 증착공정 및 열처리를 하는 셀렌화(selenization) 공정을 포함하는 2단계 공정으로 이루어지며, 전극층이 형성된 기판에 스퍼터링 처리를 통해 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 이루어진 전구체를 순차적으로 진공 증착한 후 고온에서 셀렌화 공정을 실시하여 광흡수층을 형성하게 된다.
동시증발법은 구리, 인듐, 갈륨 및 셀렌의 재료소비가 많아 각 단위 원소들의 이용효율이 낮고 대면적 기판에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
금속전구체의 셀렌화법의 경우에는 셀렌화 공정에서 셀렌화수소(H2Se)와 같은 유독성 가스를 사용해야 하는 점과, 셀렌(Se)이 균일하게 도포되지 않아 농도가 불균일한 점 및 CIGS 박막의 조성비를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
이처럼, 종래의 CIGS계 박막형 태양전지는 CIGS계 화합물이 4원계 화합물로서, 이를 이용하여 광흡수층을 제조 시, 그 조성 및 공정 제어에 많은 어려움이 따랐다.
본 발명자들은 셀렌화 후공정을 실시하지 않고 스퍼터링 공정만을 이용하는 단일 공정으로 광흡수층을 증착하되, 4원계 화합물인 CIGS 대신 CuGaSe2로 조성된 3원계 화합물로 형성할 수 있게 하고자 연구 노력한 결과, CGS 박막 제조방법 및 이를 이용여 제조된 CGS 박막 태양전지의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 3원계 화합물인 CGS(CuGaSe2)계 화합물로 조성된 단일타겟을 스퍼터링 처리하는 단일 공정으로 광흡수층을 형성하게 하여 조성 및 공정 제어가 보다 간단하고 용이하며 높은 효율을 가지는 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (1) 기판을 준비하는 단계와, (2) 상기 기판 상부면에 전극층을 형성시키는 단계, 및 (3) 상기 전극층의 상부면에 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, CGS계 광흡수층을 증착 형성시키는 단계를 포함하는 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 단계 (3)은 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)이 포함된 단일타겟을 이용하여 RF 스퍼터링 또는 DC 스퍼터링 처리하여, 상기 광흡수층을 증착한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스퍼터링 처리조건은 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 상기 단일타겟의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도로 전원을 가하여 이루어진다.
이때, 상기 단일타겟은 CuGaSe2로, 구리(Cu)의 조성비를 0.8 내지 1.0으로 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 Se2 +X(x=0 내지 0.2)로 구비된다.
그리고, 상기 단일타겟은 기판과의 거리가 100㎜ 내지 150㎜ 이다.
그리고 상기 CGS계 광흡수층의 두께는 0.3㎛∼2.2㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지는, 대략 1.6eV의 에너지밴드갭을 갖는 CGS계 광흡수층을 적층 형성한 박막형 태양전지의 광흡수층(absorber layer)을 제공함으로써 셀렌화 공정과 같은 추가 공정을 하지 않아도 광흡수층을 용이하게 형성할 수 있으며, 태양전지의 제조단가를 줄일 수 있는 효과를 갖는다.
또한, Se 분위기 하에서 Se를 주입하지 않고, 이미 형성된 CuGaSe2계 화합물 타겟을 이용하므로 Se가 광흡수층에 고르게 분포할 수 있으며, 구조적 특성, 조성적 특성 및 광학적 특성이 우수한 CGS 박막을 제조할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명이 적용된 CGS계 광흡수층을 갖는 박막형 태양전지의 구조를 나타내는 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법을 나타내는 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 CGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 EDS 분석 결과를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막 샘플을 나타내는 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 단면 및 표면구조를 나타내는 SEM 도면,
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 두께에 따른 광학적 특성을 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용된 CGS계 광흡수층을 갖는 박막형 태양전지의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 후면전극(Back Contact)과, CGS계 광흡수층(CGS Absorber Layer)과, 버퍼층(Buffer Layer) 및 윈도우층(Window Layer)이 기판(Substrate) 상에서 순차적으로 적층 형성된다.
여기서, CGS계 광흡수층(30)은 박막형 태양전지의 광흡수층으로 작용하게 된다.
본 실시예에서, 기판(10)은 소다라임 글래스(Sodalime Glass)를 이용할 수 있으며, 이 외에도 이와 동일 또는 유사한 각종 재질을 사용하여도 무방하다.
그리고, 이러한 기판(10) 상에는 후면전극(20)이 적층 형성된다. 이때, 후면전극(20)의 소재는 특정의 소재로 제한할 필요가 없으며, 통상적으로 몰리브덴(Mo)이 주로 이용된다.
본 실시예에서는 이러한 후면전극(20)을 기판(10) 상에 대략 1㎛ 정도의 두께로 적층 형성시킬 수 있는데, 이때 DC 스퍼터링(supttering) 방법을 이용하여, 후면전극(20)을 기판(10) 상에 증착시킨다.
그리고 후면전극(20)의 상부에는 본 발명에 따른 CGS계 광흡수층(30)이 적층 형성된다.
이때, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, CGS계 광흡수층(30)은 적정 조성 제어된 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se2)을 포함하는 3원계 화합물인 CuGaSe2계 화합물로 형성되는 태양광 흡수 기능층으로서, 그 조성 및 공정 제어가 용이한 장점이 있다.
이러한 CGS계 광흡수층(30)의 상부에는 버퍼층(Buffer Layer)이 적층 형성되는데, 일반적으로 광전도셀의 소재로 이용되는 황화카드뮴(CdS) 등이 CBS(Chemical Bath Deposition)법에 의해 증착되어 형성 가능하다
그리고 버퍼층(40)의 상부에는 윈도우층(Window Layer)이 적층 형성되는데, 이는 전면 투명 전극의 기능을 하는 것으로서, 산화아연(ZnO) 또는 알루미늄(Al), ITO 등이 이용될 수 있다.
이때, 버퍼층(40) 또는 윈도우층(50)은 상기에 언급된 소재 또는 방법을 제외하고도 다양한 소재 또는 주지의 박막 공정 기술을 통해 다양하게 실시될 수 있음은 자명하다.
다음으로 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법의 바람직한 실시예를 설명하고자 한다.
먼저, 기판(10)을 준비한 후(S1), 기판(10) 상부면에 전극층(20)을 형성시킨다(S2). 그런 다음, 상기 전극층(20)의 상부면에 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 적정 조성 제어하여 제조된 CGS계 광흡수층(30)을 적층 형성시킨다(S3).
여기서, CGS계 광흡수층(30)을 단시간에 효율적으로 증착할 수 있도록 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟(100)으로 스퍼터링 처리하며, 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링(RF Sputtering) 또는 DC 스퍼터링(DC Sputtering)을 이용하여 광흡수층(30)을 증착할 수 있다.
또한, 상기 단일타겟(100)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)로 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 RF 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 특정 온도에서 상기 단일타겟(100)의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도(power density; W/㎠)를 갖는 고주파 전원을 가하여 이루어졌으며, 단일타겟(100)의 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)이 광흡수층(30)으로 증착되게 하였다.
또한, RF 스퍼터링 처리는 먼저, 단일타겟(100)을 챔버(200) 내부의 캐소드(cathode)에 장착하고, 상기 전극층(20)이 증착된 기판(10)을 상기 단일타겟(100)과 소정거리 이격하여 상기 챔버(200)의 내부에 애노드(anode)에 장착하게 된다. 여기서, 기판(10)과 타겟(100) 간의 거리는 100∼150㎜이다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 상기 챔버(200)의 내부를 진공펌프(300)를 통해 진공상태로 만들고 가스주입부(400)를 통해 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 상기 챔버(200) 내부로 주입시킨다. 이때, 챔버(200) 내부의 공정압력은 0.1∼1.0㎩ 범위 내에서 증착하게 된다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 전원부(500)를 통해 전원을 인가하여 상기 챔버(200) 내부에 플라즈마를 발생시키게 되고, 상기 단일타겟(100)의 원소들은 방출되면서 상기 전극층(20)의 상부에 증착되어 상기 광흡수층(30)을 이루게 된다.
즉, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 단일타겟(100)에 구비하고 RF 스퍼터링 처리를 통한 단일 공정으로 광흡수층(30)을 증착할 수 있으므로, 별도의 셀렌화 후공정을 실시하지 않아도 되고 간단하고 신속하게 CGS계 광흡수층(30)을 증착할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 증착된 CGS 광흡수층(30)의 박막 두께에 따른 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)의 조성을 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통하여 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4의 그래프를 참조하면, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se) 원자가 Kα1 shell로 천이될 때 각각 8.047, 9.254 및 11.222 keV의 에너지 값을 갖는 것을 확인하였다. 이는 스퍼터링 처리를 통한 단일공정으로도 단일타겟(100)의 조성이 효과적으로 증착됨을 의미한다.
이와 같이, CGS계 광흡수층(30)이 형성된 후, CGS계 광흡수층의 상부면에는 버퍼층(Buffer Layer)과, 윈도우층(Window Layer)이 순차적으로 적층 형성됨으로써, 본 발명에 따른 CGS계 광흡수층을 갖는 박막형 태양전지가 제조될 수 있다.
한편, 광흡수층(30)은 DC 스퍼터링 처리를 통해 증착할 수도 있는데, DC 스퍼터링 처리는 상온 내지 550℃ 사이의 특정 온도에서 상기 단일타겟(100)의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도(power density; W/㎠)를 갖는 직류전원을 가하여 이루어지며, 단일타켓(100)의 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)이 광흡수층(30)으로 증착된다.
DC 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링 처리와 같이 단일타겟(100)을 구비하여 단일 공정으로 광흡수층(30)을 증착하는 것으로, 다만, 단일타겟(100)에 가해지는 전원이 직류전원인 점에서 차이가 있으나 별도의 셀렌화 후공정을 실시하지 않고도 간단하고 신속하게 광흡수층(30)을 증착할 수 있는 점은 동일하다.
상기 CuGaSe2로 조성된 단일타겟(100)을 이용한 스퍼터링 처리의 단일 공정으로 제조된 본 발명에 의한 CGS 박막의 샘플을 도 5에 도시하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막은 박막두께 경사를 가지도록 제조되었으며, (f) 샘플 쪽으로 갈수록 타겟과의 거리가 멀고, (a) 샘플 쪽으로 갈수록 타겟과의 거리가 가깝도록 구성되어 다양한 박막 두께를 가지도록 제조되었다. 이들 각각의 박막에 대한 구조적, 광학적, 전기적 특성을 비교 분석한 결과는 도 6 내지 도 11에 나타내었다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 두께에 따른 단면 및 표면구조를 나타내는 SEM 도면이다. 여기서, 박막의 두께는 a(2.2㎛), b(1.7㎛), c(1.2㎛), d(0.8㎛), e(0.6㎛), f(0.3㎛)로 하였다.
본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막은, 박막의 두께에 따라 도 6의 (a) 내지 (f)에 나타낸 바와 같이, 기판과 매우 뛰어난 접촉력과 충진된 박막 특성을 보임을 알 수 있다.
또한, 박막의 두께에 따라 도 7의 (a) 내지 (f)에 나타낸 바와 같은 표면 특성을 보임을 알 수 있다. 박막의 표면 거칠기는 공정 파워, 공정 압력, 공정 시간, 타겟과 기판과의 거리, 공정가스, 기판 온도 등에 따라 변화되며 최적의 공정조건에서 제조된 본 발명에 의한 CGS 박막은 도 7의 (a)에서 (f)까지의 특성을 가진다.
화학량론의 조성비(CuGaSe2)를 가지는 CGS 스퍼터링 타겟을 이용하여 기판 상에 CGS 박막을 제조시, CGS 박막의 결정립 크기와 박막 표면의 충진밀도는 샘플의 두께가 커질수록 증가하는 경향을 나타내었다.
도 8은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 두께에 따른 투과 특성을 나타내는 그래프로, 가로는 파장(wavelength)을, 세로는 투과율(transmittance)을 각각 나타낸다.
도 8에 나타낸 CGS 박막의 투과 특성을 보면, 약 0.3㎛ 내지 2.2㎛의 두께경사를 가진 (a) 내지 (f)의 CGS 박막은 전체 샘플에 대해서 약 700∼800㎚의 파장대에서 최초의 흡수피크(peak)를 가짐을 알 수 있다. 이는 광학적 밴드갭 에너지로 환산했을 때 약 1.55∼1.77eV이며, 일반적으로 단결정 성장된 CGS 박막의 광학적 밴드갭 에너지가 1.6eV임을 비교했을 때 매우 근사한 수치를 보여줌을 알 수 있다.
단일타겟(100)만을 가지고 복잡한 공정 절차 없이 제작된 CGS 박막의 광학적 특성은 매우 안정된 특성을 보여주며, 셀렌화 공정으로 인한 고비용, 고위험 물질을 사용하지 않고 우수한 CGS 박막을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 광학적 밴드갭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9에 나타낸 그래프는 도 8에 나타낸 CGS 박막의 투과 특성을 이용하여 hv에 따른 (ahv)2값을 플로팅(plotting)한 것이며, 0.3㎛의 박막 두께를 가지는 샘플을 제외한 모든 샘플에 대하여 1.6eV 값을 가지는 광학적 밴드갭을 확인할 수 있다. RF 스퍼터링 공법을 이용하여 단일 스퍼터링 타겟으로만 증착된 CGS 박막의 광학적 특성은 기존에 상용화된 셀렌화 공정을 거치는 박막과 비교하여 뛰어난 특성을 나타냄을 알 수 있다.
또한, CGS 단일타겟을 이용한 스퍼터링 공법은 공정시간의 감소, 공정절차의 간편화, 유독성 물질의 미사용을 장점으로 갖는다.
도 10은 본 발명에 따른 CGS 박막 제조방법으로 제조된 CGS 박막의 라만특성을 나타낸 그래프이다.
도 10에 나타낸 그래프를 보면, 라만 PL을 통하여 두께 경사를 가지는 CGS 박막의 단결정성, 다결정서 혹은 secondary phases를 확인하였다. 일반적으로, 단결정 특성을 가지는 CGS 박막의 경우 A1모드(186㎝-1), B2모드(273㎝-1)에서의 라만 피크(peak)를 가진다. CGS 단일타겟을 이용하여 0.3㎛∼2.2㎛ 박막 두께로 제조된 CGS 박막의 경우 모든 샘플에 대해 A1,B2모드에서 정확한 라만시프트(Raman shift)값을 가지며, 이는 단일 CGS 스퍼터링 타겟만을 사용하여 제조된 광흡수광 박막의 우수한 단결정성 특징을 나타낸다.
또한, 기판(10) 위에 성장된 CGS 박막은 화학양론적으로 일치하는 CGS 상(phase)만 확인되었으며, 2성분계 상(Cu-Se, In-Ga, Ga-Se) 혹은 조성적으로 불안정한 Cu-Ga-Se 상은 나타나지 않았다.
도 11은 본 발명에 따른 CGS 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 CGS 박막은 황동광(chalcopyrite) 특성을 나타내는 회절피크(peak)만 {(112), (220), (204), (312), (116), (400), (332), (316)} 확인되었으며, Cu-Se, In-Se, Ga-Se와 같은 2성분계(binary) 상과 관련된 피크(peak)는 발견되지 않았다. 이는 단일타겟만을 사용하여 제조된 CGS 박막의 뛰어난 결정 특성을 보여주며, 안정적인 광학적 특성과 더불어 한번의 공정만으로도 고품질의 태양전지 흡수층을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 CGS 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 CGS 박막 태양전지에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였다.
이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 기판 20 : 후면전극
30 : CGS계 광흡수층 40 : 버퍼층
50 : 윈도우층 60 : 반사방지막층
70 : 상대전극 100 : 단일타겟

Claims (8)

  1. (1) 기판을 준비하는 단계;
    (2) 상기 기판 상부면에 전극층을 형성시키는 단계; 및
    (3) 상기 전극층의 상부면에 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, CGS계 광흡수층을 증착 형성시키는 단계를 포함하는 CGS 박막 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (3)은 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)이 포함된 단일타겟을 이용하여 RF 스퍼터링 또는 DC 스퍼터링 처리하여, 상기 광흡수층을 증착하는 것을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 스퍼터링 처리조건은 상온 내지 550℃ 사이의 온도에서 상기 단일타겟의 단위면적(㎠)당 1.23W 내지 3.70W 사이의 특정 전력밀도로 전원을 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 스퍼터링 처리시 공정압력은 0.1 내지 1.0㎩ 범위 내에서 증착함을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 단일타겟은 CuGaSe2로, 구리(Cu)의 조성비를 0.8 내지 1.0으로 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비를 Se2 +X(x=0 내지 0.2)로 구비된 것을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 단일타겟은 상기 기판과의 거리가 100㎜ 내지 150㎜인 것을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광흡수층의 박막 두께는 0.3㎛ 내지 2.2㎛인 것을 특징으로 하는 CGS 박막 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한항의 제조방법으로 제조된 CGS 박막 태양전지.
KR1020120103120A 2012-09-17 2012-09-18 Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지 KR101410672B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120103120A KR101410672B1 (ko) 2012-09-18 2012-09-18 Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 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
KR1020120103120A KR101410672B1 (ko) 2012-09-18 2012-09-18 Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140037409A true KR20140037409A (ko) 2014-03-27
KR101410672B1 KR101410672B1 (ko) 2014-06-25

Family

ID=50646221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120103120A KR101410672B1 (ko) 2012-09-17 2012-09-18 Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101410672B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3639453B2 (ja) 1999-03-16 2005-04-20 松下電器産業株式会社 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
JP4288641B2 (ja) * 2000-08-17 2009-07-01 本田技研工業株式会社 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.
KR101631970B1 (ko) * 2009-07-31 2016-06-21 삼성에스디아이 주식회사 박막 태양 전지의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101410672B1 (ko) 2014-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1654769B2 (en) Method for the preparation of group ib-iiia-via quaternary or higher alloy semiconductor films
Romeo et al. Low substrate temperature CdTe solar cells: A review
US9087954B2 (en) Method for producing the pentanary compound semiconductor CZTSSe, and thin-film solar cell
US20110226336A1 (en) Chalcogenide-based materials and improved methods of making such materials
Lee et al. Characteristics of Cu2ZnSnSe4 and Cu2ZnSn (Se, S) 4 absorber thin films prepared by post selenization and sequential sulfurization of co-evaporated Cu–Zn–Sn precursors
US20130327398A1 (en) Thin-Film Photovoltaic Devices and Methods of Manufacture
Nakashima et al. Effect of annealing on the morphology and compositions of Cu2ZnSnSe4 thin films fabricated by thermal evaporation for solar cells
Cho et al. Atomic-layer-deposited ZnSnO buffer layers for kesterite solar cells: Impact of Zn/(Zn+ Sn) ratio on device performance
KR101734362B1 (ko) Ａｃｉｇｓ 박막의 저온 형성방법과 이를 이용한 태양전지의 제조방법
Zhang et al. Investigation on Sb-doped induced Cu (InGa) Se2 films grain growth by sputtering process with Se-free annealing
KR20140074441A (ko) 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법
JP5911640B2 (ja) 薄膜太陽電池用の層体
KR20120133342A (ko) 균일한 Ｇａ 분포를 갖는 ＣＩＧＳ 박막 제조방법
WO2015005091A1 (ja) 薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法
US8119513B1 (en) Method for making cadmium sulfide layer
JP2016541124A (ja) 薄膜太陽電池用層系
KR101410672B1 (ko) Ｃｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｇｓ박막 태양전지
KR101388458B1 (ko) 급속 열처리 공정을 사용한 ｃｉｇｓ 박막의 제조방법
JP6092377B2 (ja) 薄膜太陽電池用の層体
TWI634669B (zh) 大面積薄膜太陽能電池的製法
KR20150064930A (ko) 유연성을 갖는 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
Huda et al. CdZnTe thin films growth by RF sputtering for CdTe solar cells
Zhang et al. Mechanism investigation of Sb-doping induced large-grain Cu (InGa) Se 2 films processed from quaternary targets
US9899561B2 (en) Method for producing a compound semiconductor, and thin-film solar cell
KR101410671B1 (ko) Ｃｉｓ 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｉｓ 박막 태양전지

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