KR101552968B1 - Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells - Google Patents
Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells Download PDFInfo
- Publication number
- KR101552968B1 KR101552968B1 KR1020130158514A KR20130158514A KR101552968B1 KR 101552968 B1 KR101552968 B1 KR 101552968B1 KR 1020130158514 A KR1020130158514 A KR 1020130158514A KR 20130158514 A KR20130158514 A KR 20130158514A KR 101552968 B1 KR101552968 B1 KR 101552968B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- cigs
- substrate
- cigs thin
- sputtering
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 102
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 65
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 44
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 claims abstract description 20
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 5
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 description 5
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 3
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N chalcopyrite Chemical compound [S-2].[S-2].[Fe+2].[Cu+2] DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052951 chalcopyrite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 239000005361 soda-lime glass Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
- H10F19/30—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
-
- 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
- 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 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 (112) 방향으로 배향되게 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.The present invention relates to a CIGS thin film fabrication method capable of enhancing the conversion efficiency of a thin film solar cell device, a thin film solar cell fabrication method using the same, and a thin film solar cell.
The CIGS thin film manufacturing method of the present invention includes: a substrate placing step of placing a substrate in a sputtering apparatus; And a CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film oriented in the (112) direction on the substrate.
Description
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.
The present invention relates to a CIGS thin film manufacturing method and a thin film solar cell manufacturing method using the CIGS thin film, and more particularly, to a CIGS thin film manufacturing method capable of enhancing the conversion efficiency of a thin film solar cell device, A thin film solar cell manufacturing method, and a thin film solar cell.
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. Recently, serious environmental pollution problem and depletion of fossil energy are increasing importance for next generation clean energy development. Among them, solar cell is a device that converts solar energy directly into electrical energy. It is expected to be an energy source capable of solving future energy problems because it has low pollution, has endless resources, and has a semi-permanent lifetime.
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.These solar cells are classified into various types according to the materials used as the light absorbing layer, and they are classified into silicon solar cells and fuel sensitive solar cells. However, due to the shortage of supply of silicon, prices have recently risen and CIGS (Copper, Indium, Gallium), which has a low manufacturing cost and has a bandgap of about 1.04eV which is ideal for absorbing sunlight, and Selenide) thin film solar cells are attracting attention.
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.The CIGS thin film solar cell is formed by sequentially laminating a back electrode, a light absorbing layer made of CIGS, a buffer layer and a transparent electrode on a substrate made of glass or metal.
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.At this time, the buffer layer is generally made of cadmium sulfide (CdS), the upper electrode layer is made of zinc oxide (ZnO), and the light absorption layer is formed by co-evaporation or metal- And the like.
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.In the simultaneous evaporation method, copper, copper, indium, gallium, and selenium are used as thermal elements to simultaneously evaporate the unit elements to form a light absorbing layer on a high temperature substrate formed with an electrode layer. Cu), indium (In), gallium (Ga), and selenium (Se) are consumed so that the utilization efficiency of each unit element is low and it is difficult to apply it to a large area substrate.
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.As shown in FIG. 1, a selenization process of a metal precursor comprising a two-step process including a precursor deposition process and a selenization process that performs a heat treatment is performed by sputtering a substrate having an electrode layer on a substrate, such as copper (Cu), indium A precursor consisting of gallium (Ga) and selenium (Se) is sequentially vacuum-deposited, and then a selenization process is performed at a high temperature to form a light absorption layer. Therefore, toxic gases such as H 2 Se must be used in the selenization process, The concentration is uneven and the composition ratio of the CIGS thin film is difficult to control.
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.
In the selenization method of the metal precursor, counter diffusion occurs between the unit elements constituting the electrode layer and copper (Cu), indium (In), gallium (Ga) and selenium (Se) at the interface between the electrode layer and the light absorption layer There arises a problem of deteriorating the characteristics of the CIGS thin film produced because the arrangement of the conduction band is changed and the interface detachment phenomenon due to the volume expansion during the selenization process of the metal precursor occurs.
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.
The CIGS thin film solar cell is a structure that converts light energy into electric energy using a polycrystalline CIGS absorption layer having various crystal directions (112, 220, and 312). In fabricating the CIGS absorption layer, it is necessary to fabricate a thin film with stable structure without crystal defects in order to minimize recombination of minority carriers generated during photoconversion and to improve carrier collection. In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention provides a CIGS thin film having a preferred orientation CIGS (112) capable of enhancing conversion efficiency of a solar cell element by minimizing defects occurring at different crystal boundaries in the CIGS absorption layer thin film, A thin film manufacturing method, a thin film solar cell manufacturing method using the same, and a thin film solar cell.
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 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 (112) 방향으로 배향되게 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for fabricating a CIGS thin film, comprising the steps of: placing a substrate in a sputtering apparatus; And a CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film oriented in the (112) direction on the substrate.
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the substrate temperature during the CIGS thin film deposition step is from room temperature to 600 ° C.
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.In the present invention, the CIGS thin film deposition step is performed by applying a pressure of 0.1Pa to 1.0Pa in the state of RF power of 50W to 500W (RF Power Density: 0.637 to 6.366W / cm2) and argon gas of 10 to 50sccm .
본 발명에서 상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the CIGS single target is Cu y In 1-x Ga x Se 2 (x = 0 to 1, y = 0.5 to 1).
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the CIGS thin film deposition step may be performed such that a distance between the substrate and the CIGS single target is 10 mm to 200 mm.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 (112) 방향으로 배향되게 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계; 상기 CIGS 박막 위에 버퍼층이 형성되는 단계; 및 상기 버퍼층 위에 상부 전극층이 형성되는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention includes: a substrate placing step of placing a substrate in a sputtering apparatus; A CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film to be oriented in the (112) direction on the substrate; Forming a buffer layer on the CIGS thin film; And forming an upper electrode layer on the buffer layer.
삭제delete
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the substrate temperature during the CIGS thin film deposition step is from room temperature to 600 ° C.
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.In the present invention, the CIGS thin film deposition step is performed by applying a pressure of 0.1Pa to 1.0Pa in the state of RF power of 50W to 500W (RF Power Density: 0.637 to 6.366W / cm2) and argon gas of 10 to 50sccm .
본 발명에서 상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the CIGS single target is Cu y In 1-x Ga x Se 2 (x = 0 to 1, y = 0.5 to 1).
본 발명에서 상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the CIGS thin film deposition step may be performed such that the substrate and the CIGS single target are spaced apart by 10 to 200 mm.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지는 상술된 박막 태양전지의 제조방법에 의해 제조된다.
A thin film solar cell according to an embodiment of the present invention is manufactured by the above-described method of manufacturing a thin film solar cell.
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.
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the conversion efficiency of a thin film solar cell device by fabricating a crystallographically stable CIGS thin film by minimizing defects occurring at different crystal boundary boundaries. That is, when crystal planes grown in various directions exist in the thin film, movement of carriers generated by light energy at the interface is limited, which may hinder the efficiency of the solar cell device. The CIGS thin film solar cell element efficiency can be increased by fabricating a CIGS absorption layer in which a plurality of crystal planes causing interfacial defects are eliminated and only the
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.1 is a schematic view showing a conventional CIGS thin film manufacturing method using a metal precursor.
FIG. 2 is a schematic view showing a (112) preferred orientation CIGS thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is an SEM image of a CIGS thin film grown by single process sputtering according to the process temperature.
4 is a graph showing XRD characteristics of a CIGS thin film grown by single-process sputtering according to a process temperature.
5 is a graph showing Raman characteristics of a CIGS thin film grown by single-process sputtering according to a process temperature.
6 is a graph showing the optical bandgap characteristics of a CIGS thin film grown by a single process sputtering process according to a process temperature.
7 is a graph showing the electrical characteristics of the CIGS thin film grown by single-process sputtering according to the process temperature.
8 is a TEM image of a CIGS thin film grown by single-process sputtering at process temperature RT.
9 is a TEM image of a CIGS thin film grown by single-process sputtering at a process temperature of 500 ° C.
10 is a TEM image of a CIGS thin film grown by single-process sputtering at a process temperature of 600 ° C.
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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings.
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.
In addition, when a part is referred to as being "connected" with another part throughout the specification, it includes not only a direct connection but also indirectly connecting the other parts with each other in between. Also, to "include" an element does not exclude other elements unless specifically stated otherwise, but may also include other elements.
이하, 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2은 본 발명의 실시 예에 따른 (112) 우선 배향 CIGS 박막 제조방법을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a method of manufacturing the (112) preferred oriented CIGS thin film according to the embodiment of the present invention.
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 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함한다.As shown in FIG. 2, (112) the preferred orientation CIGS thin film manufacturing method according to the embodiment of the present invention includes: a substrate placing step of placing a substrate in a sputtering apparatus; And a CIGS thin film deposition step of depositing a CIGS thin film on the substrate by sputtering a CIGS single target by one-step sputtering.
이때, CIGS 단일 타겟으로는 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)가 사용된다.At this time, Cu y In 1-x Ga x Se 2 (x = 0 to 1, y = 0.5 to 1) is used as a CIGS single target.
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.In the (112) preferred orientation CIGS thin film manufacturing method according to the embodiment of the present invention, a pressure of 0.1Pa to 1.0Pa is maintained while an argon gas of 10 to 50sccm is injected, and a pressure of 50W to 500W RF Power Density: 0.637 to 6.366 W / cm 2) was applied to the substrate and the substrate temperature was in the range of room temperature to 600 ° C., and a CIGS single target was placed on molybdenum The reason for sputtering is as follows.
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.Generally, in a sputtering apparatus, after an inert gas (for example, argon gas) is injected into a vacuum chamber, electrons emitted from the cathode by an RF voltage applied to the cathode collide with argon atoms and are ionized with argon ions At this time, the argon atoms are ionized and energy is released by the electrons lost, and a glow discharge is generated. In the vacuum chamber, a purple plasma in which ions and electrons coexist is formed.
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.At this time, when the argon ions in the plasma accelerate toward the cathode and collide with the target surface, neutral target atoms are separated and deposited on the substrate. If the amount of argon gas in the vacuum chamber is too small, glow discharge is not formed, And the yield of the neutral atoms falling from the sputtering target is small, so that the process time becomes long.
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.Also, when the amount of argon gas is too large, the number of neutral atoms colliding with the argon ions (Ar +, Ar) and atoms in the plasma when the neutral ion atoms separated from the surface of the sputtering target are deposited on the substrate, It is preferable to inject 10 to 50 sccm of argon gas.
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.The process pressure, which is calculated by the sum of the pressure in the vacuum chamber and the pressure of the inert gas, is preferably at most 1.0 Pa or less according to the principle of the partial partial pressure (the amount of argon gas) 0.1 Pa), the plasma is formed through the glow discharge. Therefore, the pressure chamber should be maintained at a pressure of 0.1 Pa to 1.0 Pa in a state where Ar gas is injected at 10 to 50 sccm in the vacuum chamber during the manufacture of the CIGS thin film using a single process .
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.On the other hand, when the RF power is too small (less than 50 W) in manufacturing a CIGS thin film using a single process, the plasma is not formed, but the amount of argon ionized is too small to form a thin film on the substrate If time is required and the RF power is too high (ie, greater than 500 W), there is an advantage in increasing the energy and amount of sputtered particles from the target surface, but too large a current density will flow toward the cathode, It is preferable that the RF power is applied in the range of 50W to 500W.
이에 따라, 인가된 RF Power/타겟 면적 값으로 계산되는 RF Power Density는 0.637~6.366W/㎠(본 발명에서는 4인치 타겟이 사용됨)을 갖게 된다.Accordingly, the RF Power Density calculated from the applied RF Power / target area value has 0.637 to 6.366 W / cm 2 (4 inch target is used in the present invention).
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.On the other hand, the temperature increase of the substrate during the CIGS thin film fabrication using a single process increases the mobility of the particles when the sputtered particles are deposited on the substrate (that is, the kinetic energy of the particles increases due to thermal energy at the base) The crystallization and densification of the thin film are influenced by allowing the particles to be disposed thereon. Therefore, a proper process temperature is important. Generally, there is no problem in carrying out the thinning process at room temperature. However, when the process temperature is too high (Or the melting point) of the sputtering target is lower than the role of contributing to the stabilization by supplying energy to the sputtered particles, the physical properties of the sputtering target are lost, and thus the process temperature (or the substrate temperature) .
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.Finally, the distance between the substrate and the target, which refers to the distance the sputtered particles reach the substrate portion, can be described by the concept of a " mean ferr path ", where the distance between the substrate and the target is short ) As the sputtered particles migrate to the substrate, collisions with various radicals, neutral atoms, ions, electrons in the plasma sheath degrade the deposition rate and the film quality, If the length is too long (i.e., more than 200 mm), there is an advantage that the free movement path for sputtered particles to the substrate becomes longer and the quality of the thin film is improved. However, since the loss rate of the sputtered particles increases, It is preferable that the substrate and the target are arranged so as to be separated from each other by 10 mm to 200 mm.
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.
On the other hand, when the CIGS thin film is deposited on the substrate, the substrate rotates in the sputtering apparatus, and the CIGS thin film is grown on the substrate in a specific direction (direction (112) in the present invention) .
실시 예Example
먼저, 스퍼터링 장치 내에 기판을 안착시킨다.First, the substrate is placed in the sputtering apparatus.
이때, 기판은 100×100㎟의 크기를 갖는 소다라임 글래스 기판이 사용된다.At this time, a soda lime glass substrate having a size of 100 x 100 mm < 2 > is used.
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.After the substrate was placed in the sparger device, RF power of 300 W was applied to the sputtering device to form a CIGS thin film on the substrate, 30 sccm of argon gas was injected into the sputtering device, and 30 sccm of argon gas was injected The sputtering apparatus is controlled so that a pressure of 0.43 Pa is maintained.
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.On the other hand, if the distance between the substrate and the CIGS single target is too high, the quality is improved but the thickness of the substrate grown on the substrate becomes thin, so that a long process time is required to grow the CIGS thin film to an appropriate thickness, It is desirable to set the distance.
이를 위해, 본 발명에서는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이의 거리가 110㎜ 이격 되게 배치된다.For this, in the present invention, the distance between the substrate and the CIGS single target is set to be 110 mm.
이때, CIGS 단일 타겟으로는 4인치짜리 CuIn0.8Ga0.2Se2가 사용된다.At this time, CuIn 0.8 Ga 0.2 Se 2 of 4 inches is used as a CIGS single target.
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.When the process conditions for depositing the CIGS thin film are set, the CIGS thin film is deposited on the substrate by sputtering the CIGS single target while setting the substrate temperature such that the substrate is at a specific temperature.
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.At this time, the substrate temperature is set at RT (normal temperature), 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C. and 600 ° C., and the temperature rises at a rate of 1 to 15 ° C./min, preferably 9 ° C./min , The substrate temperature is maintained for 30 minutes to 3 hours, preferably 1 hour at each temperature (for example, when the substrate is heated to RT-> 100 ° C, 300 ° C -> 400 ° C) 300 ° C for 1 hour) and then CIGS thin film is grown on the substrate through single process sputtering.
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.
As shown in FIG. 3, the CIGS thin film grown with (112) preferential orientation by such a manufacturing method has an increased particle size as the temperature increases and has improved adhesion to the substrate as compared with the thin film grown by polycrystals, (112) direction, thereby solving the grain boundary defect problem.
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.Table 1 shows the compositional characteristics of the CIGS thin films prepared by single-process sputtering according to the process temperature. As can be seen from Table 1, the CIGS thin film grown in (112) preferential orientation according to the present invention has a composition ratio (Cu: In: Ga: Se = 1: 0.8: 0.2: 2) of the original CIGS sputtering target Showing nearly identical thin film properties.
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.It can be confirmed that the CIGS thin film can be prepared in a stable manner because it has a great influence on the efficiency reduction of the CIGS thin film solar cell when the composition is changed according to the process condition.
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.The CIGS thin film grown in (112) preferred orientation according to the present invention has a peak related to the CIGS thin film characteristic (i.e., (112)) as shown in the XRD characteristics of the CIGS thin film shown in FIG. 4, ) Exhibit excellent crystallographic properties that are not observed.
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.As shown in FIG. 5, the CIGS thin film prepared according to the process temperature RT (normal temperature) to 600 ° C had the same A1 peak value of 174 cm -1 , and the process temperature was increased The FWHM (half width) of the peak is decreased and the crystallinity of the CIGS thin film is improved.
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.Then, no secondary phase such as Cu-Se or OVC (Ordered Vacancy Compounds) was observed, and only the A1 mode value (174 cm -1 ) at Ga / (In + Ga) = 0.2 was confirmed and a single process sputtering process A CIGS thin film excellent in crystallinity can be produced.
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.As shown in FIG. 6, the CIGS thin film grown in (112) preferred orientation according to the present invention exhibits optical band gap energies of 0.90, 1.04, 1.07 and 1.09 , And 1.11 eV, respectively.
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.In general, the optimized bandgap energy of GaN / (In + Ga) = 0.2 of the optimized CIGS thin film is about 1.1 eV, but the chalcopyrite CIGS phase is not formed in the low temperature process, It can be seen that the energy is varied.
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.In other words, in the XRD and Raman characteristics of the CIGS thin films shown in FIGS. 4 and 5, as the process temperature is lowered, the FWHM (half width) of the graph is increased, which means that the crystallinity is lowered even when the CIGS phase is formed.
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.7, the CIGS thin film grown in (112) preferred orientation according to the present invention has a resistance of 10 -2 to 10 3 Ω cm, a carrier density of 10 13 to 10 20 cm -3 , , low ~ 150 cm 2 / Vs), and the CIGS thin film exhibited optimal characteristics when the process temperature was 600 ° C.
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.In the CIGS thin film grown in the preferred orientation (112) according to the present invention, as shown in FIG. 8, since the CIGS thin film grown at a low temperature grows in a random direction without orientation in a specific direction, The CIGS thin film grown at a high temperature (500 ° C, 600 ° C) is grown in the (112) preferential orientation as shown in FIG. 9 and FIG. 10, It can be seen that the thin film has stable structural, optical and electrical properties as shown in Figs. 4 to 7.
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.
As described above, (112) the preferred orientation CIGS thin film manufacturing method according to the embodiment of the present invention can compensate the grain boundary defect problem generated in the polycrystalline CIGS thin film because the GIGS thin film is grown only in a specific direction, The conversion efficiency of the battery element can be increased.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지 제조방법은 기판을 스퍼터링 장치 내에 안착시키는 기판 안착단계; 단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타겟을 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.Meanwhile, a method of fabricating a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention includes: a substrate placing step of placing a substrate in a sputtering apparatus; A CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film on the substrate; Forming a buffer layer on the CIGS thin film; And forming an upper electrode layer on the buffer layer.
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.At this time, the CIGS thin film deposited on the substrate is oriented in the (112) direction, and a detailed description of the CIGS thin film deposition step for depositing the CIGS thin film has been described in detail in the above-described CIGS thin film manufacturing method. .
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 태양전지는 상술한 박막 태양전지의 제조방법에 의해 제조된다.
Also, a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention is manufactured by the above-described method of manufacturing a thin film solar cell.
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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the embodiments described, but should be defined by the following claims as well as equivalents thereof.
Claims (12)
단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 (112) 방향으로 배향되게 CIGS 박막을 증착시키는 CIGS 박막 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.Placing a substrate in a sputtering apparatus; And
And a CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film to be oriented in the (112) direction on the substrate.
상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the substrate temperature during the CIGS thin film deposition step is from room temperature to 600 ° C.
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.The method according to claim 1,
The CIGS thin film deposition step is characterized in that a pressure of 0.1Pa to 1.0Pa is applied in a state where RF power of {50 W to 500 W (RF Power Density: 0.637 to 6.366 W / cm 2)} and argon gas of 10 to 50 sccm are injected Wherein the CIGS thin film has a thickness of 20 nm.
상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the CIGS single target is Cu y In 1-x Ga x Se 2 (x = 0 to 1, y = 0.5 to 1).
상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the CIGS thin film deposition step comprises a step of separating the substrate from the CIGS single target by 10 mm to 200 mm.
단일 공정 스퍼터링으로 CIGS 단일 타겟을 스퍼터링 시켜 상기 기판 위에 (112) 방향으로 배향되게 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.Placing a substrate in a sputtering apparatus;
A CIGS thin film deposition step of sputtering a CIGS single target by single process sputtering to deposit a CIGS thin film to be oriented in the (112) direction on the substrate;
Forming a buffer layer on the CIGS thin film; And
And forming an upper electrode layer on the buffer layer.
상기 CIGS 박막 증착단계 시 기판 온도는 상온~600℃인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the substrate temperature during the CIGS thin film deposition step is from room temperature to 600 ° C.
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.The method of claim 6,
The CIGS thin film deposition step is characterized in that a pressure of 0.1Pa to 1.0Pa is applied in a state where RF power of {50 W to 500 W (RF Power Density: 0.637 to 6.366 W / cm 2)} and argon gas of 10 to 50 sccm are injected By weight based on the total weight of the solar cell.
상기 CIGS 단일 타겟은 CuyIn1-xGaxSe2(x=0~1, y=0.5~1)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the CIGS single target is Cu y In 1-x Ga x Se 2 (x = 0 to 1, y = 0.5 to 1).
상기 CIGS 박막 증착단계는 상기 기판과 CIGS 단일 타겟 사이가 10㎜~200㎜ 이격된 상태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the CIGS thin film deposition step is performed such that a distance between the substrate and the CIGS single target is 10 mm to 200 mm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130158514A KR101552968B1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130158514A KR101552968B1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150071458A KR20150071458A (en) | 2015-06-26 |
| KR101552968B1 true KR101552968B1 (en) | 2015-09-14 |
Family
ID=53517741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130158514A Active KR101552968B1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101552968B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210014191A (en) * | 2018-12-28 | 2021-02-08 | 한국에너지기술연구원 | Manufacturing method for cigs thin film type absorber layer, manufacturing method for thin film solar cell using thereof and thin film solar cell |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102762460B1 (en) * | 2019-11-01 | 2025-02-03 | 인천대학교 산학협력단 | Method of increase of surface energy band gap of cigs photo-absorber by using sputtering-based sulfur treatment |
-
2013
- 2013-12-18 KR KR1020130158514A patent/KR101552968B1/en active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210014191A (en) * | 2018-12-28 | 2021-02-08 | 한국에너지기술연구원 | Manufacturing method for cigs thin film type absorber layer, manufacturing method for thin film solar cell using thereof and thin film solar cell |
| KR102291130B1 (en) * | 2018-12-28 | 2021-08-18 | 한국에너지기술연구원 | Manufacturing method for cigs thin film type absorber layer, manufacturing method for thin film solar cell using thereof and thin film solar cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150071458A (en) | 2015-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101628312B1 (en) | PREPARATION METHOD OF CZTSSe-BASED THIN FILM SOLAR CELL AND CZTSSe-BASED THIN FILM SOLAR CELL PREPARED BY THE METHOD | |
| CN101517122B (en) | Method for depositing an oxide layer on absorbers of solar cells, solar cell and use of the method | |
| KR101893411B1 (en) | A preparation method of solar cell using ZnS buffer layer | |
| KR101747395B1 (en) | Molybdenum substrates for cigs photovoltaic devices | |
| CN103283031A (en) | Photovoltaic device containing an n-ype dopant source | |
| KR20150142094A (en) | Solar cell comprising multiple buffer layer formed by atomic layer deposition and method of fabricating the same | |
| US10211351B2 (en) | Photovoltaic cell with high efficiency CIGS absorber layer with low minority carrier lifetime and method of making thereof | |
| US8247686B2 (en) | Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making | |
| KR101542343B1 (en) | Thin film solar cell and method of fabricating the same | |
| KR101777598B1 (en) | method for manufacturing solar cell | |
| KR101582200B1 (en) | A method for preparing CZTS thin film for solar cell | |
| KR101552968B1 (en) | Fabrication Method of CIGS Thin Films and its application to Thin Film Solar Cells | |
| KR101734362B1 (en) | Forming method for acigs film at low temperature and manufacturing method for solar cell by using the forming method | |
| KR101541450B1 (en) | Method for manufacturing CZTS-based thin film solar cell | |
| US8188562B2 (en) | Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making | |
| KR20100085769A (en) | Cds/cdte thin film solar cells and manufacturing method thereof | |
| KR20150064930A (en) | Fabrication Method of Flexible CZTS Films and its application to Thin Film Solar Cells and Thin Film Solar Cells | |
| KR102057234B1 (en) | Preparation of CIGS thin film solar cell and CIGS thin film solar cell using the same | |
| 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 (en) | Fabrication Method of CIGS Absorber Layers and its application to Thin Film Solar Cells | |
| KR101793640B1 (en) | CZTS―based absorber layer thin film for solar cell with indium, preparing method of the same and solar cell using the same | |
| JP2016518032A (en) | Manufacturing method of light absorption layer | |
| KR101552967B1 (en) | Fabrication Method of CZTS Thin Films using one-step sputtering and its application to Thin Film Solar Cells and Thin Film Solar Cells | |
| KR20150136721A (en) | Solar cell comprising high quality cigs absorber layer and method of fabricating the same | |
| KR101410673B1 (en) | Fabrication method of CIGS thin films and its application to CIGS thin film solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20131218 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20141128 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20150829 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20150908 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20150909 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180702 Year of fee payment: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20180702 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190625 Year of fee payment: 5 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20190625 Start annual number: 5 End annual number: 5 |