박막 태양전지용 비화학양론적 CIGST 박막의 물성 및 응력 연구

Abstract

Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 칼코파이라이트 반도체의 효율 향상은 23.4%까지 급증했다. CIGS 칼코파이라이트 반도체는 높은 광흡수율(>105cm-1)과 조정이 가능한 밴드갭(Eg = 1.04~1.68eV) 등으로 인해 박막태양전지용으로 유망한 재료이다. ClGS 박막의 제조에 대한 다양한 접근 방식도 개발되었지만, 기존 방법은 공정복잡성, 장비비용, 느린 증착속도 및 낮은 재현성과 같은 몇가지 단점이 보고되었다. 최근에는 스퍼터링으로 Cu-In-Ga 전구체를 제조한 후 H2Se와 같은 Se 함유 가스를 사용하여 셀렌화를 진행하는 CIGS 박막 제조 방법으로 제안되었다. 따라서 독성 및 비환경적인 Se 함유 가스를 사용하는 추가적인 셀렌화 공정없이 CIGS 박막을 제조할 수 있는 친환경적이고 간단하며 저렴한 방법의 공정 방법의 개발이 필요하다. 보고된 비셀렌화 방법으로는 높은 온도에서 긴 시간 동안 열처리 하였을 경우에 Se이 휘발되어 박막에서 결정립 성장이나 결정 결함 제거를 통해 우수한 박막 결정 품질을 얻을 수 없었다. 본 연구에서는 균일한 CIGS의 공간 전하 영역에 Te을 주입하여 CulnGaSe2-xTex(CIGST) 박막을 제조하는 방법을 제안하고, 이를 위해 라디오주파수(RF) 마그네트론 동시 스퍼터링 기술을 수행하였다. Te는 Se와 유사한 궤도 구성을 가지며, p-d 및 s-p 전이에 참여하여 순서 결함 화합물을 형성하고 박막에서 미세 결정을 형성한다. CIGST 박막은 Cu0.9In0.7Ga0.3Se2 및 Te 타겟으로 증착되다. Te 및 Se의 조성은 CIGS 박막에서 Se 함량 손실을 보완하기 위해 원하는 비화학양론에 따라 증착 시간을 변경하여 조정되었다. 이 연구의 목적은 박막태양전지 응용 분야에서 Se 휘발에 대한 비화학양론적 CIGST 박막 형성에 적합한 조건을 결정하는 것이다. CIGST 박막은 급속열처리(RTA) 사용하여 셀렌화 공정없이 진행되었다. CIGST 박막의 미세구조 특성은 XRD를 이용하여 분석하였다. CIGST 박막의 형상 및 조성은 전계방출주사전자 현미경(FESEM)과 결합된 에너지분산형 X-선 분광기(EDX)를 사용하여 조사되었다. CIGST 박막의 광학적 특성과 홀특성은 UV-Visible 분광계와 홀효과 측정 시스템을 이용하여 분석하였다.|Efficiency improvement of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) chalcopyrite semiconductors rapidly increased up to 23.4%. CIGS chalcopyrite semiconductors are promising materials for thin-films solar cell due to its high optical absorption (>105 cm-1) and tunable band gap (Eg = 1.04 - 1.68 eV). Various approaches to the manufacture of ClGS thin films have also been developed, but this conventional method has several drawbacks such as process complexity, equipment cost, slow deposition rate, and poor reproducibility. Selenization of the sputtered Cu-ln-Ga precursors using Se-containing vapor, such as H2Se was also proposed as a suitable low cost preparing method for CIGS thin films. An eco-friendly, simple and cheap method for fabricating CIGS thin films without additional selenization process using Se-containing vapor needs to be developed; however, a sufficiently good crystal quality could not be attained through either the grain growth or the removal of crystal defects because the loss of Se in the thin films due to volatilization in heat treatment at higher temperatures for longer times could not be suppressed. In this study, radio-frequency (RF) magnetron co-sputtering technique is carried out in order to prepare CulnGaSe2-xTex (CIGST) thin films by incorporating tellurium (Te) in to the space charge region of homogenous CIGS. Te has a similar orbit configuration of Se, which participates in p–d and s–p transitions to form the order defect compound and develop microcrystalline in thin films. CIGST thin films were deposited with Cu0.9In0.7Ga0.3Se2 and Te targets. Te and Se composition were adjusted roughly by changing the deposition time according to the desired stoichiometry to complete the losing of Se content in CIGS thin films, in advance of rapid thermal annealing (RTA) without selenization process. The purpose of this study is to examine several properties and to determine the suitable conditions for the formation of non-equilibrium CIGST thin films against the Se volatilization for the photovoltaics applications. The CIGST films were heat treatment by using rapid thermal annealing. Microstructural properties of the CIGST thin films were analyzed by using X-ray diffraction. Composition and the morphology of the CIGST thin films were characterized by using an energy dispersive X-ray spectroscope combined with a field-emission scanning electron microscope. Optical properties and Hall characteristics of the CIGST thin films were analyzed by using a UV-Visible spectrometer and a Hall effect measurement system.