Characteristics of CIGS Thin Films Fabricated by Using Post-Annealing Processes after Sputtering

Abstract

최근 칼코파이라이트 격자구조인 다결정 CIGS 박막이 태양전지 산업에서 흡수층으로서 커다란 관심을 받고 있다. 그 이유는 이종접합 구조를 갖는 CIGS 태양전지가 기존의 다결정 실리콘 태양전지의 최고 효율과 대등한 20.4%의 변환효율을 달성하였기 때문이다. 뿐만 아니라 Ga/(In+Ga)의 화학적 조성 비율에 의해서 밴드갭 에너지(1.04 ~ 1.68eV)를 조정할 수 있다는 특성이 CIGS 박막에 관심을 쏟게 만드는 원인이 되고 있다. 종래의 CIGS 제조 공정에는 동시증발법과 후속 셀렌화 공정이 널리 통용되고 있지만 공정의 복합성과 느린 증착속도 및 낮은 재현성과 고비용이라는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 CuSe2 합금 타겟과 In 및 Ga 타겟을 사용한 스퍼터링 공정을 통해 셀레늄과 황화 가스 분위기를 배제한 방법을 제안하였다. 게다가 다양한 어닐링 공정으로는 로(Furnace)열처리, 급속열처리(RTA), 레이저어닐링등을 이용하여 박막의 특성을 개선하는 연구를 진행하였다. 먼저 RF 스퍼터링 방법으로 증착한 CIGS 박막에 전기로 열처리와 급속열처리를 수행한 시료들의 특성을 비교 분석하였다. 이후 다층 구조(CuSe2/Ga/In/CuSe2)로 스퍼터링 증착한 CIGS 박막의 Ga/(In+Ga)의 두께비의 조절을 통해 Ga 및 In 성분비 제어 가능성 타진과 최적 공정조건으로 제조한 CIGS 박막의 특성을 분석하였다. 마지막으로 RF 스퍼터링을 통해 CIGS 박막을 증착한 후, Nd:YAG(532nm) 레이저의 파워를 달리하여 레이저어닐링을 수행한 박막의 특성에 대하여 비교 연구하였다. 이와 같은 모든 실험에서 CIGS 박막의 결정과 구조적 특성을 분석하기 위하여 X-ray diffraction(XRD)를 사용하였고, 전기적·광학적 특성을 분석하기 위해 UV-Visible spectrophotometer과 Hall effect measurement system을 사용하였다. 실험결과 400℃에서 RTA를 수행한 박막에서 전기로에서 열처리한 박막에 비해 전기적·광학적 특성이 더욱 우수하였다. Ga/(In+Ga)의 두께비를 조절 비교한 실험에서는 분석을 통해 비율이 0.5에서 0.2로 감소할수록 저항이 3.72×102Ω-cm에서 6.15×10-3Ω-cm으로 감소하였고, 밴드갭 에너지 역시도 1.88eV에서 1.73eV으로 한다는 결과를 확보할 수 있었다. 뿐만 아니라, 레이저어닐링을 사용해서 CIGS에 해당하는 칼코파이라이트 상을 형성할 수 있음을 확인하였고, 3.2 watt로 레이저 어닐링을 수행하였을 때 최적의 특성을 확보하였다. 최종적으로 본 논문을 통해 우수한 품질을 가지는 대면적의 대량 생산이 가능한 CIGS 박막을 스퍼터링 방법으로 제작이 가능하였으며, 셀렌화/황화 공정의 배제로 저가의 비오염/저위험성 공정이 가능한 새로운 방법을 제시하였다. 기존 전기로 열처리 공정에 급속열처리 공정을 최적화 하였으며, 새롭게 레이저어닐링 공정을 제안하여 우수한 특성의 CIGS 박막의 제조가 가능해짐에 따라 높은 효율을 갖는 고품질의 CIGS 박막 태양전지를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.