동시스퍼터링 증착 후 급속열처리 CIS 박막 특성

Abstract

높은 광흡수계수 및 1.04 eV의 적합한 밴드갭 에너지를 갖는 이유로 CuInSe2 (CIS) 박막이 이종접합 박막 태양전지 응용에서 광흡수층으로 사용되어지고 있다. CIS 박막 태양전지는 최근 20%를 상회하는 변환효율을 달성함으로써 신재생에너지 산업의 가장 유력한 광기전력 소자로 고려되어지고 있다. CIS 박막은 일반적으로 동시진공증착(co-evaporation) 방법으로 제조되어지는데, 필수적인 셀렌화(selenization) 공정을 위하여 셀렌(selenium) 가스를 사용하게 되어 고가의 복잡한 장비가 필요하며 각각의 원소들에 대한 증착률의 정확한 제어가 어려운 대량 생산에의 심각한 문제가 있다. 본 논문에서는 마그네트론 동시스퍼터링(co-sputtering) 방법으로 이셀렌구리(CuSe2) 및 인듐(In) 타겟을 사용하여 증착하고 질소(N2) 가스 분위기에서 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA) 공정을 적용하여 CIS 박막을 제조하는 방법을 최초로 제안하였다. CIS 박막 내의 셀렌(Se)의 조성비는 셀렌의 휘발 특성에 기인하여 고온 및 장시간 열처리 공정을 적용하였을 시에 고효율 태양전지 소자에서 요구하는 수준 이하로 제작되어 진다. 따라서 급속열처리 공정을 적용하여 비교적 저온에서 짧은 시간동안 열처리를 수행함으로써 셀렌의 정확한 조성비 제어를 가능하게 하여 추가적인 셀렌 포함 가스의 주입 없이 열처리 공정을 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 동시스퍼터링 공정에서 인듐 타겟의 스퍼터링 파워를 조정함으로써 CIS 박막의 화학량론적인 조성비를 제어할 수 있다. 이상의 공정을 통하여 제조한 박막에서 CIS 칼코파이라이트(chalcopyrite) 결정구조가 (112) (220)/(204) (312)/(116) 면을 따라서 성장하였음을 X-ray 회절(X-ray diffraction) 분석을 통해서 확인할 수 있었다. 급속열처리 공정을 수행한 CIS 박막의 화학조성 분석에서 다소간 Se의 휘발이 발생함을 확인하였으며, 인듐에 대한 스퍼터링 파워가 상대적으로 낮았을 때에는 구리(Cu)-초과 및 셀렌-부족 박막 및 상대적으로 높았을 때에는 구리-초과 및 셀렌-과잉 박막이 형성되었다. 급속열처리 공정을 수행한 CIS 박막의 광학적 특성을 조사하였을 때에 밴드갭 에너지(Eg)는 인듐의 조성비에 따라서 0.98~1.49eV으로 변화하였고, 이는 구리/인듐 조성비 편차인 Δm의 경향성과 정확히 반비례하는 결과임을 확인할 수 있었다. 급속열처리 공정을 수행한 CIS 박막의 평균 흡광도(absorbance)는 1.24로써 이는 가시광~근적외선(400~1500nm)의 입사광 91.7%가 약 500nm 두께의 CIS 박막 광흡수층에 흡수됨을 나타낸다. 캐리어 농도는 급속열처리 공정을 수행한 CIS 박막 모두에서 p형 전도특성과 1017 - 1021 cm-3 수준을 나타내었고, 비저항은 10-3 - 101 Ω-cm로써 구리-초과 조성 및 높은 캐리어 농도에 기인하여 기존에 보고된 수준보다 우수한 특성을 나타내었다.