WO2021107221A1 - Cis 계 박막, 이를 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Cis 계 박막, 이를 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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이도권
김승태
이장미
장윤희
김인호
정증현
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한국과학기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a CIS-based thin film doped with a small amount of sulfur, a solar cell including the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, the sulfur component content in the CIS-based thin film is very low and the distribution of sulfur is uniform in the thin film.
  • CIS-based thin film with improved photovoltage and filling rate by the effect of preventing chemical recombination of defects by sulfur addition without causing crystallinity and bandgap change of the selenide CIS-based thin film, solar cell including the same, and manufacturing method thereof is about
  • the photoelectric conversion efficiency of a CIS-based compound thin film solar cell containing CIS (CuInSe 2 , copper indium selenide) or CIGS (Cu(In 1-x Ga x )Se 2 , indium gallium selenide) is It is more than 20% higher than other thin film solar cells and has excellent long-term stability compared to organic solar cells, so it is in the spotlight as a solar cell that can replace crystalline silicon solar cells.
  • the CIS-based compound semiconductor can control the relative ratio of indium (In) and gallium (Ga) among its constituent elements and replace all or part of selenium (Se) with sulfur (S), and thus Cu ( (In 1-x Ga x )(Se 1-y S y ) 2 It is possible to control the composition range during the manufacturing process of the thin film. In this way, the CIS-based compound semiconductor can control the properties of the thin film, including the band gap, according to the composition of the compound. It is known that photoelectric characteristics including absorption wavelength band, photovoltage (or open circuit voltage) and photocurrent of the solar cell can be controlled by manufacturing a solar cell with a compound of a desired composition.
  • the CIS-based compound thin film can be prepared by performing a selenization or sulfurization reaction and crystal growth from a precursor thin film through a heat treatment process.
  • a heat treatment process selenium or sulfur or a compound gas such as hydrogen sulfide (H 2 S) containing the same can be supplied to cause selenization or sulfide reaction, and by controlling the heat treatment process parameters including the process temperature, crystal growth or fine Thin film properties such as structural change and element distribution can be controlled.
  • alkali element doping method which includes alkalis such as sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), and cesium (Cs).
  • Elements can be added to CIGS thin films to control the properties of thin films and improve solar cell performance.
  • alkali elements in the case of Na, a process of using soda-lime glass as a substrate to diffuse Na contained in a glass substrate during a thin film process and the effect of improving solar cell performance have been well known.
  • alkali elements have the advantage of being able to see an improved effect than Na through doping, the use of an additional compound containing an alkali element and the introduction of an additional process for the addition increases the complexity of the overall solar cell manufacturing. there is a problem.
  • Another one of the effects of doping the above-described CIS or CIGS thin film is improvement of defect properties in the thin film.
  • point defects such as vacancies of copper (Cu) or selenium (Se) may appear in the crystal lattice during the manufacturing process, and they cause recombination of electron-hole pairs in the semiconductor. It acts as a position and causes deterioration of the photo voltage, fill factor (fill factor) and photoelectric efficiency of the solar cell. Therefore, it is most important to suppress such recombination in order to improve the performance of the solar cell.
  • the CIS-based solar cell characteristics are improved by the passivation effect of Cu vacancies. There is also an opinion.
  • the perovskite-based tandem solar cell structure which is being researched and developed competitively by many researchers around the world, it is optimal to respond to the band gap (1.6 eV) of the upper cell perovskite, which exhibits the highest photoelectric performance.
  • the lower cell bandgap of is known to be about 1.0 eV theoretically, which corresponds to the bandgap of CuInSe 2 .
  • the selenide inde band gap of the CuInS 2 all of the selenium in the CuInSe 2 is replaced by sulfur is about 1.5 eV, if for the purpose of improving the photoelectric efficiency of the CuInSe 2 solar cell to introduce a large amount of sulfur, CuInSe 2 solar cell
  • the bandgap of may become large, and as a result, it may deviate from the optimal bandgap range for the lower cell of the tandem solar cell.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and the technical problem to be solved by the present invention is to provide a CIS-based light absorption layer thin film having a very low sulfur doping concentration, thereby introducing sulfur (addition, incorporation, doping, or incorporation). ), to provide a high-quality CIS-based compound thin film that has no crystallinity deterioration of the thin film, uniform distribution of sulfur in the thin film, no or insignificant band gap increase, and passivation of defects such as selenium vacancies in the light absorption layer.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is that it is possible to reduce the solar cell efficiency loss due to recombination by the defect chemical recombination prevention effect by sulfur, without increasing the band gap of the thin film, and thus the open circuit voltage and filling rate
  • An object of the present invention is to provide an improved and highly efficient CIS-based thin film solar cell.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method capable of adding a small amount of sulfur by controlling the method of supplying sulfur and the method of heat treatment in the process of heat-treating the CIS-based precursor thin film.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method capable of adding a small amount of sulfur without inhibiting the crystallinity and microstructure obtained through the selenization reaction.
  • another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of adding a small amount of sulfur without a gradient of sulfur concentration depending on the position in the thin film by making the sulfur distribution uniform in the CIS-based thin film.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of maintaining the bandgap while adding a small amount of sulfur so that there is no bandgap change that appears while the composition of the CIS-based thin film is changed by the addition of a large amount of sulfur.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for passivating selenium vacancies that may appear in the CIS-based thin film by adding a small amount of sulfur in the selenization process of the CIS-based thin film.
  • the CIS-based thin film has a composition of the following formula,
  • a CIS-based thin film having a sulfur doping concentration of 0.1 to 4 at% is provided.
  • a and B are each independently any one element selected from the group consisting of In, Ga, Zn, Sn and Al, and 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the doping concentration of sulfur in the CIS-based thin film is in the range of 0.2 to 2 at%.
  • the CIS-based thin film has a bandgap in the range of 1.00 to 1.01 eV.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the sulfur concentration in the depth direction of the CIS-based thin film excluding the surface area is within 1 at%.
  • the CIS-based thin film is a tandem solar cell in which a CIS-based solar cell structure is stacked together with a perovskite solar cell.
  • a solar cell used as a light absorption layer of a CIS-based solar cell when constructing a solar cell is provided.
  • Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a CIS-based thin film, the method comprising: forming a CIS-based thin film having the following equation; and introducing sulfur into the CIS-based thin film at a doping concentration of 0.1 to 4 at%.
  • a and B are each independently any one element selected from the group consisting of In, Ga, Zn, Sn and Al, and 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the step of forming the CIS-based thin film is formed through a sputtering method, an electrodeposition method, a solution method, a nanoparticle method, or a co-evaporation method.
  • the step of forming the CIS-based thin film includes a selenization heat treatment step
  • the step of introducing the sulfur is a method of performing a sulfide heat treatment before the selenization heat treatment step, a sulfide heat treatment after the selenization step. It may be a method of proceeding, or a method of simultaneously performing selenization-sulfiding heat treatment.
  • a CIS-based thin film in the range of 0.1 to 4 at%, which is much lower than the sulfur doping concentration (typically 10 at% or more) by the sulfiding process of a conventional CIS-based thin film.
  • the present invention it is possible to provide a high-quality CIS-based thin film in which the influence of selenium vacancies is reduced chemically by passivating point defects such as selenium vacancies in the light absorption layer by introducing a small amount of sulfur.
  • the present invention by adding a small amount of sulfur in the thin film, while having an anion vacancy passivation effect, high quality of the CIS-based thin film without deterioration of crystallinity and microstructure that may be involved in the conventional heat treatment process of adding a large amount of sulfur It is possible to provide a CIS-based thin film having crystallinity and microstructure.
  • a CIS-based thin film in which the distribution of sulfur is uniform throughout the thin film without a gradient of sulfur concentration depending on the position in the thin film that may be caused by the conventional heat treatment process in which a large amount of sulfur is added.
  • a CIS-based thin film having an anion vacancy passivation effect including sulfur without an increase in the band gap, which is usually accompanied by the addition of a large amount of sulfur.
  • point defect passivation such as selenium vacancies is possible without crystallinity deterioration of the thin film that may occur during the process of adding a large amount of sulfur, a sulfur concentration gradient in the thin film, and a band gap change due to a change in the composition of the thin film.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of improving solar cell characteristics without changing the band gap of a CIS-based thin film by introducing a small amount of sulfur according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is the upper limit of the concentration of sulfur doping band It is a diagram showing the change of the gap.
  • FIG. 3 is a cross-sectional SEM photograph of a CIS-based thin film manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional SEM photograph of a CIS-based thin film prepared according to Comparative Example 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the XRD pattern of the CIS-based thin film prepared according to an embodiment of the present invention and Comparative Examples 1 and 2;
  • Example 10 is a graph showing a comparison of PL spectra of thin films prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a procedure of a method for manufacturing a CIS-based compound thin film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the principle of improving solar cell characteristics without changing the band gap of a CIS-based thin film by introducing a small amount of sulfur according to an embodiment of the present invention.
  • the definition of the CIS-based thin film according to an embodiment of the present invention is as follows.
  • a and B are each independently any one element selected from the group consisting of In, Ga, Zn, Sn and Al, and 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • CIS-based thin film examples include a copper indium selenium (CIS) thin film, a copper indium gallium selenium (CIGS) thin film, and a zinc tin selenium (CZTS) thin film.
  • CIS copper indium selenium
  • CGS copper indium gallium selenium
  • CZTS zinc tin selenium
  • the sulfur doping concentration it is preferable to configure the sulfur doping concentration to be 0.1 at% or more and less than 4 at%. If the concentration of sulfur is less than 0.1 at%, the selenium vacancy passivation effect may be insignificant, and if it is 4 at% or more, the microstructure and crystallinity may decrease or the bandgap may increase to 1.02 eV or more, which is more than necessary. This will be described later in detail.
  • the CIS-based thin film is used as a light absorption layer, and point defects such as selenium vacancies may appear in the crystal lattice during the manufacturing process. Since the photoelectric efficiency may be deteriorated, it is important to suppress recombination due to such point defects in order to improve the performance of the solar cell.
  • the concentration of selenium vacancies causing recombination in the CIS-based thin film is usually within 1 at%, it is estimated that the amount of sulfur doping required for their passivation is about several at%. Therefore, it is possible to provide a CIS-based thin film in which selenium vacancies are passivated without causing a band gap change as illustrated in FIG. 1 by introducing a small amount of sulfur.
  • Anion doping is required to passivate selenium vacancies that may occur in the CIS-based thin film, and it is estimated that sulfur (S) introduced for various purposes can play a role in filling selenium vacancies.
  • S sulfur
  • a certain amount of sulfur component (at% or more at double digits) is introduced through the sulfiding process that is usually performed, and as a result, the concentration of the sulfur component in the depth direction of the thin film whether intentionally or not (atomic concentration ratio or atomic ratio or [S]/([Se])+[S])) gradient may be formed, and accordingly, the bandgap of the CIS or CIGS thin film (or the bandgap distribution in the thin film depth direction) may be changed.
  • sulfide has a smaller lattice constant than selenide in CIS-based compounds
  • deterioration of the microstructure (or crystallinity) of the thin film is accompanied by lattice shrinkage during the sulfiding process in which sulfur is introduced. That is, the microstructure including crystallinity and grain size of the thin film obtained through the heat treatment process of adding a large amount of sulfur to the CIS-based thin film may be worse than that obtained through the selenization heat treatment process.
  • the present inventors tried to secure an appropriate sulfur doping concentration to maintain the microstructure, crystallinity, and band gap at a certain level while securing the passivation effect of selenium vacancies.
  • the lower limit of the sulfur doping concentration for realizing the effect of the present invention corresponds to the point at which the passivation effect of selenium vacancies begins to appear.
  • the concentration of sulfur in the CIS-based thin film prepared by Comparative Example 1 was 0.1 at% or less
  • the passivation effect was absent or insignificant.
  • the sulfur concentration was 0.1 at% It was confirmed that it should be abnormal.
  • the lower limit of the sulfur doping concentration is preferably 0.1 at%, more preferably 0.2 at%.
  • the microstructure, crystallinity, and band gap correspond to the main judgment basis.
  • the bandgap corresponds to the main characteristic.
  • the band gap increases from 1.0 eV when the sulfur doping concentration is 0 to about 11 at% when the sulfur doping concentration increases to 1.06 eV.
  • the band gap of the CIS-based thin film deviates from this, current matching becomes difficult when composing a tandem solar cell with a perovskite solar cell with a band gap (1.6 eV) that exhibits the highest photoelectric efficiency.
  • the band gap of the present invention approaches 1.0 eV, more improved characteristics are ensured, and therefore, a more preferable band gap may be 1.0 eV to 1.01 eV. Therefore, the upper limit of the preferred concentration of sulfur doping can be specified as 4 at% corresponding to a band gap of 1.02 eV (see FIG. 2 ). More preferably, the upper limit of the sulfur doping concentration is 2 at% corresponding to 1.01 eV.
  • the crystallinity was generally decreased as the sulfur doping concentration increased.
  • the upper limit of the appropriate concentration of sulfur doping could be specifically specified through the band gap and crystallinity.
  • FIG. 3 4, and 5 are a CIS-based thin film prepared according to an embodiment of the present invention and containing a trace amount of sulfur, a CIS-based thin film prepared according to Comparative Example 1 of the present invention and not containing sulfur; And it is a cross-sectional SEM photograph of a CIS-based thin film prepared according to Comparative Example 2 of the present invention and containing a large amount of sulfur, and FIG. 6 is a cross-sectional SEM photograph of the CIS-based thin film prepared by an embodiment of the present invention and Comparative Examples 1 and 2 It is a graph showing the XRD pattern.
  • the CIS-based thin film prepared according to Comparative Example 2 of the present invention and containing a large amount of water suffers microstructure and crystallinity deterioration compared to the thin film not containing sulfur, whereas the present invention
  • the CIS-based thin film prepared according to an embodiment of the present invention and containing a trace amount of sulfur it is characterized in that no clear microstructure and crystallinity deterioration were observed compared to the thin film not containing sulfur.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the sulfur concentration in the depth direction of the CIS-based thin film is preferably formed within 5 at%. More preferably, it may be within 1 at%.
  • the sulfur concentration gradient in the CIS-based thin film is greater than 1 at%, the band gap and charge transfer characteristics of the thin film may become non-uniform depending on the position in the thin film.
  • the concentration of sulfur in the CIS-based thin film according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is 0.1 to 4 at%.
  • the sulfur concentration in the CIS-based thin film is much lower than that by a conventional sulfiding process (tens of at% or more), and may be 0.1 to 4 at% as an approximate value, but more preferably 0.2 to 2 can be at%. If the sulfur doping concentration is less than 0.2 at%, the selenium vacancy passivation effect may be insignificant, and if it is 2 at% or more, the microstructure and crystallinity may decrease or the bandgap may increase to 1.01 eV or more.
  • the band gap of the CIS-based thin film prepared by Comparative Example 2 and containing a large amount of sulfur was 1.06 eV, indicating a distinct increase compared to 1.01 eV of the thin film not containing sulfur, whereas the one of the present invention
  • the CIS-based thin film prepared according to the embodiment and containing a trace amount of sulfur is characterized in that it has almost the same band gap as the thin film not containing sulfur.
  • the band gap of the CIS-based thin film may be in the range of 0.98 to 1.02 eV, more preferably 1.00 to 1.01 eV. If the bandgap of the CIS-based thin film is smaller than 1.00 eV or larger than 1.01 eV, current matching becomes difficult when composing a tandem solar cell with a perovskite solar cell with a bandgap (1.6 eV) that exhibits the highest photoelectric efficiency. can
  • FIG. 9 is a graph showing the current-voltage characteristics of the CIS-based solar cell device manufactured according to an embodiment and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention
  • FIG. 10 is a graph showing an embodiment and Comparative Example 1 of the present invention. It is a graph showing the comparison of the PL spectra of the thin films.
  • the CIS-based solar cell prepared by Comparative Example 2 and containing a large amount of sulfur has worse photoelectric properties compared to the solar cell not containing sulfur due to the deterioration of the microstructure and crystallinity of the thin film, whereas ,
  • the CIS-based thin-film solar cell containing a trace amount of sulfur produced by an embodiment of the present invention is characterized in that the photoelectric efficiency is increased due to the improvement of the open circuit voltage and the filling rate, compared to the solar cell not containing the sulfur.
  • the CIS-based thin film solar cell according to the present invention is characterized in that it has a significantly lower selenium vacancies due to the defect chemical role of sulfur to passivate the selenium vacancies.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a procedure of a method for manufacturing a CIS-based compound thin film according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method of the CIS-based compound thin film can be divided into a step before introducing sulfur and a step of introducing sulfur, and the thin film before the step of introducing sulfur is prepared by a sputtering method, an electrodeposition method (electrochemical method, electrodeposition, electrochemical deposition), solution method, nanoparticle method, co-evaporation method, etc.
  • a sputtering method an electrodeposition method (electrochemical method, electrodeposition, electrochemical deposition), solution method, nanoparticle method, co-evaporation method, etc.
  • the method of manufacturing the CIS-based thin film using an electrodeposition method includes the steps of preparing an electrolyte solution by mixing a predetermined precursor and a solvent (S100); a circuit configuration step 200 of configuring an electrodeposition circuit by connecting an electrochemical cell including the electrolyte solution, a working electrode, and a counter electrode to a voltage or current applying device; It may include a thin film forming step 300 in which a thin film is electrodeposited by applying a reducing voltage or current to the working electrode using the voltage or current applying device.
  • the electrolyte solution is potassium chloride (KCl) sulfamic acid (HSO 3 NH 2 ), potassium hydrogen phthalate ((KOOC)C 6 H 4 COOH), selenium dioxide (SeO 2 ), copper chloride dehydrate (copper chloride dehydrate) and indium chloride ( Indiumchlorid) may be generated by dissolving at least any one or more of them in distilled water to a predetermined pH, and the electrochemical cell described herein further comprises a counter electrode formed of platinum and a reference electrode formed of silver or silver chloride in addition to the working electrode. may include
  • the electrolyte solution may contain additives such as precursors of elements constituting the CIS-based compound, solvents and other counterion sources and complexing agents.
  • Precursors include, for example, chlorides of metals such as copper (Cu), indium (In), gallium (Ga), tin (Zn), zinc (Sn), silver (Ag) and aluminum (Al) or alloys of two or more thereof, It may be sulfate, nitrate, acetate, or hydroxide, and may be a non-metal precursor such as selenium oxide (SeO 2 ), selenic acid (H 2 SeO 3 ) or selenium chloride (SeCl 4 ), but in various embodiments of the present invention
  • the precursor used may be used without limitation as long as it is a material or compound capable of forming a CIS-based thin film by electrodeposition by an electrodeposition method.
  • the atomic ratio of Cu, In, and Se contained in the electrolyte solution including these precursors is 0.8 to 1.2: 1 to 5: It may be 1.8 to 2.2.
  • the above-described atomic ratio may be 1:4:2.
  • an electrolyte solution is prepared by mixing the above-mentioned predetermined precursor with a suitable solvent.
  • the available solvent is an electrolytic solution suitable for performing the electrodeposition method while the precursor can be dissolved.
  • Any solvent having conductivity may be used without limitation.
  • the solvent used in preparing the electrolyte solution of the circuit construction step ( S200 ) may be water, alcohol, or a mixture of water and alcohol.
  • the pH of the electrolyte solution prepared by mixing the precursor and the solvent through the circuit configuration step ( S200 ) may be maintained in the range of 1.5 to 3. This is because, when the pH of the electrolyte solution is less than 1.5 or exceeds 3, it is difficult to prepare a uniform thin film, and a problem of precipitation of highly conductive plates such as CuSe may occur. However, it is not necessarily limited to these pH values.
  • the electrolyte solution may further include a supporting electrolyte and a complexing agent as an additive in addition to the precursor and the solvent.
  • the supporting electrolyte is for increasing the electrical conductivity of the electrolyte solution, and may be formed of, for example, potassium chloride (KCl) or lithium chloride (LiCl).
  • the complexing agent is a material for controlling the mobility of specific ions in the electrolyte solution, for example, triethanolamine (N(CH 2 CH 3 ) 3 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ), tartaric acid (C 4 H) 6 O 6 ), from the group consisting of sulfamic acid (NH 2 SO 3 H), sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 ) and potassium hydrogen phthalate (C 8 H 5 KO 4 ), potassium thiocyanate (KSCN) Any one selected or a mixture of two or more may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • An electrodeposition circuit using an electrochemical cell may be constructed by filling an electrolyte solution inside an electrolytic bath, and including a substrate, a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and the like, in addition to a light source for providing light, that is, Lighting and the like may be additionally provided separately.
  • the electrolytic bath may use a transparent material such as quartz or glass to facilitate light transmission.
  • the working electrode is a substrate on which a CIS-based thin film, which is a light absorption layer, is electrodeposited, and may be a substrate including molybdenum.
  • a substrate including molybdenum has excellent electrical conductivity, is relatively inexpensive, has a thermal expansion coefficient similar to that of a CIS-based compound as a light absorption layer, and has excellent ohmic contact.
  • a metal substrate may be used as the substrate, and when the metal substrate is used, molybdenum may not be included, and in this case, there is no particular limitation on the material of the substrate.
  • an electrode made of a material commonly used in the electrodeposition method may be widely used, and matters regarding the size and shape thereof may be variously configured without any particular limitation.
  • a platinum (Pt) electrode may be used as the counter electrode.
  • the thin film formation step (S300) through the application of current or voltage may be performed, for example, at room temperature and normal pressure, that is, a temperature of 0 to 80 ° C and 0.9 to 1.1 atm, and a voltage (DC voltage) for applying a current.
  • the current applied by) may be a voltage in the range of -0.4 to -0.6 V (eg, -0.5 V), but is not limited thereto.
  • the voltage application time may be 1 to 130 minutes.
  • the process of applying a reducing voltage or current to the working electrode by the current or voltage supply device and the process of irradiating light toward the light blocking means using a light source may be performed together.
  • the thin film forming step (S300) is different from the above, Cu, In, Ga, Se individual elements, or individual elements two or more alloys (eg, Cu-In, Cu-Ga), or a compound of two or more individual elements It may be a step of stacking (eg, Cu-Se, In-Se, Ga-Se) in a multilayer stack, and then forming a CIGS-based thin film (or a CIGS-based single film) through a heat treatment process.
  • This thin film formation method can secure a relatively faster process speed than the thin film formation method by the above-described electrodeposition circuit, and can be applied to an inline process.
  • the method for manufacturing the compound thin film may further include a heat treatment step ( S400 ) after the thin film forming step ( S300 ).
  • the thin film generated according to the thin film forming step (S300) may be heat-treated, for example, under a selenium (Se)-containing gas atmosphere, but it is not necessarily performed under a selenium-containing gas atmosphere.
  • the heat treatment may be performed, and the heat treatment temperature and time may be variously set.
  • the heat treatment step (S400) is a process for densification of the microstructure through phase formation or grain growth of the electrodeposited compound thin film, in which case the heat treatment temperature may be 300 °C to 600 °C.
  • molybdenum selenide MoSe 2
  • molybdenum selenide of an appropriate thickness increases adhesion and ohmic contact. can make it excellent.
  • an appropriate thickness may be set to 50 to 150 nm, but is not necessarily limited thereto.
  • the method of supplying selenium in the heat treatment step (S400) may be a method of heating solid selenium pellets to evaporate.
  • the method of supplying sulfur is (1) a method of performing a sulfidation heat treatment before the selenization heat treatment step, (2) a method of performing a sulfidation heat treatment after the selenization step, or (3) co-selenization-sulfidation heat treatment. could be a way to do it.
  • the method of sulfiding heat treatment before the selenization heat treatment step is to put the CIS-based thin film at 100 to 150 ° C. while heating the sulfur powder at 250 to 350 ° C., and to allow sulfur to condense on the surface of the CIS-based thin film for 3 to 7 minutes.
  • the method of sulfiding heat treatment after the selenization step is to place the CIS-based thin film at 150 to 200 o C, flow hydrogen sulfide gas (H 2 S, 1%) and further perform the sulfiding process for 1 to 30 minutes.
  • the co-selenization-sulfidation heat treatment method is, in the heat treatment step, the sulfur powder is placed at a position of 120 to 140 ° C. co-selenization-sulfiding process may be performed.
  • a method of manufacturing a CIS-based compound thin film according to an embodiment of the present invention is as follows. Molybdenum (Mo) having a thickness of 0.5 ⁇ m was deposited on soda-lime glass as a back electrode by DC sputtering. In order to form the CIS-based light absorption layer precursor thin film, an electrochemical deposition (hereinafter referred to as electrodeposition) method was used. The electrodeposition process was performed using a standard three-electrode cell connected to AMETEK's PARSTS MC potentiometer. A silver-silver chloride electrode (Ag/AgCl) was used as a reference electrode, a platinum (Pt) substrate as a counter electrode, and molybdenum deposited on soda-lime glass as a working electrode.
  • the electrolyte solution for electrodeposition was prepared by dissolving potassium chloride, sulfamic acid, potassium hydrogen phthalate, selenium dioxide, copper chloride dihydrate, and indium chloride in distilled water so that the pH was maintained at 2.2. After immersing the three-electrode cell in the prepared solution, -0.54 V was applied to the working electrode for 5400 seconds to form a CIS-based precursor thin film with a thickness of about 1.5 ⁇ m.
  • Process A for adding a trace amount of sulfur In order to prepare a CIS-based thin film in which a trace amount of sulfur is added (incorporation, introduction, doping or incorporation), sulfur is pre-depositioned on the prepared CIS-based precursor thin film, followed by a selenization process was performed ( Step A ).
  • sulfur (S) powder was put into an alumina crucible in a quartz tube of a tube furnace and evaporated at 300 °C. At this time, the CIS-based precursor thin film was placed in the tube furnace. A portion of the evaporated sulfur was induced to be condensed on the precursor thin film for 5 minutes by placing it at a temperature of 130 °C.
  • Selenization process In order to selenize the CIS-based precursor thin film on which the sulfur film is formed, a selenium (Se) source was put into the tube electric furnace and the temperature of the precursor thin film was heated to 580 ° C., and a heat treatment process was performed for 30 minutes. At this time, to control the selenium atmosphere inside the reactor, selenium (Se) was put into an alumina crucible in a quartz tube and evaporated at 300 °C, and argon (Ar) gas was constantly flowed at a rate of 100 sccm.
  • Process B for adding a trace amount of sulfur is, after heat-treating the prepared CIS-based precursor thin film as in the selenization process, While flowing hydrogen sulfide gas (H 2 S, 1%) at a relatively low thin film temperature (eg, 150 to 200 o C), the sulfiding process may be additionally performed for 1 to 30 minutes ( Step B ).
  • H 2 S hydrogen sulfide gas
  • Process C for adding a trace amount of sulfur Another method for producing a CIS-based thin film doped with a trace amount of sulfur is to heat the sulfur powder in a tube electric furnace slightly higher than the melting point of sulfur (115 °C) in the selenization process. It may be placed in a position of 120 to 140 ° C. in the co-selenization-sulfurization process ( process C ).
  • FIG. 3 A scanning electron microscope (FE-SEM, Inspect F50) was used to observe the cross-sectional morphology of the CIS-based thin film to which a trace amount of sulfur was added, prepared through the process A according to an embodiment of the present invention, and the results are shown in FIG. 3 shown in Referring to FIG. 3, the microstructure of the CIS-based thin film subjected to selenization heat treatment by pre-deposition of sulfur on the CIS-based precursor thin film prepared by electrodeposition is the sulfur-free thin film of Comparative Example 1 (FIG. 4) and Similarly, it can be confirmed that the fracture surface of inter-grain cleavage is observed.
  • FE-SEM, Inspect F50 was used to observe the cross-sectional morphology of the CIS-based thin film to which a trace amount of sulfur was added, prepared through the process A according to an embodiment of the present invention, and the results are shown in FIG. 3 shown in Referring to FIG. 3, the microstructure of the CIS-based thin film subjected to sel
  • a CIS-based precursor thin film is formed by the same electrodeposition method using the same electrolyte solution as in the above-described embodiment, and the selenization process is performed without additional measures for adding sulfur.
  • a CIS-based light absorption layer thin film not containing sulfur was prepared ( Step D ).
  • Step E of adding a large amount of sulfur In order to prepare a CIS-based thin film in which a large amount of sulfur is added (incorporation, doping, or incorporation), the CIS-based precursor thin film is prepared by the same electrodeposition method using the same electrolyte solution as in the above-described embodiment. To form a, but proceed with an additional sulfiding process after the selenization process as in step B, but at a relatively high thin film temperature (eg, 300 to 500 o C; in Comparative Example 2, 500 o C) hydrogen sulfide gas (H 2 S, 1%) was flowed through the sulfiding process to prepare a light absorption layer thin film ( Step E ).
  • a relatively high thin film temperature eg, 300 to 500 o C; in Comparative Example 2, 500 o C
  • hydrogen sulfide gas H 2 S, 1%) was flowed through the sulfiding process to prepare a light absorption layer thin film ( Step E ).
  • Step F of adding a large amount of sulfur Another method for manufacturing a CIS-based thin film doped with a large amount of sulfur is to deposit a CIS-based precursor thin film by the same electrodeposition method using the same electrolyte solution as in the above-described embodiment. Formed, and put sulfur powder in the tube electric furnace during the selenization process as in process C, the temperature of the sulfur powder is placed at a position higher than 150 ° C. It may be to proceed with the co-selenization-sulfidation process ( process F ) .
  • the thin film containing no sulfur of Comparative Example 1 Similarly, it can be seen that the sulfur concentration in the entire thickness of the thin film is very low, within 1 at%.
  • the sulfur concentration shows a constant value, and according to AES analysis, this value corresponds to about 2-3 at%
  • the concentration of sulfur in the thin film according to an embodiment of the present invention is at a level of 0.2 at%, and it is determined that the concentration of sulfur in the thin film according to Comparative Example 2 is 0.1 at% or less. That is, according to the present invention, the sulfur doping concentration is 0.2 at% (by AES, SIMS analysis) to 2 at% (EDS, XRD), which is much lower than that by the sulfiding process of a conventional CIS-based thin film (several at% or more). It can be seen from the analysis that it is possible to provide a CIS-based thin film in the range).
  • the sulfur distribution inside the CIS-based thin film prepared according to the example of the present invention is also substantially uniform over the entire thickness of the thin film, so that the maximum and minimum values of the sulfur concentration It can be seen that the difference between the values is less than 1 at%. According to the present invention, it is possible to provide a CIS-based thin film in which the distribution of sulfur is uniform throughout the thin film without a concentration gradient of sulfur, which is usually observed when an excess of sulfur is added for the purpose of adjusting the band gap of a CIS-based thin-film solar cell. shows
  • the prepared CIS-based thin film was immersed in an aqueous solution in which cadmium sulfate, thiourea, aqueous ammonia and distilled water were mixed at 60 ° C.
  • a CdS thin film which is a buffer layer, was coated by chemical solution growth method for 10 minutes in a furnace, and an intrinsic ZnO layer and an aluminum-doped zinc oxide (Al-doped ZnO) layer were applied thereon by RF-magnetron sputtering.
  • a window layer was formed by vapor deposition.
  • a solar cell device was manufactured by depositing nickel and aluminum layers with a thickness of 50 nm and 400 nm, respectively, using a vacuum evaporator thereon.
  • the light absorption layer bandgap of the thin film solar cell devices prepared in Examples and Comparative Examples 1 and 2 was extracted from the external quantum efficiency measured using a Photon-to-current conversion efficiency measurement system (PV Measurements), and the The results are shown in FIG. 8 .
  • the band gap of the CIS-based thin film prepared in Comparative Example 1 and not containing sulfur was measured to be 1.01 eV.
  • the band gap of the CIS-based thin film prepared according to the embodiment of the present invention and containing a trace amount of sulfur was measured to be 1.01 eV, the same as that of the thin film not containing sulfur.
  • the solar cell manufactured by Comparative Example 1 has an open circuit voltage (V OC ) 0.400 V, short-circuit current density (j SC ) 36.0 mA/cm 2 , a filling factor (FF) 0.607, and photoelectric conversion efficiency (Eff) was measured to be 8.75%, whereas the solar cell prepared by Comparative Example 2 had very low photoelectric characteristics of an open circuit voltage of 0.318 V, a short-circuit current density of 16.7 mA/cm 2 , a filling factor of 0.440, and a photoelectric conversion efficiency of 2.34%.
  • the CIS-based thin film prepared by Comparative Example 2 and containing a large amount of sulfur had an increased bandgap than the thin film prepared by Comparative Example 1 and not containing sulfur, but due to deterioration of microstructure and crystallinity It is estimated that the characteristics of the solar cell have deteriorated.
  • the solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention was measured to have an open circuit voltage of 0.461 V, a short circuit current density of 34.7 mA/cm 2 , a filling factor of 0.680, and a photoelectric conversion efficiency of 10.9%.
  • the CIS-based solar cell prepared according to the embodiment of the present invention and containing a trace amount of sulfur significantly increased the open circuit voltage, the filling rate and the photoelectric conversion efficiency compared to the CIS-based solar cell not containing the sulfur of Comparative Example 1. , This is because, as a small amount of sulfur is added, due to the defect chemical role of sulfur in passivation of selenium vacancy present in the CIS-based thin film, the open circuit voltage and loss of fill factor of the CIS-based solar cell due to recombination was suppressed. is judged to be due to
  • the defect causing the recombination characteristic difference described above is that of sulfur. It is a binding species that can cause a change in concentration by introduction, and this is very likely to be the vacancy of the selenium site, which is the same anion.
  • the present invention through the process of adding a small amount of sulfur to the CIS-based light absorption layer thin film, there is no crystallinity deterioration of the thin film due to the introduction of sulfur, the distribution of sulfur in the thin film is uniform, and there is no increase in the band gap. , it is possible to provide a high-quality CIS-based compound thin film capable of passivation of defects such as selenium vacancies in the light absorption layer. In addition, without increasing the band gap of the thin film, it is possible to reduce the solar cell efficiency loss due to recombination due to the defect chemical recombination prevention effect due to the introduction of sulfur, and thus a high-efficiency CIS-based thin film solar cell with improved photovoltage and filling rate can provide

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Abstract

본 발명은 CIS 계 박막에 있어서, CIS계 박막 내부에 황의 도핑 농도가 0.1 내지 4 at%가 되도록 함으로써, 미세구조, 결정성 및 밴드갭의 변화는 일으키지 않으면서도, 황 첨가에 의한 결함화학적 셀레늄 빈자리 결함 패시베이션이 가능한 고품위의 CIS 계 박막을 제공할 수 있다. 상기의 박막을 활용하여 광전압 및 충진율이 개선되어 광전 성능이 향상된 CIS 계 태양 전지를 제공할 수 있다.

Description

CIS 계 박막, 이를 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법
본 발명은 황이 미량 도핑된 CIS 계 박막, 이를 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, CIS 계 박막 내 황의 성분 함량이 매우 낮고, 황의 분포가 박막 내에서 균일하여, 황 첨가에 따르는 셀레나이드 CIS 계 박막의 결정성 및 밴드갭 변화는 일으키지 않으면서도 황 첨가에 의한 결함화학적 재결합 방지 효과에 의해 광전압 및 충진율이 개선된 CIS 계 박막, 이를 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재까지의 태양전지 시장은 90%를 넘는 시장 점유율을 기록해 온 결정형 실리콘 태양전지에 의해 주도되고 있다. 그러나, 상대적으로 적은 원료를 사용하여 제조할 수 있고, 무게가 가볍고 플렉서블한 형태로 제작 가능하기 때문에 실리콘 태양전지에 비해 다양한 제품으로 응용될 수 있는 박막 태양전지에 대한 관심과 투자가 점점 증가하고 있는 것도 사실이다.
박막 태양전지 중, CIS(CuInSe2, 셀렌화구리인듐) 또는 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2, 셀렌화구리인듐갈륨)를 포함하는 CIS 계 화합물 박막 태양전지의 광전변환효율은 20% 이상으로 여타 박막 태양전지에 비해서 높고, 유기계열 태양전지에 비해 장기안정성 또한 매우 뛰어나기 때문에 결정형 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 각광받고 있다.
더불어, CIS 계 화합물 반도체는 그 구성 원소 중 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 상대적인 비율을 조절할 수 있고 셀레늄(Se)의 전부 또는 일부를 황(S)으로 대체할 수 있으며, 이에 따라 Cu((In1-xGax)(Se1-ySy)2 박막의 제조 과정에서 조성 범위를 조절할 수 있다. 이렇게 CIS 계 화합물 반도체는 화합물의 조성에 따라 밴드갭을 포함한 박막의 물성을 조절할 수 있으며, 원하는 조성의 화합물로 태양전지를 제조하여 태양전지의 흡수 파장대역, 광전압(또는 개방전압), 광전류를 비롯한 광전 특성을 제어할 수 있다고 알려져 있다.
CIS 계 화합물 박막은 전구체 박막으로부터 열처리 과정을 통해 셀렌화(selenization) 또는 황화(sulfurization) 반응과 결정 성장을 진행시켜 제조할 수 있다. 열처리 과정에서는 기체상의 셀레늄, 황 또는 이를 포함한 황화수소(H2S)와 같은 화합물 기체를 공급하여 셀렌화 또는 황화 반응을 일으킬 수 있으며, 공정 온도를 비롯한 열처리 공정 변수를 조절함으로써 박막의 결정 성장이나 미세구조 변화, 원소 분포 등의 박막 특성을 조절할 수 있다.
CIS 또는 CIGS 태양전지의 효율을 개선하기 위해 일반적으로 잘 알려진 시도의 하나로 알칼리 원소 도핑(doping) 방법이 있는데, 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 원소를 CIGS 박막에 첨가하여 박막의 특성을 조절하고 태양전지 성능을 개선할 수 있다. 이 중 Na의 경우, 소다-석회 유리(soda-lime glass)를 기판으로 사용하여 박막 공정 중 유리 기판에 함유된 Na을 확산시키는 공정 및 이로 인한 태양전지 성능 개선 효과가 이전부터 잘 알려져 있다. 다른 알칼리 원소들의 경우 도핑을 통해 Na보다 개선된 효과를 볼 수 있는 장점을 가지는 반면, 알칼리 원소를 포함하는 추가적인 화합물의 사용과 그 첨가를 위한 추가적인 공정의 도입이 전체적인 태양전지 제조의 복잡성을 증가시키는 문제가 있다.
상술한 CIS 또는 CIGS 박막의 도핑에 의한 효과 중 또 다른 하나는 박막 내 결함 특성 개선에 있다. CIS 계 광흡수층 박막은 그 제조 과정에서 결정 격자 내에서 구리(Cu) 또는 셀레늄(Se)의 빈자리(vacancy)와 같은 점결함(point defect)이 나타날 수 있으며, 이들은 반도체 내의 전자-정공 쌍이 재결합을 일으키는 위치로 작용하여 태양전지의 광전압, 충진인자(충진율, fill factor) 및 광전효율을 열화시키는 원인이 된다. 따라서, 태양전지의 성능 개선을 위해서는 이러한 재결합을 억제하는 것이 무엇보다 중요한데, 상술한 알칼리 원소의 역할에 대한 해석 중에서 Cu 빈자리가 패시베이션(passivation) 되는 효과에 의해 CIS 계 태양전지 특성이 개선되는 것으로 보는 견해도 있다.
한편, 최근에 전 세계적으로 많은 연구자들이 경쟁적으로 연구 개발 중인 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 구조에서, 가장 높은 광전 성능을 발휘하는 상부셀 페로브스카이트의 밴드갭(1.6 eV)에 대응하는 최적의 하부셀 밴드갭은 이론적으로 1.0 eV 정도인 것으로 알려져 있는데, 이는 CuInSe2의 밴드갭에 해당한다. 이 셀레나이드 CuInSe2의 셀레늄을 모두 황으로 치환한 CuInS2의 밴드갭은 1.5 eV 정도인데, 만약 CuInSe2 태양전지의 광전 효율을 개선하기 위한 목적으로 다량의 황을 도입하게 되면, CuInSe2 태양전지의 밴드갭이 커질 수 있고, 결과적으로 탠덤 태양전지의 하부셀로 최적인 밴드갭 범위를 벗어나게 될 수도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 황의 도핑 농도가 매우 낮은 CIS 계 광흡수층 박막을 제공함으로써, 황 도입(첨가, 혼입, 도핑, 또는 incorporation)에 따른 박막의 결정성 열화가 없고, 박막 내 황의 분포가 균일하고, 밴드갭 증가가 없거나 미미하며, 광흡수층 내 셀레늄 빈자리와 같은 결함 패시베이션이 가능한 고품질의 CIS 계 화합물 박막을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 박막의 밴드갭을 증가시키지 않고도, 황에 의한 결함화학적 재결합 방지 효과에 의해, 재결합에 의한 태양전지 효율 손실을 줄일 수 있으며, 그에 따라 개방 전압 및 충진율이 개선된 고효율의 CIS 계 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, CIS 계 전구체 박막을 열처리하는 공정에 있어서 황의 공급 방법과 열처리 방법을 조절하여 미량의 황을 첨가할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 셀렌화 반응을 통해 얻어지는 결정성 및 미세구조를 저해하지 않으면서 황을 미량 첨가할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 CIS 계 박막 내에서 황 분포를 균일하게 하여 박막 내 위치에 따른 황 농도의 구배 없이 미량의 황을 첨가하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 다량의 황 첨가에 의해 CIS 계 박막의 조성이 변화하면서 나타나는 밴드갭 변화가 없도록, 미량의 황을 첨가하면서 밴드갭을 유지하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 CIS 계 박막의 셀렌화 과정에서 미량의 황 첨가를 통해, CIS 계 박막에서 나타날 수 있는 셀레늄 빈자리를 패시베이션 할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일측면은 CIS 계 박막에 있어서, CIS계 박막은 아래 수학식의 조성을 가지고,
황의 도핑 농도가 0.1 내지 4 at%인 CIS 계 박막을 제공한다.
Cu(A1-x Bx)Se2
상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In, Ga, Zn, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ x ≤ 1이다.
바람직하게는, CIS계 박막 내부에 황의 도핑 농도는 0.2 내지 2 at% 범위이다.
바람직하게는, 상기 CIS 계 박막은 밴드갭이 1.00 내지 1.01 eV 범위이다.
바람직하게는, 상기 CIS 계 박막의 깊이 방향으로 표면영역을 제외하고 황 농도의 최대값과 최소값의 차이가 1 at% 이내이다.
본 발명의 다른 측면은 상술한 CIS 계 박막을 포함하는 태양전지를 제공하고, 하나의 실시형태에 의하면, CIS 계 박막은 페로브스카이트 태양전지와 더불어 CIS 계 태양전지 구조를 적층한 탠덤 태양전지를 구성할 때 CIS 계 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 CIS 계 박막 제조 방법에 있어서, 아래 수학식을 갖는 CIS계 박막을 형성하는 단계; 및 CIS계 박막에 황을 0.1 내지 4 at%의 도핑농도로 도입하는 단계를 포함하는 CIS 계 박막 제조방법을 제공한다.
Cu(A1-x Bx)Se2
상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In, Ga, Zn, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ x ≤ 1이다.
바람직하게는, 상기 CIS계 박막을 형성하는 단계는 스퍼터법, 전착법, 용액법, 나노입자법 또는 동시증발법을 통해 형성된다.
바람직하게는, 상기 CIS계 박막을 형성하는 단계는 셀렌화 열처리 단계를 포함하고, 상기 황을 도입하는 단계는, 셀렌화 열처리 단계 이전에 황화 열처리를 진행하는 방법, 셀렌화 단계 이후에 황화 열처리를 진행하는 방법, 또는 셀렌화-황화 열처리를 동시에 진행하는 방법일 수 있다.
본 발명에 따르면, 통상의 CIS 계 박막의 황화 공정에 의한 황 도핑 농도(통상 10 at% 이상)보다 매우 낮은 0.1 내지 4 at% 범위인 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 미량의 황을 도입함으로써 광흡수층 내 셀레늄 빈자리와 같은 점결함을 패시베이션시켜 결함화학적으로 셀레늄 빈자리의 영향이 감소한 고품질의 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 황 도입에 의한 결함화학적 재결합 억제 효과에 의해 개방전압 및 충진율이 개선된 고효율의 CIS 계 박막 태양전지를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 박막 내 미량의 황을 첨가함으로써 음이온 빈자리 패시베이션 효과를 가지면서도, 종래의 황을 다량 첨가하는 열처리 공정에서 수반될 수 있는 CIS 계 박막의 결정성 및 미세구조 열화 없이, 고품위의 결정성 및 미세구조를 갖는 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래의 황을 다량 첨가하는 열처리 공정에 의해 생길 수 있는 박막 내 위치에 따른 황 농도의 구배 없이 황의 분포가 박막 전체에서 균일한 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다량의 황 첨가에 따라 수반되기 마련인 밴드갭의 증가 없이, 황을 포함하여 음이온 빈자리 패시베이션 효과를 갖는 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다량의 황을 첨가하는 공정 중 발생할 수 있는 박막의 결정성 열화, 박막 내 황 농도 구배, 박막 조성 변화에 따른 밴드갭 변화 없이, 셀레늄 빈자리와 같은 점결함 패시베이션이 가능한 범위 내에서 미량의 황을 CIS 계 박막에 첨가하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따라, 미량의 황 도입에 의해 CIS 계 박막의 밴드갭 변화 없이 태양전지 특성을 개선하는 원리를 도식화한 모식도이고, 도 2는 황도핑의 농도의 상한치는 밴드갭의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 CIS 계 박막의 단면 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 비교예 1에 따라 제조된 CIS 계 박막의 단면 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교예 2에 따라 제조된 CIS 계 박막의 단면 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 황 원소의 분포를 AES와 SIMS로 분석하여 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 태양 전지 소자의 외부 양자효율로부터 추출한 CIS 계 광흡수층의 밴드갭을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 태양 전지 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1에 의해 제조된 박막의 PL 스펙트럼을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 계 화합물 박막을 제조하는 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "단계" 및 "과정" 등은 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따라, 미량의 황 도입에 의해 CIS 계 박막의 밴드갭 변화 없이 태양전지 특성을 개선하는 원리를 도식화한 모식도이다.
본 발명의 실시예에 따른 CIS계 박막의 정의는 아래 식과 같다.
Cu(A1-x Bx)Se2
상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In, Ga, Zn, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ x ≤ 1이다.
따라서, 상기 CIS 계 박막에 대한 구체적인 예들로서, 구리인듐셀렌(CIS) 박막, 구리인듐갈륨셀렌(CIGS) 박막, 구리아연주석셀렌(CZTS) 박막 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 CIS계 박막에서는, 황 도핑 농도를 0.1 at% 이상 4 at% 미만으로 구성하는 것이 바람직하다. 황의 농도가 0.1 at% 미만일 경우 셀레늄 빈자리 패시베이션 효과가 미미할 수 있고, 4 at% 이상일 경우에는 미세구조 및 결정성이 저하되거나 밴드갭이 필요 이상인 1.02 eV 이상으로 증가할 수 있다. 이에 대해 상세히 후술한다.
CIS 계 박막은 광흡수층으로 사용되고, 그 제조 과정에서 결정 격자 내에서 셀레늄 빈자리와 같은 점결함이 나타날 수 있는데, 이들은 태양광에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 재결합 위치(site)로 작용하여 태양전지의 광전 효율을 열화시킬 수 있으므로, 태양전지의 성능 개선을 위해서는 이러한 점결함에 의한 재결합을 억제하는 것이 중요하다.
CIS 계 박막 내에서 재결합을 일으키는 셀레늄 빈자리 농도는 통상 1 at% 이내일 경우가 많으므로, 이들의 패시베이션을 위해 필요한 황 도핑 양도 수 at% 정도이면 효과적일 수 있을 것으로 추정된다. 따라서, 미량의 황을 도입함으로써 도 1에서 도식화한 것처럼 밴드갭 변화를 일으키지 않으면서도 셀레늄 빈자리가 패시베이션 된 CIS 계 박막을 제공할 수 있다.
CIS계 박막에서 생길 수 있는 셀레늄 빈자리를 패시베이션하기 위해서는 음이온 도핑이 필요한데, 다양한 목적을 위해 도입하는 황(S)이 셀레늄 빈자리를 채우는 역할을 할 수 있는 것으로 추정된다. 그러나, 통상적으로 행해지는 황화 공정을 통해서는 일정량 이상(두 자리 수 이상의 at%)의 황 성분이 도입되고, 그 결과, 의도적이든 아니든 박막 깊이 방향으로 황 성분의 농도(원자 농도 비율 또는 atomic ratio 또는 [S]/([Se])+[S])) 구배(gradient)가 형성되기도 하며, 이에 따라 CIS 또는 CIGS 박막의 밴드갭(또는 박막 깊이 방향으로의 밴드갭 분포)이 바뀔 수 있다.
또한, CIS 계 화합물에서 sulfide는 셀레나이드에 비해 격자상수가 작기 때문에, 일정 이상의 황을 도입하는 황화 공정 중 격자 수축에 의한 박막의 미세구조(또는 결정성) 열화가 수반되기도 한다. 즉, CIS 계 박막에 다량의 황을 첨가하는 열처리 과정을 통해 얻어지는 박막의 결정성, 결정립 크기를 비롯한 미세구조는 셀렌화 열처리 과정을 통해 얻을 수 있는 것보다 나빠질 수 있다.
따라서, 본 발명자들은 셀레늄 빈자리의 패시베이션 효과를 확보하면서도 미세구조와 결정성 그리고 밴드갭을 일정 수준으로 유지하기 위한 적절한 황 도핑 농도를 확보하고자 하였다.
먼저, 본 발명의 효과를 실현하기 위한 황 도핑 농도의 하한치는 셀레늄 빈자리의 패시베이션 효과가 나타나기 시작하는 지점에 해당한다. 발명자들은 도 7과 도 9에서 알 수 있듯, 비교예 1에 의해 제조되어 CIS 계 박막 내 황의 농도가 0.1 at% 이하일 경우 패시베이션 효과가 없거나 미미하였므로, 패시베이션 효과가 나타나기 위해서는 황 농도가 0.1 at% 이상어야함을 확인하였다. 추가로, 도 7 및 도 9를 참조하면 0.2 at% 이상인 경우 본격적으로 페시베이션 효과가 나타남을 확인할 수 있다. 이로서 황 도핑 농도의 하한치는 바람직하게는 0.1 at% 이고, 더욱 바람직하게는 0.2 at% 이다.
다음으로, 황도핑의 적절한 농도의 상한치는 미세구조와 결정성 그리고 밴드갭이 그 주요한 판단근거에 해당한다. 그 중에서도 밴드갭은 주요한 특성에 해당한다. 도 2의 도시에 의하면 밴드갭은 황의 도핑 농도가 0인 경우는 1.0 eV에서 황의 도핑 농도가 11 at% 정도로 증가하게 되면 밴드갭도 1.06 eV로 증가하게 된다. 본 발명의 효과를 확보하기 위해서 바람직한 밴드갭은 0.98 eV 내지 1.02 eV 정도를 확보하는 것이 필요하다. 이는 CIS 계 박막의 밴드갭이 이를 벗어날 경우, 최고 광전 효율을 나타내는 밴드갭(1.6 eV)의 페로브스카이트 태양전지와 더불어 탠덤 태양전지를 구성할 때 전류 매칭이 어려워지는 문제점 때문이다. 본 발명의 밴드갭은 1.0 eV에 근접할수록 더 향상된 특성이 보장되므로 더욱 바람직한 밴드갭은 1.0 eV 내지 1.01 eV이라 할 수 있다. 따라서, 바람직한 황도핑의 농도의 상한치는 밴드갭 1.02 eV에 대응되는 4 at%로 특정할 수 있다(도 2 참조). 더욱 바람직한 황도핑 농도의 상한치는 1.01 eV 에 대응되는 2 at%이다.
한편, 황도핑 농도에 따른 미세구조와 결정성을 확인한 결과, 대체적으로 황의 도핑 농도가 증가함에 따라 결정성은 저하되는 현상이 나타나고 있었다. 또한, 4 at% 이상인 경우 결정성이 조금씩 저하되는 경향을 확인할 수 있었다. 따라서, 황도핑의 적절한 농도의 상한치는 밴드갭과 결정성을 통하여 구체적으로 특정할 수 있었다.
도 3, 도 4, 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막, 본 발명의 일 비교예 1에 따라 제조되어 황을 포함하지 않은 CIS 계 박막, 그리고 본 발명의 일 비교예 2에 따라 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 단면 SEM 사진이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
도 3 내지 6을 참조하면, 본 발명의 일 비교예 2에 따라 제조되어 다량의 함을 포함하는 CIS 계 박막이, 황을 포함하지 않은 박막에 비해 미세구조와 결정성 열화를 겪는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우에는, 황을 포함하지 않은 박막 대비 뚜렷한 미세구조 및 결정성의 열화가 관찰되지 않은 것이 특징이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 황 원소의 분포를 AES와 SIMS로 분석하여 비교한 그래프이다.
도 7의 AES 결과를 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우, 박막의 표면에 황의 농도가 높고 박막 내부로 갈수록 농도가 줄어드는 전형적인 황 농도 구배가 형성되는 반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우, 표면과 아주 가까운 영역을 제외하면, 황을 포함하지 않는 박막과 마찬가지로 박막 전체 두께에서 황 농도가 균일한 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따르면, CIS 계 박막의 깊이 방향으로 황 농도의 최대값과 최소값의 차이가 5 at% 이내로 형성되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 1 at% 이내일 수 있다. CIS 계 박막 내 황 농도 구배가 1 at% 보다 클 경우, 박막의 밴드갭, 전하 전달 특성 등이 박막 내 위치에 따라 불균질해질 수 있다.
또한, 도 7의 SIMS 분석 결과를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 계 박막 내 황의 농도는 0.1 내지 4 at% 인 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 상기 CIS 계 박막 내 황 농도는 통상의 황화 공정에 의한 것(수십 at% 이상)보다 매우 낮고 대략적인 수치로는 0.1 내지 4 at% 일 수 있으나, 더 바람직하게는 0.2 내지 2 at% 일 수 있다. 황 도핑 농도가 0.2 at% 미만일 경우 셀레늄 빈자리 패시베이션 효과가 미미할 수 있고, 2 at% 이상일 경우에는 미세구조 및 결정성이 저하되거나 밴드갭이 1.01 eV 이상으로 증가할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 태양 전지 소자의 외부 양자효율로부터 추출한 CIS 계 광흡수층의 밴드갭을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 밴드갭은 1.06 eV으로, 황을 포함하지 않은 박막의 1.01 eV 대비 뚜렷한 증가를 나타내는 반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막은 황을 포함하지 않은 박막과 거의 같은 밴드갭을 갖는 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 상기 CIS 계 박막의 밴드갭은 0.98 내지 1.02 eV 범위일 수 있으나, 더 바람직하게는 1.00 내지 1.01 eV 일 수 있다. CIS 계 박막의 밴드갭이 1.00 eV보다 작거나 1.01 eV보다 클 경우, 최고 광전 효율을 나타내는 밴드갭(1.6 eV)의 페로브스카이트 태양전지와 더불어 탠덤 태양전지를 구성할 때 전류 매칭이 어려워 질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 태양 전지 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1에 의해 제조된 박막의 PL 스펙트럼을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 태양전지는 박막의 미세구조 및 결정성의 열화로 인해 그 광전 특성이 황을 포함하지 않는 태양전지에 비해 나빠지는 반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막 태양전지는 황을 포함하지 않는 태양전지 대비, 확연한 개방 전압 및 충진율의 개선으로 광전 효율이 상승한 것이 특징이다.
또한, 도 10을 참조하면, 상기 본 발명에 따른 CIS 계 박막 태양전지는 셀레늄 빈자리를 패시베이션 하는 황의 결함화학적 역할로 인해 현저히 낮은 셀레늄 빈자리를 갖는 것이 특징이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 CIS계 박막의 제조방법을 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 계 화합물 박막을 제조하는 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
상기 CIS 계 화합물 박막의 제조 방법은 황을 도입하기 전까지의 단계와 황을 도입하는 단계로 나눌 수 있는데, 황을 도입하는 단계 이전까지의 박막은 스퍼터법, 전착법(전기화학적 방법, electrodeposition, electrochemical deposition), 용액법, 나노입자법, 동시증발법 등을 통해 제조할 수 있다.
예를 들어, 전착법을 이용하여 상기 CIS 계 박막을 제조하는 방법은, 소정의 전구체와 용매를 혼합하여 전해질 용액을 제조하는 단계(S100); 상기 전해질 용액과 작업전극 및 상대전극을 포함하는 전기 화학 전지를 전압 또는 전류 인가 장치에 연결하여 전착 회로를 구성하는 회로 구성 단계(200); 상기 전압 또는 전류 인가 장치를 이용하여 상기 작업전극에 환원 전압 또는 전류를 인가함으로써 박막이 전착되는 박막 형성 단계(300)를 포함할 수 있다.
상기 전해질 용액은 염화칼륨(KCl) 술팜산(HSO3NH2), 프탈산수소칼륨((KOOC)C6H4COOH), 이산화셀레늄(SeO2), 염화구리이수화물(copper chloride dehydrate) 및 염화인듐(Indiumchlorid) 중 적어도 어느 하나 이상을 증류수에 용해시켜 기 지정된 pH가 되도록 생성된 것일 수 있고, 본 명세서 상에서 설명되는 전기 화학 전지는 작업 전극 외에 백금으로 형성된 상대전극과 은 또는 염화은으로 형성된 기준전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 전해질 용액은 CIS 계 화합물을 구성하는 원소들의 전구체, 용매 및 기타 반대이온 공급원 및 착화제와 같은 첨가제를 포함할 수 있다. 전구체는 예컨대, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Zn), 아연(Sn), 은(Ag) 및 알루미늄(Al)과 같은 금속 또는 이들 중 둘 이상의 합금의 염화물, 황산염, 질산염, 아세트산염 또는 수산화물일 수 있고, 산화셀레늄(SeO2), 아셀렌산(H2SeO3) 또는 염화셀레늄(SeCl4)과 같은 비금속 전구체일 수도 있으나, 본 발명의 다양한 실시예에 사용되는 전구체는 전착법에 의해 전착되어 CIS 계 박막을 형성할 수 있는 물질 또는 화합물이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 전구체로서, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀레늄(Se)의 전구체를 사용하는 경우라면, 이러한 전구체를 포함하는 전해질 용액에 포함된 Cu, In 및 Se의 원자비는 0.8 ~ 1.2 : 1 ~ 5 : 1.8 ~ 2.2일 수 있다. 예컨대, 상술한 원자비는 1 : 4 : 2일 수 있다. 이러한 조성비를 만족하도록 전구체 조성물을 구성하는 경우, 더욱 우수한 광 흡수 효율을 갖고, 평탄도 및 밀도 등이 우수한 화합물 박막을 제조할 수 있다.
또한, 회로 구성 단계(S200)에서 전술한 소정의 전구체를 적당한 용매와 혼합하여 전해질 용액을 제조하게 되는데, 이때 사용 가능한 용매로는 상기 전구체가 용해될 수 있으면서도 전착법을 수행하기에 적당한 정도의 전기전도도를 갖는 용매라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예컨대 회로 구성 단계(S200)의 전해질 용액 제조 시 사용되는 용매는 물, 알코올 또는 물과 알코올의 혼합물일 수 있다.
또한, 회로 구성 단계(S200)를 통해 전구체와 용매가 혼합되어 제조된 전해질 용액의 pH는 1.5 내지 3의 범위로 유지될 수 있다. 왜냐하면, 전해질 용액의 pH가 1.5 미만이거나 3을 초과하는 경우에는 균일한 박막을 제조하기 어렵고, CuSe와 같은 고전도성 판상이 석출되는 문제점이 발생될 수도 있기 때문이다. 그러나, 반드시 이러한 pH 수치에 제한되는 것은 아니다.
전해질 용액은 전구체 및 용매 이외에도 첨가제로서, 지지 전해질(supporting electrolyte) 및 착화제(complexing agent)를 더 포함할 수도 있다. 지지 전해질은 전해질 용액의 전기전도도를 높여주기 위한 것으로, 예컨대, 염화칼륨(KCl) 또는 염화리튬(LiCl) 등과 같은 물질로 형성될 수 있다.
또한, 착화제는 전해질 용액 중의 특정 이온의 이동도를 조절하기 위한 물질로서, 예컨대, 트리에탄올아민(N(CH2CH3)3), 시트르산(C6H8O7), 타르타르산(C4H6O6), 술팜산(NH2SO3H), 구연산나트륨(Na3C6H5O7) 및 프탈산수소칼륨(C8H5KO4), 티오시안화칼륨(KSCN)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
전기 화학 전지를 이용한 전착 회로는, 전해 욕조(bath) 내부에 전해질 용액을 채우고, 기판, 작업 전극, 상대 전극, 기준 전극 등을 구비함으로써 구성될 수 있으며, 그 외에 빛을 제공하는 위한 광원, 즉 조명 등을 별도로 더 구비할 수 있다.
전해 욕조는 석영이나 유리 등의 투명한 재료를 사용하여 빛의 투과가 용이하게 할 수 있다.
또한, 작업 전극은 광흡수층인 CIS 계 박막이 전착되는 기판(substrate)으로서, 몰리브데늄을 포함한 기판일 수 있다. 일반적으로 몰리브데늄을 포함하는 기판은 전기전도도가 우수하고 상대적으로 저가이며 광흡수층인 CIS 계 화합물과의 열팽창 계수가 유사하고 또한 저항접촉(ohmic contact)이 우수하다.
한편, 기판으로서 금속 기판을 사용할 수도 있으며, 금속 기판을 사용할 경우에는 몰리브데늄을 포함하지 않을 수 있고, 이 경우 기판의 재질에 별다른 제한이 있는 것은 아니다.
상대 전극 및 기준 전극은 전착법에 일반적으로 통용되는 재질의 전극이 널리 사용될 수 있으며, 그 크기 및 형태 등에 관한 사항도 별다른 제한 없이 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어 상대 전극으로는 백금(Pt) 전극 등을 사용할 수 있다.
전류 또는 전압 인가를 통한 박막 형성 단계(S300)는, 예를 들어 상온 및 상압, 즉 0 ~ 80℃의 온도 및 0.9 ~ 1.1 기압 조건 하에서 수행될 수 있으며, 전류를 가해주기 위한 전압(DC 전압에 의한 전류 인가)은 -0.4 ~ -0.6 V의 범위(예컨대 -0.5 V)의 전압일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 전압 인가시간은 1내지 130분일 수 있다. 또한, 전류 또는 전압 공급 장치에 의한 작업 전극에 환원 전압 또는 전류를 인가하는 과정과 광원을 이용하여 차광 수단을 향해 빛을 조사시키는 과정을 함께 수행할 수도 있다.
또한 박막 형성 단계(S300)는 상술한 바와 달리, Cu, In, Ga, Se 개별 원소, 또는　개별 원소　2종 이상의 합금(예를 들어 Cu-In, Cu-Ga), 또는 개별 원소 2종 이상의 화합물(예를 들어 Cu-Se, In-Se, Ga-Se)을 다층(stack)으로 쌓고, 이후 열처리 과정을 통해 CIGS 계 박막(또는 CIGS 계 단일막)을 형성하는 단계일 수 있다.
이러한 박막 형성 방법은 상술한 전착 회로에 의한 박막 형성 방법보다 상대적으로 빠른 공정 속도를 확보할 수 있고, 인라인(inline) 공정에도 적용이 가능하다.
도 11을 참조하면, 화합물 박막 제조 방법은 박막 형성 단계(S300) 이후 열처리 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 열처리 단계(S400)는 박막 형성 단계(S300)에 따라 생성된 박막을 예컨대 셀레늄(Se) 함유 기체 분위기 하에서 열처리할 수 있으나, 반드시 셀레늄 함유 기체 분위기 하에서 수행될 필요는 없으며 이외에도 여러 형태의 기체 분위기 하에서 열처리 될 수 있고, 열처리 온도와 시간은 다양하게 설정될 수 있다.
상기 열처리 단계(S400)는 전착된 화합물 박막의 상형성 또는 결정립성장(grain growth)을 통한 미세구조의 치밀화(densification)를 위한 과정으로서, 이때 열처리 온도로는 300 ℃ 내지 600 ℃일 수 있다.
이러한 열처리 과정에 의해서 기상의 셀레늄이 몰리브데늄과 반응하여 셀렌화몰리브데늄(MoSe2) 이 형성될 수 있으며, 적절한 두께의 셀렌화몰리브데늄은 접착력(adhesion)의 증가와 저항접촉(ohmic contact)을 우수하게 만들 수 있다. 예컨대, 적절한 두께로는 50 ~ 150nm가 설정될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열처리 단계(S400)에서 셀레늄의 공급 방식은 고체상의 셀레늄 펠렛(pellet)을 가열하여 증발하게 만드는 방식일 수 있다.
다음으로 CIS계 박막에 황을 도입하는 방법을 설명한다. 황을 공급하는 방식은 (1) 셀렌화 열처리 단계 이전에 황화 열처리를 진행하는 방법, (2) 셀렌화 단계 이후에 황화 열처리를 진행하는 방법, 또는 (3) 동시-셀렌화-황화 열처리를 진행하는 방법일 수 있다.
상기 셀렌화 열처리 단계 이전에 황화 열처리 하는 방법은, 황 분말을 250 내지 350 ℃에서 가열하는 동안 CIS 계 박막을 100 내지 150 ℃에 두고, 3 내지 7분 동안 CIS 계 박막 표면에 황이 응축되게 하는 것일 수 있다.
상기 셀렌화 단계 이후에 황화 열처리 하는 방법은, 상기 CIS 계 박막을 150 내지 200 oC에 두고, 황화수소 가스(H2S, 1%)를 흘려주며 1 내지 30 분간 황화 공정을 추가로 진행하는 것일 수 있다.
상기 동시-셀렌화-황화 열처리 하는 방법은, 상기 열처리 단계에서 황 분말을 120 내지 140 ℃인 위치에 두고 동시-셀렌화-황화 공정을 진행하는 것일 수 있다.
이하, 실험예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실험예
본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 계 화합물 박막 제조방법은 다음과 같다. 후면전극으로 소다-석회유리(soda-lime glass) 위에 0.5 μm의 두께의 몰리브데늄(Mo)을 DC 스퍼터링 방법으로 증착하였다. CIS 계 광흡수층 전구체 박막을 형성시키기 위해, 전기화학적 증착(이하 전착)법을 이용하였다. 전착 공정은 AMETEK사의 PARSTS MC 포탠셔스탯에 연결된 표준 삼전극 셀을 이용하여 수행되었다. 기준전극(reference electrode)으로 은-염화은 전극(Ag/AgCl), 상대 전극(counter electrode)으로 백금(Pt) 기판, 작업전극(working electrode)으로 소다석회유리 위에 증착한 몰리브데늄을 사용하였다.
전착을 위한 전해질 용액은 염화칼륨, 술팜산, 프탈산수소칼륨, 이산화셀레늄, 염화구리이수화물 그리고 염화인듐을 증류수에 용해시켜 pH가 2.2가 유지되도록 제조하였다. 제조된 용액에 삼전극 셀을 담근 후, 5400 초 동안 작업전극에 -0.54 V를 인가하여 약 1.5 μm 두께의 CIS 계 전구체 박막을 형성하였다.
미량의 황을 첨가하기 위한 공정 A: 미량의 황이 첨가(혼입, 도입, doping 또는 incorporation)된 CIS 계 박막을 제조하기 위해, 상기 제조된 CIS 계 전구체 박막 위에 황을 pre-deposition 한 후 셀렌화 공정을 수행하였다(공정 A).
황을 CIS 계 박막 위에 pre-deposition 하기 위해 튜브전기로(tube furnace)의 석영관 내 알루미나 도가니에 황(S) 분말을 넣고 300 ℃로 증발시켰으며, 이 때 CIS 계 전구체 박막은 튜브전기로 내 온도가 130 ℃ 되는 위치에 두어 증발한 황의 일부가 전구체 박막 상에 5분 동안 응축(condensation)되게 유도하였다.
셀렌화 과정: 상기 황 막이 형성된 CIS 계 전구체 박막을 셀렌화하기 위해, 상기 튜브전기로 내에 셀레늄(Se) 소스를 넣고 전구체 박막의 온도를 580 ℃로 가열하여 30분 동안 열처리 공정을 진행하였다. 이 때, 반응로 내부의 셀레늄 분위기 조절을 위해, 석영관 내 알루미나 도가니에 셀레늄(Se)을 넣고 300 ℃에서 증발시켰으며 아르곤(Ar) 기체를 100 sccm의 속도로 일정하게 흘려주었다.
미량의 황을 첨가하기 위한 공정 B: 한편, 미량의 황이 혼입(doping)된 CIS 계 박막을 제조하기 위한 또 다른 방법은, 상기 제조된 CIS 계 전구체 박막을 상기 셀렌화 과정과 같이 열처리 한 후, 비교적 낮은 박막 온도(예를 들어, 150 내지 200 oC)에서 황화수소 가스(H2S, 1%)를 흘려주며 1 내지 30 분간 황화 공정을 추가로 진행하는 것일 수 있다(공정 B).
미량의 황을 첨가하기 위한 공정 C: 미량의 황이 혼입(doping)된 CIS 계 박막을 제조하기 위한 또 다른 방법은, 상기 셀렌화 과정에서 황 분말을 황의 용융점(115 ℃)보다 조금 높은 튜브전기로 내의 120 내지 140 ℃인 위치에 넣고 동시-셀렌화-황화 공정을 진행하는 것일 수 있다(공정 C).
본 발명의 실시예에 따라 상기 공정 A를 통해 제조한, 미량의 황이 첨가된 CIS 계 박막의 단면 모폴로지를 관찰하기 위해 주사전자현미경(FE-SEM, Inspect F50)을 사용하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3를 참조하면, 전착에 의해 제조된 CIS 계 전구체 박막 위에 황을 pre-deposition하여 셀렌화 열처리한 CIS 계 박막의 미세구조가 후술하는 비교예 1의 황을 포함하지 않은 박막(도 4)과 유사하여 결정립 간 절단(inter-grain cleavage) 파단면이 관찰됨을 확인할 수 있다.
또, 상기 공정 A를 통해 제조한, 미량의 황이 첨가된 CIS 계 박막의 조성을 확인하기 위해 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy, FEI, Inspect F50) 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 3의 SEM 이미지 상에 표기하였다. 본 발명의 일 실시예(공정 A)에 따라 미량의 황을 첨가한 CIS 계 박막의 경우, 황의 조성(또는 몰분율), [S]/([Se])+[S]) 값이 0.02(2 at%)로 나타나 미량의 황이 첨가된 것이 확인되었다.
비교예 1
황을 첨가하지 않는 공정 D: 상기 기술한 실시예와 동일한 전해질 용액을 사용하여 동일한 전착방법에 의해 CIS 계 전구체 박막을 형성하고, 황을 첨가하기 위한 별도의 조치를 하지 않은 채 상기 셀렌화 공정을 진행하여, 황을 포함하지 않은 CIS 계 광흡수층 박막을 제조하였다(공정 D).
비교예 1에 따라 제조된 CIS 계 광흡수층의 단면 모폴로지와 조성을 상술한 실시예와 동일한 방법으로 관찰하고 분석하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 황을 포함하지 않은 CIS 계 박막의 [S]/([Se])+[S]) 조성은 0이며, 상술한 실시예에 의한 CIS 계 박막과 유사한 미세구조를 가짐을 확인할 수 있다.
비교예 2
다량의 황을 첨가하는 공정 E: 다량의 황이 첨가(혼입, doping 또는 incorporation)된 CIS 계 박막을 제조하기 위해, 상기 기술한 실시예와 동일한 전해질 용액을 사용하여 동일한 전착방법에 의해 CIS 계 전구체 박막을 형성하고, 상기 공정 B와 같이 셀렌화 과정을 거친 후 추가적인 황화 공정을 진행하되, 비교적 높은 박막 온도(예를 들어, 300 내지 500 oC; 비교예 2에서는 500 oC)에서 황화수소 가스(H2S, 1%)를 흘려주며 황화 공정을 진행하여 광흡수층 박막을 제조하였다(공정 E).
또한, 상기 공정 E를 조금 변형하여, 상기 셀렌화 공정 중에 아르곤 가스 대신 황화수소 가스(H2S, 1%)를 흘려 동시-셀렌화-황화 공정을 진행함으로써 다량의 황이 첨가된 CIS 계 박막을 제조할 수도 있다.
다량의 황을 첨가하는 공정 F: 다량의 황이 혼입(doping)된 CIS 계 박막을 제조하는 또 다른 방법은, 상기 기술한 실시예와 동일한 전해질 용액을 사용하여 동일한 전착방법에 의해 CIS 계 전구체 박막을 형성하고, 상기 공정 C와 같이 셀렌화 과정 중 황 분말을 튜브전기로 내에 놓되, 황 분말의 온도를 150 ℃보다 높은 위치에 두고 동시-셀렌화-황화 공정을 진행하는 것일 수 있다(공정 F).
비교예 2에 따라 제조된 다량의 황이 첨가된 CIS 계 광흡수층 박막의 단면 모폴로지와 조성을 상술한 실시예와 동일한 방법으로 관찰하고 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 5에 따르면, EDS를 통한 박막 표면의 조성분석 결과, 비교예 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 [S]/([Se])+[S]) 조성이 0.11(11 at%)으로, 실시예에 의해 제조된 박막 대비 많은 양의 황이 혼입되었음이 확인되었다. 또한, 비교예 2에 따라 제조되어 다량의 황이 첨가된 CIS 계 박막의 경우, 비교예 1의 황을 포함하지 않은 박막(도 4)에 비해 작은 결정립을 가질 뿐 아니라, 미량의 황이 첨가된 실시예의 박막(도 3)과 다르게 결정립 내 절단(intra-grain cleavage) 파단면을 갖는 것이 관찰되었다. 이는, 황이 과량 혼입되어 상대적으로 작은 이온반경을 갖는 황이 셀레늄을 치환하며 생기는 격자 수축(lattice shrinkage)량이 증가하여, 결정립 형태 및 절단 특성에 영향을 미치기 때문으로 추정된다.
상술한 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 광흡수층 박막의 결정학적 특성을 확인하기 위하여 XRD(X-ray diffraction)분석을 실시하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따라 제조되어 미량의 황을 포함하는 박막, 비교예 1에 따라 제조되어 황을 포함하지 않은 박막, 그리고 비교예 2에 따라 제조되어 다량의 황을 포함하는 박막 샘플 모두에서 오직 α-CuInSe2 단일 결정상만이 존재함을 알 수 있다.
한편, XRD 패턴에서 (112) 면의 회절 피크가 비교예 1, 실시예, 비교예 2 순으로 더 큰 각도에서 관찰되는 것을 알 수 있다. 이는, 황의 이온반경이 셀레늄의 이온반경보다 작으므로, 황의 첨가량이 많아질수록 결정의 면간거리가 작아지고 Bragg 법칙에 의해 회절 피크는 큰 각도 쪽으로 이동하기 때문이다. 이 (112) 피크가 이동하는 정도를 lever rule에 따라 분석하면 박막 내 황의 조성을 알 수 있는데, 그 결과를 표 1에 정리하였다. 표 1을 참조하면, 실시예 및 비교예 1, 2에 따라 제조한 CIS 계 박막의 EDS 조성과 XRD 분석에 의한 [S]/([S]+[Se]) 조성이 서로 잘 일치함을 알 수 있다.
Figure PCTKR2019016722-appb-T000001
또한, 도 6을 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우, 비교예 1에 의해 제조되어 황을 포함하지 않는 박막과 비교하여 (112) 방향의 회절 피크의 세기가 뚜렷하게 감소한 것을 볼 수 있다. 이는 다량의 황이 첨가됨에 따라 CIS 계 박막의 결정성이 나빠짐을 의미하는데, 셀레늄에 비해 이온반경이 작은 황이 셀레늄을 치환하며 발생하는 격자 수축현상에 동반된 결과로 여겨진다.
반면, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막에서는 황을 포함하지 않은 비교예 1의 박막 대비 회절 피크의 세기 감소가 관찰되지 않았다. 이는, CIS 계 박막 태양전지의 밴드갭 조절 등의 목적으로 과량의 황을 첨가할 경우 일반적으로 광흡수층 박막의 결정성 감소를 수반하는 반면, 본 발명에 의하면 황을 포함하면서도 결정성 열화 없이 양질의 CIS 계 박막을 제공할 수 있음을 보여준다.
상술한 실시예 및 비교예 1과 2에 의해 제조된 CIS 계 광흡수층 박막의 두께 방향 황의 조성([S]/([Se])+[S]) 분포를 확인하기 위하여 AES(Auger Electron Spectroscopy) 및 SIMS(Secondary ion mass spectrometry) 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 7의 AES 결과를 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우, 박막의 표면에 황의 농도([S]/([Se])+[S])가 30 at% 이상으로 높고 박막 내부로 갈수록 농도가 2~3 at%까지 줄어드는 전형적인 황 농도 구배(gradient)가 형성된 것을 볼 수 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 경우, 표면과 아주 가까운 영역을 제외하면(실질적으로 내부 영역), 비교예 1의 황을 포함하지 않는 박막과 마찬가지로 박막 전체 두께에서 황 농도가 1 at% 이내로 매우 낮음을 확인할 수 있다.
그러나, EDS 및 AES는 수 at% 수준 이내의 매우 적은 황의 농도를 정밀하게 측정할 수 없기 때문에, 추가로 SIMS 분석을 실시하였다. 도 7의 SIMS 결과를 참조하면, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 황 농도에 비해, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 황 농도는 1 order 이상 작고, 비교예 1에 의해 제조되어 황을 거의 포함하지 않는 CIS 계 박막의 황 농도는 이보다도 1/2 배 정도 더 작은 것을 알 수 있다. 예를 들어, 비교예 2에 의해 제조된 CIS 계 박막의 일정 깊이(sputter time 12 여분) 이후에는 황 농도가 일정한 값을 나타내고, AES 분석에 따라 이 값이 약 2~3 at%에 해당되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 내 황의 농도는 0.2 at% 수준이며, 비교예 2에 따른 박막 내 황의 농도는 0.1 at% 이하일 것으로 판단된다. 즉, 본 발명에 의하면 황 도핑 농도가, 통상의 CIS 계 박막의 황화 공정에 의한 것(수 at% 이상)보다 매우 낮은, 0.2 at%(AES, SIMS 분석 의해) 내지 2 at%(EDS, XRD 분석에 의해) 범위인 CIS 계 박막을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예의 황의 농도가 약 0.2 at%.이고, 비교예 1의 황의 농도가 이보다 약 1/2배 정도 작은 약 0.1 at% 임을 근거로 볼 때, 황에 의한 셀레늄 빈자리의 패시베이션 효과가 뚜렷하게 나타나는 임계 황 농도는, 그 두 농도 수치의 사잇값으로 보는 것이 타당하다.
한편, 도 7에 도시한 것처럼, 비교예 1보다 황의 농도가 1/3 이상 작은 비교예 1-1의 경우, 박막의 미세구조, 밴드갭, 및 광전 특성이 비교예 1과 유사한 것으로 보아, 황 농도가 0.1 at% 미만일 경우에는 셀레늄 빈자리 패시베이션 효과가 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 반면, 도 7에 도시한 것처럼, 실시예보다 황의 농도가 약 3배 가량 높은 실시예-1의 경우, 태양전지의 광전 특성은 도 9의 실시예의 그것과 매우 유사하여 셀레늄 빈자리의 패시베이션 효과가 뚜렷하게 드러나지만, 미세구조 및 결정성 열화가 일부 진행된 것을 확인하였다.
또, 비교예 1의 황을 포함하지 않는 박막이 그러한 것과 같이, 본 발명의 실시예에 의에 제조된 CIS 계 박막 내부의 황 분포도 박막 전체 두께에 걸쳐 대체로 균일하여, 황 농도의 최대값과 최소값의 차이가 1 at% 이하인 것을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명에 의하면 CIS 계 박막 태양전지의 밴드갭 조절 등의 목적으로 과량의 황을 첨가할 때 통상적으로 관찰되는 황의 농도 구배 없이 황의 분포가 박막 전체에서 균일한 CIS 계 박막을 제공할 수 있음을 보여준다.
상기 실시예 및 비교예 1, 2에 의해 제조된 CIS 계 광흡수층 박막을 태양전지로 완성시키기 위하여, 제조된 CIS 계 박막을 황산카드뮴, 싸이오요소, 암모니아수 및 증류수가 혼합된 수용액에 담가 60 ℃에서 10분간 화학적용액성장법으로 버퍼층인 CdS 박막을 입히고, 그 위에 RF 마그네트론 스퍼터링(RF-magnetron sputtering)으로 진성 산화아연(intrinsic ZnO)층과 알루미늄이 도핑된 산화아연(Al-doped ZnO) 층을 증착함으로써 윈도우 층을 형성하였다. 다시 그 위에 진공 증착기로 니켈과 알루미늄 층을 각각 50 nm, 400 nm 두께로 증착하여 태양전지 소자를 제작하였다.
Photon-to-current conversion efficiency measurement system (PV Measurements사)을 사용하여 측정한 외부 양자효율로부터 상기 실시예 및 비교예 1, 2에 의해 제조한 박막 태양전지 소자의 광흡수층 밴드갭을 추출하였고, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, 비교예 1에 의해 제조되어 황을 포함하지 않은 CIS 계 박막의 밴드갭은 1.01 eV로 측정되었다. 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 박막의 경우, 황 도입에 따른 격자 수축에 수반되는 밴드갭 증가(1.06 eV)가 관찰되었다. 반면, 본 발명의 실시예에 따라 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 박막의 밴드갭은 황을 포함하지 않은 박막과 같은 1.01 eV로 측정되었다. 이는, 본 발명에 의하면 황을 첨가할 때 수반되기 마련인 밴드갭의 증가 없이도 황을 포함하는 CIS 계 박막을 제공할 수 있음을 보여준다.
Yamashita Denso사의 YSS-50S(class-AAA) 솔라 시뮬레이터를 사용하여 상기 실시예 및 비교예 1, 2에 의해 제조한 CIS 계 박막 태양전지 소자의 전류-전압 특성 그래프를 측정하여 그 결과를 도 9에 도시하고, 해당 광전인자를 표 2에 정리하였다.
Figure PCTKR2019016722-appb-T000002
도 9를 참조하면, 비교예 1에 의해 제조된 태양전지는 개방전압(VOC) 0.400 V, 단락전류밀도(jSC) 36.0 mA/cm2, 충진율(FF) 0.607, 광전변환효율(Eff)은 8.75%로 측정된 반면, 비교예 2에 의해 제조된 태양전지는 개방전압 0.318 V, 단락 전류 밀도 16.7 mA/cm2 , 충진율 0.440, 광전변환효율 2.34%의 매우 낮은 광전 특성이 관찰되었다.
상술한 바와 같이, 비교예 2에 의해 제조되어 다량의 황을 포함하는 CIS 계 박막은 비교예 1에 의해 제조되어 황을 포함하지 않은 박막보다 밴드갭이 증가했지만, 미세구조 및 결정성의 열화로 인해 태양전지 특성이 나빠진 것으로 추정된다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 태양전지는 개방전압 0.461 V, 단락 전류 밀도 34.7 mA/cm2, 충진율 0.680, 광전변환효율은 10.9%로 측정되었다.
즉, 본 발명의 실시예에 따라 제조되어 미량의 황을 포함하는 CIS 계 태양전지는 비교예 1의 황을 포함하지 않는 CIS 계 태양전지에 비해 개방전압, 충진율 및 광전변환효율이 두드러지게 증가하였는데, 이는 미량의 황이 첨가됨에 따라, CIS 계 박막 내에 존재하는 셀레늄 빈자리(selenium vacancy)를 패시베이션(passivation)하는 황의 결함화학적 역할로 인해, 재결합에 의한 CIS 계 태양전지의 개방전압 및 충진율 손실이 억제되었기 때문으로 판단된다.
이는, 도 10의 CIS 계 태양전지의 photoluminescence(PL) 특성 측정 결과로부터 확인되는데, 비교예 1에 의해 제조되어 황을 포함하지 않은 CIS 계 태양전지의 PL 피크가 0.91 eV에서 미약하게 나타나는 반면, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되어 미량의 황을 포함하는 태양전지의 경우 CIS 계 박막의 밴드갭과 유사한 0.99 eV에서 강한 PL emission이 관찰된다. 이 결과는, 비교예 1의 황을 포함하지 않은 박막 내에서 비방사 재결합(non-radiative recombination)을 유도하는 결함(defect)이 미량의 황 도입에 의해 제거되었음을 의미하고, 실시예에 의한 CIS 계 태양전지의 개방전압이 비교예 1에 비해 크게 증가한 현상을 잘 설명해 준다.
비교예 1과 실시예에 의해 제조된 두 박막은 결정성, 밴드갭 등의 주요 박막특성이 매우 유사하고, 오로지 미량의 황 존재 유무에서만 서로 다르므로, 상술한 재결합 특성 차이를 유발한 결함은 황의 도입에 의해 농도변화를 일으킬 수 있는 결합종이고, 이는 같은 음이온인 셀레늄 자리의 vacancy일 가능성이 매우 높다.
이상에서 본 것과 같이, 본 발명은 CIS 계 광흡수층 박막에 미량의 황을 첨가하는 공정을 통해, 황 도입에 따른 박막의 결정성 열화가 없고, 박막 내 황의 분포가 균일하고, 밴드갭 증가가 없으며, 광흡수층 내 셀레늄 빈자리와 같은 결함 패시베이션이 가능한 고품질의 CIS 계 화합물 박막을 제공할 수 있다. 또한, 박막의 밴드갭을 증가시키지 않고도, 황 도입에 의한 결함화학적 재결합 방지 효과에 의해 재결합에 의한 태양전지 효율 손실을 줄일 수 있으며, 따라서 광전압 및 충진율이 개선된 고효율의 CIS 계 박막 태양전지를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. CIS 계 박막에 있어서,
    상기 CIS계 박막은 아래 수학식의 조성을 가지고,
    상기 CIS계 박막 내부에 황의 도핑 농도가 0.1 내지 4 at%인 것을 특징으로 하는 CIS 계 박막.
    Cu(A1-x Bx)Se2
    상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In, Ga, Zn, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ x ≤ 1이다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 CIS 계 박막은 밴드갭이 1.00 내지 1.01 eV 범위인 것을 특징으로 하는 CIS 계 박막.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 CIS계 박막 내부에 황의 도핑 농도는 0.2 내지 2 at% 범위인 것을 특징으로 하는 CIS 계 박막.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 CIS 계 박막의 깊이 방향으로 표면영역을 제외하고 황 농도의 최대값과 최소값의 차이가 1 at% 이내인 것으로 특징으로 하는 CIS 계 박막.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항의 CIS계 박막을 포함하는 태양전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 CIS계 박막은 페로브스카이트 태양전지와 더불어 CIS계 태양전지 구조를 적층한 탠덤 태양전지를 구성할 때 CIS 계 태양전지의 광흡수층으로 이용되는 태양전지.
  7. CIS 계 박막 제조 방법에 있어서,
    아래 수학식을 갖는 CIS계 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 CIS계 박막에 황을0.1 내지 4 at%의 도핑농도로 도입하는 단계를 포함하는 특징으로 하는 CIS 계 박막 제조방법.
    Cu(A1-x Bx)Se2
    상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In, Ga, Zn, Sn 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ x ≤ 1이다.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 CIS계 박막을 형성하는 단계는 스퍼터법, 전착법, 용액법, 나노입자법 또는 동시증발법 을 통해 형성되는 CIS 계 박막 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 CIS계 박막을 형성하는 단계는 셀렌화 열처리 단계를 포함하고,
    상기 황을 도입하는 단계는,
    셀렌화 열처리 단계 이전에 황화 열처리를 진행하는 방법, 셀렌화 단계 이후에 황화 열처리를 진행하는 방법, 또는 셀렌화-황화 열처리를 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 CIS 계 박막 제조방법.
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