KR20150071458A - Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 - Google Patents

Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20150071458A
KR20150071458A KR1020130158514A KR20130158514A KR20150071458A KR 20150071458 A KR20150071458 A KR 20150071458A KR 1020130158514 A KR1020130158514 A KR 1020130158514A KR 20130158514 A KR20130158514 A KR 20130158514A KR 20150071458 A KR20150071458 A KR 20150071458A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
cigs
cigs thin
substrate
sputtering
Prior art date
Application number
KR1020130158514A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101552968B1 (ko
Inventor
김태원
박재철
이영준
이전량
이승현
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 KR1020130158514A priority Critical patent/KR101552968B1/ko
Publication of KR20150071458A publication Critical patent/KR20150071458A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101552968B1 publication Critical patent/KR101552968B1/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
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • 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
    • 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)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 grain boundary 결함문제를 보완할 수 있으므로 박막 태양전지 소자의 변환 효율을 높일 수 있는 CIGS 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 CIGS 박막 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 및 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.

Description

CIGS 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지{Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells}
본 발명은 CIGS 박막 제조방법 및 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 grain boundary 결함문제를 보완할 수 있으므로 박막 태양전지 소자의 변환 효율을 높일 수 있는 CIGS 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 장치로서 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이러한, 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분되는데 크게 실리콘 태양전지와 연료감응형 태양전지로 구분된다. 그러나, 실리콘의 공급부족으로 가격이 급등하면서 최근에는 제조단가가 낮고, 태양광의 흡수에 가장 이상적인 1.04eV 정도의 밴드갭(Bandgap)을 갖고 있어 변환효율이 높은 이점이 있는 CIGS(Copper, Indium, Gallium and Selenide)계 박막 태양전지가 주목을 받고 있다.
CIGS계 박막 태양전지는 유리 또는 금속 재질로 구성된 기판 위에 이면전극(Back Contact), CIGS로 이루어진 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극으로 이루어진 상부 전극층이 순차적으로 적층되어 구성된다.
이때, 상기 버퍼층은 대개 황하 카드뮴(CdS)으로 구성되고, 상부 전극층은 산화아연(ZnO)으로 구성되며, 상기 광흡수층은 동시 증착법(Co-evaporation) 또는 금속 전구체의 셀렌화법(two-stage process) 등의 제조방법에 의해 형성된다.
이 중 동시 증착법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 열증발원으로 이용해 동시에 증발시켜 전극층이 형성된 고온의 기판에 광흡수층을 형성하기 때문에 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)의 재료소비가 많아 각 단위 원소들의 이용효율이 낮고, 대면적 기판에는 적용하기 어려운 문제가 있다.
한편, 도 1과 같이 전구체 증착공정과 열처리를 하는 셀렌화 공정을 포함하는 2단계 공정으로 이루어진 금속 전구체의 셀렌화법은 전극층이 형성된 기판에 스퍼터링 처리를 통해 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)으로 이루어진 전구체를 순차적으로 진공 증착한 후 고온에서 셀렌화 공정을 실시해 광흡수층을 형성하기 때문에 셀렌화 공정에서 H2Se와 같은 유독성 가스를 사용해야 하는 점과, 셀렌의 농도가 불균일한 점 및 CIGS 박막의 조성비를 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 금속 전구체의 셀렌화법은 전극층과 광흡수층 간의 계면에서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)과 전극층을 이루는 단위원소 간의 상호확산(counter diffusion)이 발생하면서 전도띠의 배열이 달라지고, 금속전구체의 셀렌화 과정 중의 부피팽창 등으로 인한 계면탈리 현상 등이 발생하기 때문에 제조된 CIGS 박막 특성을 열화시키는 문제점이 발생하고 있다.
CIGS 박막 태양전지는 다양한 결정방향(112), (220), (312) 등을 가지는 다결정성 CIGS 흡수층을 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 구조이다. CIGS 흡수층을 제작함에 있어, 광 변환 시 발생된 소수 carrier들의 recombination을 최소화하고 carrier collection을 향상시키기 위하여 결정학적으로 결함이 없는 안정된 구조를 가지는 박막을 제작해야 한다. 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는, CIGS 흡수층 박막 내에서 서로 다른 결정면 경계(grain boundary)에서 발생되는 결함을 최소화하여 태양전지 소자의 변환 효율을 높일 수 있는 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법과 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 CIGS 박막 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 및 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 {50W~500W(RF Power Density : 0.637~6.366W/㎠)}의 RF Power와 10~50sccm의 아르곤 가스가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 가해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계; 상기 CIGS 박막 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및 상기 버퍼층 위에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막은 (112) 방향으로 배향되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 {50W~500W(RF Power Density : 0.637~6.366W/㎠)}의 RF Power와 10~50sccm의 아르곤 가스가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 가해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지는 상술된 박막 태양전지의 제조방법에 의해 제조된다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 서로 다른 결정면들 경계(grain boundary)에서 발생되는 결함을 최소화하여, 결정학적으로 안정된 CIGS 박막을 제작하여 박막 태양전지 소자의 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 박막 내에 여러 방향으로 성장된 결정면들이 존재하게 되면, 그 계면에서 광에너지에 의해 발생된 carrier들의 이동이 제한되어 결국, 태양전지 소자의 효율을 저해할 수 있기 때문이다. 계면 결함을 초래하는 다수의 결정면들을 지양하고 특정 방향(112)으로만 우선 성장시킨 CIGS 흡수층을 제작함으로써 CIGS 박막 태양전지 소자 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래의 금속 전구체를 이용한 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 3은 공정온도에 따라 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 SEM 이미지이다.
도 4는 공정온도에 따라 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 XRD 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 공정온도에 따라 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 라만 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 공정온도에 따라 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 광학적 밴드갭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 공정온도에 따라 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 공정온도 R.T에서 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 TEM 이미지이다.
도 9는 공정온도 500℃에서 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 TEM 이미지이다.
도 10은 공정온도 600℃에서 단일 공정 스퍼터링으로 성장된 CIGS 박막의 TEM 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2은 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 및 단일 공정 스퍼터링(One-step sputtering)으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.
이때, CIGS 단일 타겟으로는 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)가 사용된다.
이러한, 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법은 10~50sccm의 아르곤 가스(Ar gas)가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 유지되고, {50W~500W(RF Power Density : 0.637~6.366W/㎠)}의 RF Power가 인가되며, 기판 온도가 상온~600℃이고, 기판과 CIGS 단일 타겟은 10㎜~200㎜ 떨어지게 배치된 상태에서 CIGS 단일 타겟이 몰리브덴 위에 스퍼터링 되는데 이러한 이유는 아래와 같다.
일반적으로 스퍼터링 장치는 진공 챔버 내에 비활성 가스(예를 들면, 아르곤 가스)가 주입된 후 캐소드(cathode)에 걸리는 RF 전압에 의해 캐소드로부터 방출된 전자들이 아르곤 원자와 충돌하여 아르곤 이온(Ar+)으로 이온화 되고, 이때 아르곤 원자가 이온화 되면서 잃은 전자들에 의해 에너지가 방출되면서 글로 방전(glow discharge)이 발생하게 되는데, 진공 챔버 내에 이온과 전자들이 공존하는 보라색 플라즈마(plasma)를 형성하게 된다.
이때, 플라즈마 내에 있는 아르곤 이온들이 캐소드쪽으로 가속되면서 타겟 표면과 충돌하게 되면 중성의 타겟 원자들이 떨어져 나와 기판에 증착되는데, 이때 진공 챔버 내에 아르곤 가스의 양이 너무 적게 되면 글로 방전이 형성되지 않아 플라즈마를 발생할 수 없고, 스퍼터링 타겟으로부터 떨어져 나오는 중성원자들의 전체량(yield)이 적어 공정시간이 길어지는 문제가 발생된다.
또한, 아르곤 가스의 양이 너무 많으면 스퍼터링 타겟의 표면으로부터 떨어져 나온 중성이온 원자들이 기판에 증착될 때 플라즈마 내에 많은 아르곤 이온(Ar+, Ar) 및 원자들과 충돌하여 기판부로 전달되는 중성원자들의 개수가 줄어들게 되므로 아르곤 가스는 10~50sccm가 주입되는 게 바람직하다.
그리고, 진공 챔버 내의 압력과 비활성 기체의 압력의 합으로 계산되는 공정 압력은 부분 분압(아르곤 가스의 주입량)의 원리에 따라 최대 1.0Pa 이하가 바람직한데, 플라즈마를 형성하기 위한 최소한의 압력(즉, 0.1Pa)보다는 높아야 글로 방전을 통해 플라즈마가 형성되므로 단일 공정을 이용한 CIGS 박막 제조 시 진공 챔버는 10~50sccm의 아르곤 가스(Ar gas)가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 유지되어야 한다.
한편, 단일 공정을 이용한 CIGS 박막 제조 시 RF Power가 너무 작을 경우(즉, 50W 미만)에는 플라즈마가 형성되지 않을 뿐만 아니라 형성되더라도 이온화되는 아르곤 이온의 양이 너무 적어 기판에 박막을 증착하는데 너무 긴 공정시간이 요구되고, RF Power가 너무 클 경우(즉, 500W 이상)에는 타겟 표면으로부터 스퍼터링된 입자들의 에너지와 양을 늘릴 수 있는 이점은 있으나 너무 큰 전류밀도가 캐소드쪽으로 흐르게 되어 스퍼터링 타겟의 깨짐 현상이 발생할 수 있기 때문에 RF Power는 50W~500W로 인가되는 게 바람직하다.
이에 따라, 인가된 RF Power/타겟 면적 값으로 계산되는 RF Power Density는 0.637~6.366W/㎠(본 발명에서는 4인치 타겟이 사용됨)을 갖게 된다.
한편, 단일 공정을 이용한 CIGS 박막 제조 시 기판의 온도 증가는 스퍼터링된 입자들이 기판에 증착될 때 입자들의 이동도를 증가시켜(즉, 기반부의 열에너지로 인해 입자들의 운동에너지가 증가) 안전된 자리로 입자들이 배치될 수 있도록 하여 박막의 결정화와 치밀화에 영향을 주기 때문에 적정한 공정온도가 중요한데, 통상 상온에서 박막화 공정을 시행하는데에는 문제가 발생하지 않으나, 공정온도가 너무 높으면(즉, 600℃를 초과할 경우) 스퍼터링된 입자들에게 에너지를 공급하여 안정화에 기여하는 역할보다 스퍼터링 타겟의 물성(즉, 융점)에 제한이 생겨 본래의 물성을 잃어버리게 되므로 공정온도(또는 기판 온도)는 상온~600℃가 바람직하다.
마지막으로, 스퍼터링된 입자들이 기판부에 도달하는 거리를 말하는 기판과 타겟과의 거리는 "자유이동경로(mean ferr path)" 개념으로 설명될 수 있는데, 기판과 타겟의 거리가 짧으면(즉, 10㎜ 미만) 스퍼터링된 입자들이 기판으로 이동할 때 플라즈마 시즈(plasma sheath)에 있는 다양한 라디컬(radical), 중성원자, 이온, 전자들과의 충돌로 인해 증착 속도 및 박막의 질이 저하되고, 이격 거리가 너무 길면(즉, 200㎜ 초과) 스퍼터링된 입자들이 기판으로 갈 수 있는 자유이동경로가 길어져 박막의 품질(quality)이 향상되는 이점은 있으나, 스퍼터링된 입자들의 손실률이 증가하여 공정시간이 증가할 뿐만 아니라 타겟 원료 물질의 경제적인 손실이 발생하게 되므로 기판과 타겟은 10㎜~200㎜ 떨어지게 배치되는 게 바람직하다.
한편, 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시킬 때 상기 기판은 상기 스퍼터링 장치 내에서 회전을 하는데, 이러한 기판의 회전으로 인해 상기 기판 위에는 특정 방향(본 발명에서는 (112) 방향)으로 CIGS 박막이 성장하게 된다.
실시 예
먼저, 스퍼터링 장치 내에 기판을 안착시킨다.
이때, 기판은 100×100㎟의 크기를 갖는 소다라임 글래스 기판이 사용된다.
기판을 스퍼러링 장치 내에 안착시킨 후에는 기판 위에 CIGS 박막을 형성하기 위해 스퍼터링 장치에 300W의 RF Power를 인가하고, 스퍼터링 장치 내에 30sccm의 아르곤 가스를 주입하며, 30sccm의 아르곤 가스가 주입된 상태에서 0.43Pa의 압력이 유지되도록 상기 스퍼터링 장치를 제어한다.
한편, 상기 기판과 CIGS 단일 타겟은 둘 사이의 거리가 너무 멀면 품질은 좋아지나 기판 위에서 성장되는 두께가 얇아져 적절한 두께까지 CIGS 박막을 성장시키기 위해 오랜 공정시간이 소요되어 전체적인 제조비용이 증가하기 때문에 적절한 거리를 설정하는 게 바람직하다.
이를 위해, 본 발명에서는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이의 거리가 110㎜ 이격 되게 배치된다.
이때, CIGS 단일 타켓으로는 4인치짜리 CuIn0.8Ga0.2Se2가 사용된다.
이렇게 CIGS 박막을 증착시키기 위한 공정조건이 갖춰지면, 기판이 특정 온도가 되도록 기판 온도를 설정한 후 기판을 회전시키면서 상기 CIGS 단일 타겟을 스퍼터링시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시킨다.
이때, 기판 온도는 각각 R.T(상온), 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃로 설정되는데, 1~15℃/min, 바람직하게는 9℃/min의 속도로 상승(예를 들면, R.T->100℃, 300℃->400℃로 온도가 상승될 때)되고, 각각의 온도에서는 30분~3시간, 바람직하게는 1시간 동안 기판 온도가 유지(예를 들면, 기판이 300℃의 온도를 1시간 동안 유지)된 후 단일 공정 스퍼터링을 통해 기판 위에 CIGS 박막이 성장된다.
이와 같은 제조방법에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 도 3에 도시된 바와 같이 온도가 증가할 수록 입자 크기가 증가하고, 다결정으로 성장된 박막에 비해 기판과의 접착력이 향상되며, (112) 방향으로만 성장하기 때문에 grain boundary 결함문제를 보완할 수 있다.
Tsub(℃) Cu In Ga Se Sum Cu/(In+Ga) Ga/(In+Ga) Se/(Cu+In+Ga)
RT 25.26 20.92 4.73 49.10 100 0.98 0.18 0.96
200 25.74 21.11 4.86 48.29 100 0.99 0.19 0.93
300 25.63 21.19 4.90 48.28 100 0.98 0.19 0.93
400 25.63 21.28 4.95 48.14 100 0.98 0.19 0.93
500 25.52 21.20 4.87 48.41 100 0.98 0.19 0.94
600 25.71 21.37 4.70 48.21 100 0.99 0.18 0.93
평균 25.58 21.18 4.84 48.41 100 0.98 0.19 0.94
CIGS 타겟 25.00 20.00 5.00 50.00 100 1.00 0.20 1.00
표 1은 공정온도에 따라 단일공정 스퍼터링으로 제작된 CIGS 박막의 조성 특성을 나타내는 것이다. 표 1을 통해 알 수 있듯이 본 발명에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 본래의 CIGS 스퍼터링 타겟이 가지고 있는 조성비율(Cu:In:Ga:Se=1:0.8:0.2:2)과 거의 일치하는 박막 특성을 보여준다.
이는 공정조건에 따라 조성이 변화하게 될 경우 CIGS 박막 태양전지의 효율 저하에 큰 영향을 미친다는 면에서 조성적으로 매우 안정적인 CIGS 박막 제작이 가능함을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 도 4에 도시된 CIGS 박막의 XRD 특성에서도 알 수 있듯이 CIGS 박막 특성과 관련된 피크(즉, (112)) 이외에 2차상(secondary phase)은 관찰되지 않은 우수한 결정학적 특성을 나타낸다.
또한, CIGS 박막의 라만 특성을 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이 공정온도 R.T(상온)~600℃에 따라 제작된 CIGS 박막의 A1 피크의 값은 174㎝-1로 동일하고, 공정온도가 증가할수록 피크의 FWHM(반치폭)이 감소하여 CIGS 박막의 결정성이 향상됨을 알 수 있다.
그리고, Cu-Se 또는 OVC(Ordered Vacancy Compounds)와 같은 2차상은 관찰되지 않고, 오직 Ga/(In+Ga)=0.2일 때의 A1 모드 값(174㎝-1)만이 확인되어 단일공정 스퍼터링 공법으로 결정성이 뛰어난 CIGS 박막을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 도 6에 도시된 바와 같이 공정온도가 R.T(상온)에서 600℃로 증가할수록 광학적 밴드갭 에너지가 각각 0.90, 1.04, 1.07, 1.09, 1.11eV로 증가하는 경향을 보여준다.
일반적으로, 최적화된 CIGS 박막의 Ga/(In+Ga)=0.2일 때 광학적 밴드갭 에너지는 대략 1.1eV이나, 저온 공정에서는 chalcopyrite CIGS phase가 형성이 안되어 밴드갭이 낮아지기 때문에 공정온도에 따라 밴드갭 에너지의 편차가 생기게 된다는 것을 알 수 있다.
다시 말해, 도 4 및 도 5에 도시된 CIGS 박막의 XRD 및 라만 특성에서 공정온도가 낮아질수록 그래프의 FWHM(반치폭)이 증가하는 현상을 나타나며 이는 CIGS phase가 형성되었더라도 결정성이 낮아짐을 의미한다.
또한, 본 발명에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 도 7에 도시된 바와 같이 10-2~103Ω㎝의 저항, 1013~1020㎝-3의 캐리어 밀도(carrier density), low~150㎝2/Vs)의 홀 이동속도(Hall mobility)를 갖으며, 공정온도가 600℃일 때 CIGS 박막이 최적의 특성을 나타냄을 알 수 있다.
그리고, 본 발명에 의해 (112) 우선배향으로 성장된 CIGS 박막은 도 8에 도시된 바와 같이 저온에서 성장된 CIGS 박막의 경우 특정 방향으로의 배향성이 없이 무작위 방향으로 CIGS 박막이 성장되기 때문에 도 4와 같이 XRD 회절 피크가 관찰되지 않으나, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 고온(500℃, 600℃)에서 성장된 CIGS 박막은 (112) 우선배향으로 CIGS 박막이 성장되며, 이렇게 성장된 CIGS 박막은 도 4 내지 도 7에 도시되었듯이 안정적인 구조적 특성, 광학적 특성 및 전기적 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법은 GIGS 박막을 특정방향으로만 성장시키기 때문에 다결정성으로 성장된 CIGS 박막에서 발생되는 grain boundary 결함문제를 보완할 수 있으므로 박막 태양전지 소자의 변환 효율을 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계; 상기 CIGS 박막 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및 상기 버퍼층 위에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함한다.
이때, 기판 위에 증착되는 CIGS 박막은 (112) 방향으로 배향되고, CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계에 대한 상세한 설명은 상술한 CIGS 박막 제조방법에서 상세히 설명되었으므로 자세한 설명은 상술한 내용으로 대치하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지는 상술한 박막 태양전지의 제조방법에 의해 제조된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관해서 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (12)

  1. 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 및
    단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계는 {50W~500W(RF Power Density : 0.637~6.366W/㎠)}의 RF Power와 10~50sccm의 아르곤 가스가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 가해지는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.
  6. 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계;
    단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타켓을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계;
    상기 CIGS 박막 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및
    상기 버퍼층 위에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 CIGS 박막은 (112) 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계는 {50W~500W(RF Power Density : 0.637~6.366W/㎠)}의 RF Power와 10~50sccm의 아르곤 가스가 주입된 상태에서 0.1Pa~1.0Pa의 압력이 가해지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  12. 청구항 6 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 박막 태양전지.
KR1020130158514A 2013-12-18 2013-12-18 Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 KR101552968B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158514A KR101552968B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158514A KR101552968B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150071458A true KR20150071458A (ko) 2015-06-26
KR101552968B1 KR101552968B1 (ko) 2015-09-14

Family

ID=53517741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130158514A KR101552968B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101552968B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102291130B1 (ko) * 2018-12-28 2021-08-18 한국에너지기술연구원 Cigs 박막형 광흡수층의 제조방법, 이를 이용한 박막 태양 전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 박막 태양 전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR101552968B1 (ko) 2015-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101274857B1 (ko) 태양 전지의 흡수층 상에 산화층을 증착하는 방법, 태양 전지 및 방법의 사용
KR101628312B1 (ko) ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 ＣＺＴＳＳｅ계 박막 태양전지
US9559247B2 (en) Photovoltaic device containing an N-type dopant source
KR101747395B1 (ko) Cigs 광전변환 소자의 몰리브데넘 기판
TWI442582B (zh) 用於太陽能電池的氧化鎘鋅緩衝層
US10211351B2 (en) Photovoltaic cell with high efficiency CIGS absorber layer with low minority carrier lifetime and method of making thereof
KR20150142094A (ko) 원자층 증착법으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법
US8247686B2 (en) Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making
KR101542343B1 (ko) 박막 태양전지 및 이의 제조방법
KR101777598B1 (ko) 태양전지 제조방법
KR101582200B1 (ko) Ｃｚｔｓ계 태양전지용 박막의 제조방법 및 이를 통해 제조된 박막을 포함하는 czts계 태양전지
KR101734362B1 (ko) Ａｃｉｇｓ 박막의 저온 형성방법과 이를 이용한 태양전지의 제조방법
KR101552968B1 (ko) Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
US8188562B2 (en) Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making
KR102057234B1 (ko) Cigs 박막 태양전지의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 cigs 박막 태양전지
KR102227799B1 (ko) Ｃｉｇｓ 박막 태양전지 제조방법
KR101541450B1 (ko) Czts계 박막 태양전지의 제조방법
US9472708B2 (en) Method of fabricating copper indium gallium selenide (CIGS) thin film for solar cell using simplified co-vacuum evaporation and copper indium gallium selenide (CIGS) thin film for solar cell fabricated by the same
KR101462498B1 (ko) Cigs 흡수층 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR20150064930A (ko) 유연성을 갖는 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR101406704B1 (ko) 동시진공증발공정 기반의 CZTSe 광흡수층 제조방법
KR101552967B1 (ko) 단일 공정을 이용한 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
KR20150136721A (ko) 고품질 cigs 광흡수층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법
KR101410673B1 (ko) Ｃｉｇｓ박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｉｇｓ박막 태양전지
KR20140133139A (ko) 광흡수층의 제조방법

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: 20180702

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190625

Year of fee payment: 5