KR102042656B1 - A solar cell comprising czts thin film with uniform composition and a method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 기재는CZTS계 박막 태양전지를 제조하는 방법으로서, 기판을 준비하는 단계 (S1), 상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2); 상기 제 1 전극 상에 Cu 전구체, Sn 전구체 및 Zn 전구체를 증착하여, 각각 2 이상의 Cu 전구체층, Sn 전구체층 및 Zn 전구체층을 형성하는 단계 (S3); 및 상기 증착된 금속 전구체를 황화 또는 셀렌화 기체 분위기 하에서 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계 (S4)를 포함하며, 여기서, 상기 단계 (S3)는 상기 제 1 전극 상에 Zn 전구체층을 먼저 증착하고, Cu 전구체층의 양면이 Sn 전구체층과 인접하고, 상기 Sn 전구체층의 적어도 일면이 Zn 전구체층과 인접하록 금속 전구체를 증착하는 것을 포함한다. The substrate is a method of manufacturing a CZTS-based thin film solar cell, comprising the steps of preparing a substrate (S1), forming a first electrode on the substrate (S2); Depositing a Cu precursor, a Sn precursor, and a Zn precursor on the first electrode to form two or more Cu precursor layers, a Sn precursor layer, and a Zn precursor layer, respectively (S3); And (S4) forming a light absorbing layer by heat-treating the deposited metal precursor under a sulfided or selenized gas atmosphere, wherein step (S3) first deposits a Zn precursor layer on the first electrode. And depositing a metal precursor such that both sides of the Cu precursor layer are adjacent to the Sn precursor layer, and at least one side of the Sn precursor layer is adjacent to the Zn precursor layer.
Description
본 발명은 CZTS 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 균일한 조성의 광흡수층을 포함하는 CZTS 박막형 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to a CZTS thin film solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a CZTS thin film type solar cell including a light absorption layer having a uniform composition.
찰코파이라이트(chalcopyrite) 기반 태양전지 기술은 모든 박막 태양전지 기술 중에서 높은 효율을 확보할 수 있는 가능성이 크다. 상기 박막 태양전지에는 CuInSe2, CuInS2, Cu(In,Ga)Se2 등의 있다. 그러나 이러한 조성으로 이루어진 태양전지는 인듐(In)의 제한적인 매장량이라는 한계와 비싼 재료라는 문제점으로 인해서, 저가의 박막태양전지를 구현하기 위해서는 어려움이 있다.Chalcoprite-based solar cell technology is likely to achieve high efficiency among all thin film solar cell technologies. The thin film solar cell includes CuInSe 2 , CuInS 2 , Cu (In, Ga) Se 2, and the like. However, due to the limitations of limited reserves of indium (In) and the problem of expensive materials, solar cells made of such a composition have difficulty in implementing low-cost thin film solar cells.
이를 해결하기 위한 하나의 대안으로 제시되고 있는 것이 CZTS(Cu2ZnSn(S,Se)4) 계열의 광흡수층을 포함하는 박막 태양전지이다. CZTS 계열의 태양전지는 흡수층을 구성하는 물질이 지구상에 매우 광범위하게 존재하기 때문에 저가의 태양전지 구현이 용이하다. 그러나, 종래 박막 태양전지의 CZTS계 광흡수층을 제조하기 위해서는 Cu, Zn 및 Sn을 순차적으로 증착하여, 구리아연주석(CuZnSn) 전구체를 형성한 뒤, 상기 CuZnSn 전구체 위에 셀레늄(Selenium) 또는 황(sulfur)을 증착하고, 이를 열처리하여 CZTS(Cu2ZnSnSnS4) 또는 CZTSe(Cu2ZnSnSe4)의 광흡수층을 형성하는 방법이 사용되었다. One alternative solution to this problem is a thin film solar cell including a CZTS (Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 ) -based light absorption layer. CZTS-based solar cells are easy to implement low-cost solar cells because the material constituting the absorption layer is very widely present on the earth. However, in order to manufacture a CZTS-based light absorbing layer of a conventional thin film solar cell, Cu, Zn and Sn are sequentially deposited to form a copper zinc tin (CuZnSn) precursor, and then selenium or sulfur is deposited on the CuZnSn precursor. ), And heat-treated to form a light absorption layer of CZTS (Cu 2 ZnSn Sn S 4 ) or CZTSe (Cu 2 ZnSnSe 4 ).
그러나, 이러한 종래의 방법에 의해 CZTS계 광흡수층을 제조한 경우 열처리 후 광흡수층의 조성이 불균일해짐에 따라, 내부의 밴드갭 차이로 인해 Cell 효율 저하가 현저하게 나타나는 문제점이 있었다. 또한, 광흡수층의 불균일한 조성은 조사되는 광의 흡수 파장을 불균일하게 만들어서, 안정적인 박막 태양전지의 구현이 어려웠다. 따라서, 상기 문제를 해결하고, 박막 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는, 광흡수층의 조성을 균일화할 수 있는 제조방법이 요구된다. However, when the CZTS-based light absorbing layer is manufactured by the conventional method, the composition of the light absorbing layer becomes uneven after heat treatment, resulting in a marked decrease in cell efficiency due to the difference in the band gap inside. In addition, the nonuniform composition of the light absorption layer makes the absorption wavelength of the irradiated light non-uniform, making it difficult to implement a stable thin film solar cell. Therefore, in order to solve the said problem and to improve the efficiency of a thin film solar cell, the manufacturing method which can equalize the composition of a light absorption layer is calculated | required.
본 발명의 목적은 균일한 조성 분포 및 균일한 결정성을 가지는 CZTS 광흡수층의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a method for producing a CZTS light absorbing layer having a uniform composition distribution and uniform crystallinity.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 광전환 효율을 가지는 CZTS 박막형 태양전지를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a CZTS thin film solar cell having excellent light conversion efficiency.
본 발명의 일 구현예는 CZTS계 박막 태양전지를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 기판을 준비하는 단계 (S1); 상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2); 상기 제 1 전극 상에 Cu 전구체, Sn 전구체 및 Zn 전구체를 증착하여, 각각 2 이상의 Cu 전구체층, Sn 전구체층 및 Zn 전구체층을 형성하는 단계 (S3); 및 상기 증착된 금속 전구체층을 황화 또는 셀렌화 기체 분위기 하에서 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계 (S4)를 포함한다. 이때, 상기 단계 (S3)는 상기 제 1 전극 상에 Zn 전구체층을 먼저 증착하고, Cu 전구체층의 양면이 Sn 전구체층과 인접하고, 상기 Sn 전구체층의 적어도 일면이 Zn 전구체층과 인접하도록 금속 전구체층을 증착한다. One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a CZTS-based thin film solar cell, the method comprising the steps of preparing a substrate (S1); Forming a first electrode on the substrate (S2); Depositing a Cu precursor, a Sn precursor, and a Zn precursor on the first electrode to form two or more Cu precursor layers, a Sn precursor layer, and a Zn precursor layer, respectively (S3); And heat treating the deposited metal precursor layer under a sulfided or selenized gas atmosphere to form a light absorbing layer (S4). In this case, in the step (S3), the Zn precursor layer is first deposited on the first electrode, and both surfaces of the Cu precursor layer are adjacent to the Sn precursor layer, and at least one surface of the Sn precursor layer is adjacent to the Zn precursor layer. The precursor layer is deposited.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 전구체는 제 1 전극 상에서 In one embodiment of the invention, the metal precursor is on the first electrode
(제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체; (제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체; 또는 (제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체의 순서로 증착될 수 있다. (First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor; (First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor; Or (first electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor in order.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 광흡수층의 두께는 0.3μm 내지 2μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the light absorption layer may be 0.3μm to 2μm.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 광흡수층은 Cu2ZnSn(S, Se)4의 4원계 화합물일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the light absorption layer may be a quaternary compound of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 .
본 발명의 일 구현예에서, 상기 제 1 전극은 몰리브덴(Mo) 박막일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first electrode may be a molybdenum (Mo) thin film.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 전구체는 스퍼터링 공정에 의하여 증착될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal precursor may be deposited by a sputtering process.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 방법은 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계 (S5); 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계 (S6); 및 상기 윈도우층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 (S7)를 추가로 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the method comprises the steps of forming a buffer layer on the light absorbing layer (S5); Forming a window layer on the buffer layer (S6); And forming a second electrode on the window layer (S7).
본 발명의 다른 구현예는 상기 방법 제조방법에 따라 제조된 CZTS계 박막 태양전지를 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a CZTS-based thin film solar cell manufactured according to the method.
본 발명의 일 구현예는, 우수한 표면 조도(surface roughness), 균일한 조성, 높은 박막 밀도 및 큰 결정립을 갖는 CZTS 박막의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법에 의하는 경우 대면적의 CZTS 박막 제조가 가능하며, 기존 제조 공정의 간소화와 공정 비용의 절감이 가능해진다. One embodiment of the present invention provides a method for producing a CZTS thin film having excellent surface roughness, uniform composition, high film density and large grains. According to the above manufacturing method, a large-area CZTS thin film can be manufactured, and the existing manufacturing process can be simplified and the process cost can be reduced.
도 1은 박막 태양전지 제조 공정 흐름도의 일 구현예를 나타낸 것이다.
도 2는 제 1 전극 위에 금속 전구체가 증착된 박막 태양전지의 일 구현예의 단면도이다.
도 3은 제 1 전극 위에 금속 전구체가 증착된 박막 태양전지의 다른 구현예의 단면도이다.
도 4는 황화 또는 셀렌화 공정 후, 광흡수층이 형성된 박막 태양전지의 일 구현예의 단면도이다.
도 5는 실시예에서 제조된 박막 태양전지의 광흡수층의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 박막 태양전지 제조 공정 흐름도의 다른 구현예를 나타낸 것이다. Figure 1 shows an embodiment of a thin film solar cell manufacturing process flow chart.
2 is a cross-sectional view of an embodiment of a thin film solar cell in which a metal precursor is deposited on a first electrode.
3 is a cross-sectional view of another embodiment of a thin film solar cell in which a metal precursor is deposited on a first electrode.
4 is a cross-sectional view of an embodiment of a thin film solar cell having a light absorption layer formed after a sulfidation or selenization process.
Figure 5 shows the SEM photograph of the light absorption layer of the thin film solar cell prepared in the embodiment.
6 shows another embodiment of a process chart of manufacturing a thin film solar cell.
이하, 본 발명의 구현예로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 구현예는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기재 및 그로부터 해석되는 균등 범주 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능하다. Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in detail. However, the following embodiments are presented by way of illustration of the present invention, whereby the present invention is not limited and the present invention is capable of various modifications and applications within the scope of the claims to be described later and equivalents interpreted therefrom. .
본 발명의 일 구현예는 CZTS계 박막 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다. One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a CZTS-based thin film solar cell.
CZTS 박막은, Cu, Zn, Sn와 S 또는 Se를 포함하는 박막을 의미하며, 상기 CZTS계 박막 태양전지 제조방법은 하기 단계를 포함할 수 있다: The CZTS thin film means a thin film including Cu, Zn, Sn and S or Se, and the CZTS-based thin film solar cell manufacturing method may include the following steps:
기판을 준비하는 단계 (S1); Preparing a substrate (S1);
상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2); Forming a first electrode on the substrate (S2);
상기 제 1 전극 상에 Cu 전구체, Sn 전구체 및 Zn 전구체를 증착하여, 각각 2 이상의 Cu 전구체층, Sn 전구체층 및 Zn 전구체층을 형성하는 단계 (S3); 및Depositing a Cu precursor, a Sn precursor, and a Zn precursor on the first electrode to form two or more Cu precursor layers, a Sn precursor layer, and a Zn precursor layer, respectively (S3); And
상기 증착된 금속 전구체를 황화 또는 셀렌화 기체 분위기 하에서 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계 (S4). Heat-treating the deposited metal precursor in a sulfided or selenized gas atmosphere to form a light absorption layer (S4).
이때, 상기 단계 (S3)에서 금속 전구체는 특정의 순서로 증착되며, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 제 1 전극 상에 Zn 전구체층이 증착된 뒤, Cu 전구체층의 양면이 Sn 전구체층과 인접하고, 상기 Sn 전구체층의 적어도 일면이 Zn 전구체층과 인접하는 순서대로 금속 전구체를 증착시킬 수 있다.At this time, in the step (S3) the metal precursor is deposited in a specific order, in one embodiment of the present invention, after the Zn precursor layer is deposited on the first electrode, both sides of the Cu precursor layer and the Sn precursor layer Adjacent metal layers may be deposited in an order in which at least one surface of the Sn precursor layer is adjacent to the Zn precursor layer.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 살펴보도록 한다. 한편, 보다 이해하기 쉽도록 본원에 첨부된 도 1 내지 6을 참조하여 본 발명의 박막 태양전지의 제조방법을 설명하도록 한다. Hereinafter, each step will be described in detail. On the other hand, it will be described with reference to Figures 1 to 6 attached to the present invention to more easily understand the manufacturing method of the thin film solar cell of the present invention.
도 1은 박막 태양전지 제조 공정 흐름도의 일 구현예를 나타낸 것이다.Figure 1 shows an embodiment of a thin film solar cell manufacturing process flow chart.
본 발명의 일 구현예에서, 박막 태양전지의 제조 공정은 기판을 준비하는 단계 (S1), 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2), 상기 제 1 전극 상에 금속 전구체를 증착하는 단계 (S3) 및 상기 증착된 금속 전구체층을 황화 또는 셀렌화 열처리하는 단계 (S4)를 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the manufacturing process of the thin film solar cell comprises the steps of preparing a substrate (S1), forming a first electrode (S2), depositing a metal precursor on the first electrode (S3) And sulfiding or selenizing heat-treating the deposited metal precursor layer (S4).
도 2는 박막 태양전지에 관한 일 구현예의 단면도를 나타낸 것이다. Figure 2 shows a cross-sectional view of one embodiment of a thin film solar cell.
본 발명의 일 구현예는 박막 태양전지는 기판을 준비하는 단계 (S1)에 있어서, 상기 기판(100)으로서 유리, 세라믹 또는 금속 등을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thin film solar cell may use glass, ceramic or metal as the
본 발명의 일 구현예는 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2)에 있어서, 상기 기판(100) 상에 형성된 제 1 전극(200)으로 몰리브덴(Mo) 박막을 사용할 수 있다. 몰리브덴(Mo)은 전기전도도, 저항성 접촉, 고온 안정성이 뛰어나며, 몰리브덴(Mo) 박막은 스퍼터링 공정에 의하여 형성되며, 그 박의 다른 공정에 의해서도 증착 가능하다. In an embodiment of the present invention, in the forming of the first electrode (S2), a molybdenum (Mo) thin film may be used as the
본 발명의 일 구현예는 금속 전구체를 증착하는 단계 (S3)에서 있어서, 광흡수층(300)을 형성하기 위해 금속 전구체층(301, 302, 303)울 상기 제 1 전극(200) 상에 증착한다. 본 발명의 일 구현예로, 제 1 전극(200) 상에 Cu 전구체, Sn 전구체 및 Zn 전구체를 증착한 뒤, 스퍼터링 공정을 진행하여 다층의 금속 전구체층을 계속해서 형성할 수 있다. 스퍼터링 공정 외에, 증발 공정(evaporation)을 사용하여 금속 전구체를 증착하는 것도 가능하지만, 재현성이 우수하고 대면적의 박막 태양전지를 제조하기 위해서는 스퍼터링 공정이 더욱 바람직하다. In an embodiment of the present invention, in the deposition of the metal precursor (S3), the
본 발명의 일 구현예에서, 상기 금속 전구체층은 각각 2 이상의 Cu 전구체층(303), Sn 전구체층(302) 및 Zn 전구체층(301)을 포함한다. 이때, Cu 전구체층(303), Sn 전구체층(302) 및 Zn 전구체층(301)은 특정의 순서대로 증착된다. 구체적으로, 상기 제 1 전극 상에 Zn 전구체층을 먼저 증착한 뒤, Cu 전구체층의 양면이 Sn 전구체층과 인접하고, 상기 Sn 전구체층의 적어도 일면이 Zn 전구체층과 인접하록 금속 전구체를 증착할 수 있으며, 이 경우, 광흡수층의 분포가 더욱 균일해진다. In one embodiment of the present invention, each of the metal precursor layers includes two or more
본 발명의 일 구현예인 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 상에 복수의 금속 전구체층(301, 302, 303)을 하기 순으로 증착할 수 있다. 2 and 3, which are embodiments of the present invention, the plurality of
(제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체; (First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor;
(제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체; 또는 (First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor; or
(제 1 전극) -Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu- Sn- Zn- Sn- Cu 전구체. (First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 단계 (S3)를 통해 형성된 금속 전구체층(301, 302, 303)의 총 두께는 300 내지 1200nm이며, 바람직하게는 400 내지 800nm일 수 있다. 상기 수치 범위를 가지는 경우, 열처리 후 생성되는 광흡수층의 총 두께가 0.3 내지 2㎛의 범위 내일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the total thickness of the metal precursor layer (301, 302, 303) formed through the step (S3) is 300 to 1200nm, preferably 400 to 800nm. When having the numerical range, the total thickness of the light absorption layer generated after the heat treatment may be in the range of 0.3 to 2㎛.
제 1 전극 상에 Zn 전구체층, Sn 전구체층 및 Cu 전구체층을 차례로 증착하여 스퍼터링하는 종래 방식과 달리, 2 이상의 Zn 전구체층, 2 이상의 Sn 전구체층 및 2 이상의 Cu 전구체층을 특정 순서대로 증착한 뒤, 황화 또는 셀렌화 열처리하는 경우, 더욱 균일하고 치밀한 CZTS계 박막 태양전지의 광흡수층을 제조할 수 있다. 그 결과, 박막 태양전지의 밴드갭 차이로 인해 Cell 효율이 향상된다. Unlike the conventional method of sputtering by sequentially depositing a Zn precursor layer, a Sn precursor layer, and a Cu precursor layer on the first electrode, two or more Zn precursor layers, two or more Sn precursor layers, and two or more Cu precursor layers are deposited in a specific order. Subsequently, in the case of sulfidation or selenization heat treatment, a light absorption layer of a more uniform and dense CZTS-based thin film solar cell may be manufactured. As a result, the cell efficiency is improved due to the band gap difference of the thin film solar cell.
상기 금속 전구체 층의 총량에 대해 Cu의 조성은 25 내지 75at%일 수 있으며, 바람직하게는 37.5 내지 62.5at%일 수 있다. 상기 금속 전구체 층의 총량에 대해 Zn의 조성은 12.5 내지 37.5at%일 수 있으며, 바람직하게는 17.5 내지 32.5at%일 수 있다. 상기 금속 전구체 층의 총량에 대해 Sn의 조성은 12.5 내지 37.5at%일 수 있으며, 바람직하게는 17.5 내지 32.5at%일 수 있다. The composition of Cu with respect to the total amount of the metal precursor layer may be 25 to 75 at%, preferably 37.5 to 62.5 at%. The composition of Zn with respect to the total amount of the metal precursor layer may be 12.5 to 37.5 at%, preferably 17.5 to 32.5 at%. The composition of Sn relative to the total amount of the metal precursor layer may be 12.5 to 37.5 at%, preferably 17.5 to 32.5 at%.
본 발명의 일 구현예는 셀렌화 또는 황화 열처리하는 단계 (S4)에 있어서, 전 단계에서 형성된 금속 전구체층(301, 302, 303)이 형성된 기판에 셀레늄 증기 또는 황 증기를 공급하여 열처리한다. 이때, 셀레늄 또는 황의 에퓨젼 셀 온도는 상온에서 증착률이 5-60Å/s가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 상기 셀렌화 또는 황화의 수행시, 상기 기판 온도는 400 내지 600℃ 범위로 유지하면서 0.1 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이는 400℃ 이하에서는 불순물 생성이 심할 수 있고, 600℃ 이상에서는 Sn 손실을 억제하기 어려워 적합한 조성의 박막을 얻기에 어려움이 있기 때문이다.In an embodiment of the present invention, in the step of selenization or sulfidation heat treatment (S4), selenium vapor or sulfur vapor is supplied to the substrate on which the metal precursor layers 301, 302, and 303 formed in the previous step are heat treated. At this time, the fusion cell temperature of selenium or sulfur is preferably adjusted so that the deposition rate is 5-60 Å / s at room temperature. When performing the selenization or sulfiding, the substrate temperature is preferably performed for 0.1 to 3 hours while maintaining in the 400 to 600 ℃ range. This is because impurities may be severely formed at 400 ° C. or lower, and it is difficult to suppress Sn loss at 600 ° C. or higher, and thus it is difficult to obtain a thin film having a suitable composition.
상기 셀렌화 또는 황화 처리는 퍼니스(Furnace), 동시진공증발 장비 또는 RTA(RapidThermal Annealing) 장비에서 이루어질 수 있으며, 이 외에도 본 발명의 범주 안에서 가능한 모든 황화/셀렌화 열처리 장비를 적용할 수 있다. The selenization or sulfidation treatment can be carried out in a furnace, simultaneous evaporation equipment or RTA (RapidThermal Annealing) equipment, in addition to all the sulfide / selenization heat treatment equipment possible within the scope of the present invention can be applied.
상기 금속 전구체층은 열처리 공정을 통해 생성된 광흡수층은 Cu2ZnSn(S, Se)4의 4원계 화합물일 수 있다. The metal precursor layer may be a light absorption layer generated through a heat treatment process may be a quaternary compound of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 .
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예는, 상기 단계 (S1) 내지 (S4) 외에 추가로, 상기 형성된 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계 (S5); 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계 (S6); 및 상기 윈도우층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 (S7)를 추가로 포함할 수 있다. As shown in Figure 6, one embodiment of the present invention, in addition to the above (S1) to (S4), forming a buffer layer on the formed light absorption layer (S5); Forming a window layer on the buffer layer (S6); And forming a second electrode on the window layer (S7).
본 발명의 또 다른 구현예는, 전술한 제조방법에 의하여 제조된 CZTS계 박막 태양전지를 제공한다. 일 구현예로, 상기 CZTS계 박막 태양전지의 효율은 2 내지 8%일 수 있다.
Yet another embodiment of the present invention provides a CZTS-based thin film solar cell manufactured by the above-described manufacturing method. In one embodiment, the efficiency of the CZTS-based thin film solar cell may be 2 to 8%.
이하에서는 보다 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described through more specific examples.
실시예Example : 박막 태양전지의 제조: Fabrication of thin film solar cell
먼저, 소다 라임 유리 기판(100)에 DC 스퍼터링 방법으로 몰리브덴 후면 전극(200)을 약 500nm의 두께로 증착하였다.First, the molybdenum back
이 후, 도 3에 도시된 순서대로 상기 후면 전극(200) 상에 Sn, Zn 및 Cu를 스퍼터링 공정으로 CZT계 전구체 박막을 형성하였다. 형성된 전구체층의 두께는 하기 표 1과 같으며, 전체 전구체층 총 두께는 약 442nm이었다. Subsequently, CZT-based precursor thin films were formed by sputtering Sn, Zn, and Cu on the
(제 1 전극 바로 위에 증착됨)ZnS
(Deposited directly above the first electrode)
442.210Total metal precursor layer thickness [nm]
442.210
다음으로, 상기 CZT계 박막을 430℃의 기판 온도에서 2시간 동안 황 증기를 공급하여 황화를 수행하여 Cu2ZnSnS4 박막을 완성하였다 (도 4). 이때, 황화는 상기 진공증발공정이 진행된 동시진공증발장비 내에서 수행하였으며, 에퓨젼 셀의 온도는 140℃로 하였다. 열처리 후, 형성된 광흡수층의 두께는 635nm이었다.
Next, the CZT-based thin film was sulfided by supplying sulfur vapor at a substrate temperature of 430 ° C. for 2 hours to complete a Cu 2 ZnSnS 4 thin film (FIG. 4). At this time, sulfidation was carried out in a simultaneous vacuum evaporation apparatus in which the vacuum evaporation process was performed, and the temperature of the fusion cell was set at 140 ° C. After the heat treatment, the thickness of the formed light absorbing layer was 635 nm.
도 5는 제조예 1에서 제조된 박막 태양전지의 광흡수층의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 열처리 후, 제 1 전극(Mo)과 광흡수층(CZTS) 사이에는 130nm 두께의 Mo-S 층(Mo와 S의 혼합 화합물)이 생성되었으며, 광흡수층은 그레인 입자의 결정성이 균일하며, 큰 결정립을 가졌다.
Figure 5 shows a SEM photograph of the light absorption layer of the thin film solar cell prepared in Preparation Example 1. After the heat treatment, a 130-nm-thick Mo-S layer (a mixed compound of Mo and S) was formed between the first electrode Mo and the light absorption layer CZTS, and the light absorption layer had uniform crystallinity and large crystal grains. Had
실험예Experimental Example : 박막 태양전지 : Thin film solar cell 광전환Light conversion 효율 평가 Efficiency evaluation
본 발명의 실시예에 따라 제조된 CZTS계 박막을 이용하여, 그 위에 60nm CdS 버퍼층(400) 형성, 400nm ZnO 윈도우층(500) 형성 및 Al 전극(600) 형성하여, CZTS계 박막 태양전지를 완성하였다.
Using a CZTS-based thin film manufactured according to an embodiment of the present invention, by forming a 60nm
발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Although the invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
100 : 기판
200 : 제 1 전극
300 : 광흡수층
301 : Zn 전구체층
302 : Sn 전구체층
303 : Cu 전구체층
400 : 버퍼층
500 : 윈도우층
600 : 제 2 전극100: substrate
200: first electrode
300: light absorption layer
301: Zn precursor layer
302: Sn precursor layer
303 Cu precursor layer
400: buffer layer
500: window layer
600: second electrode
Claims (8)
기판을 준비하는 단계 (S1);
상기 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계 (S2);
상기 제 1 전극 상에 Cu 전구체, Sn 전구체 및 Zn 전구체를 증착하여, 각각 2 이상의 Cu 전구체층, Sn 전구체층 및 Zn 전구체층을 형성하는 단계 (S3); 및
상기 증착된 금속 전구체층을 황화 또는 셀렌화 기체 분위기 하에서 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계 (S4)를 포함하며,
여기서, 상기 단계 (S3)는 상기 제 1 전극 상에 Zn 전구체층을 먼저 증착하고, 상기 Cu 전구체층의 양면이 Sn 전구체층과 인접하고, 상기 Sn 전구체층의 적어도 일면이 Zn 전구체층과 인접하록 금속 전구체층을 증착하는 것을 포함하는, 방법. As a method of manufacturing a CZTS-based thin film solar cell, the method
Preparing a substrate (S1);
Forming a first electrode on the substrate (S2);
Depositing a Cu precursor, a Sn precursor, and a Zn precursor on the first electrode to form two or more Cu precursor layers, a Sn precursor layer, and a Zn precursor layer, respectively (S3); And
And heat treating the deposited metal precursor layer under a sulfided or selenized gas atmosphere to form a light absorbing layer (S4),
In the step (S3), a Zn precursor layer is first deposited on the first electrode, and both surfaces of the Cu precursor layer are adjacent to the Sn precursor layer, and at least one surface of the Sn precursor layer is adjacent to the Zn precursor layer. And depositing a metal precursor layer.
상기 금속 전구체가 제 1 전극 상에서 하기의 순서로 증착되는 것을 특징으로 하는 방법:
(제 1 전극)-Zn- Sn-Cu- Sn-Zn- Sn-Cu 전구체;
(제 1 전극)-Zn- Sn-Cu- Sn-Zn- Sn-Cu - Sn-Zn- Sn-Cu 전구체; 또는
(제 1 전극)-Zn- Sn-Cu- Sn-Zn- Sn-Cu - Sn-Zn- Sn-Cu- Sn-Zn- Sn-Cu 전구체. The method of claim 1,
The metal precursor is deposited on the first electrode in the following order:
(First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor;
(First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor; or
(First electrode) -Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu-Sn-Zn-Sn-Cu precursor.
상기 광흡수층의 두께가 0.3μm 내지 2μm 인 것을 특징으로 하는, 방법. The method according to claim 1 or 2,
The thickness of the light absorption layer is characterized in that 0.3μm to 2μm, method.
광흡수층이 Cu2ZnSn(S, Se)4의 4원계 화합물인 방법. The method according to claim 1 or 2,
The light absorption layer is a quaternary compound of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 .
상기 제 1 전극이 몰리브덴(Mo) 박막인 것을 특징으로 하는, 방법. The method according to claim 1 or 2,
Wherein said first electrode is a molybdenum (Mo) thin film.
상기 금속 전구체는 스퍼터링 공정에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는, 방법. The method according to claim 1 or 2,
The metal precursor is deposited by a sputtering process.
상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계 (S5);
상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계 (S6); 및
상기 윈도우층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 (S7)를 추가로 포함하는, 방법. The method according to claim 1 or 2,
Forming a buffer layer on the light absorbing layer (S5);
Forming a window layer on the buffer layer (S6); And
And forming a second electrode on said window layer (S7).
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