KR20160096864A - Method for the fabrication of Cu(InGa)Se2 thin film solar cell and thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 CIS계 박막태양전지의 제조 방법에 관한 기술로서, 더욱 구체적으로는, RTP를 통한 CIS계 박막태양전지 제조 과정에서 액상의 도움으로 결정 성장이 촉진될 뿐만 아니라 결함이 적은 결정 성장이 이루어지는 "액상 보조 결정 성장(liquid assisted grain growth)" 효과를 이용한 CIS계 박막태양전지의 제조 방법에 관한 기술이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a CIS-based thin film solar cell, and more particularly, to a method of manufacturing a CIS-based thin-film solar cell using RTP, in which a crystal growth is promoted with the help of a liquid phase, This invention relates to a method for manufacturing a CIS thin film solar cell using the "liquid assisted grain growth" effect.
주기율표의 IB족(Cu, Ag, Au), ⅢA족(B, Al, Ga, In, Ti) 및 VIA족(O, S, Se, Te, Po) 원소를 일부 포함하는 IB-ⅢA-VIA족 화합물 반도체는 박막 태양전지 구조체를 위한 우수한 광흡수 p형 반도체이다. 특히, 상기 p형 반도체는 In과 Ga의 동시 사용 여부, Se과 S의 동시 사용 여부에 따라 CIS, CIGS, CIGSS 등으로 구분하며, 통상적으로 상기 p형 반도체를 적용한 박막태양전지를 CIS계 박막태양전지라고 호칭한다. 상기 모든 경우는 화학식 Cu(In1 - yGay)(Se1 - zSz)2(여기서, 0≤y, z≤1)로도 표기할 수 있다.
An IB-IIIA-VIA group including a part of the IB group (Cu, Ag, Au), IIIA group (B, Al, Ga, In, Ti) and VIA group (O, S, Se, Te, Po) Compound semiconductors are excellent light absorption p-type semiconductors for thin film solar cell structures. In particular, the p-type semiconductor is classified into CIS, CIGS, and CIGSS depending on whether or not In and Ga are used at the same time and whether Se and S are used at the same time. Typically, a thin film solar cell using the p- It is called a battery. In all cases the formula Cu can also be expressed - - (z S z Se 1 ) 2 ( wherein, 0≤y, z≤1) (In 1 y Gay).
특히, CIGS 광흡수층은 고효율 박막태양전지의 광흡수층으로 가장 유력한 후보물질로 오랫동안 고려되어 왔고, 특히 저비용 대면적 증착의 가능성으로 인해 국내외 다수 기업에 의해 상업화 시도가 가시화되고 있다. 이러한 배경으로는 CIGS 화합물이 갖고 있는 여러 장점을 들 수 있는데, 그 중 가장 중요한 장점은 높은 광변환 효율로서, CIGS 박막태양전지는 소면적 셀(약 0.5 cm2)에서 21.7%(ZSW, 2014)의 최고 변환효율이 보고된 바 있다.
In particular, the CIGS photoabsorption layer has been considered as a candidate material most likely to be a light absorbing layer of a high-efficiency thin film solar cell, and commercialization attempts have been made by many domestic and foreign companies due to the possibility of low-cost large-area deposition. The most important advantages of CIGS compound are its high photo-conversion efficiency, which is 21.7% (ZSW, 2014) for CIGS thin film solar cells (about 0.5 cm 2 ) The maximum conversion efficiency of
후면전극 위에 CIS계 광흡수층 박막의 형성을 위해 다양한 물리-화학적 방법들이 성공적으로 시도되었으나, 대표적인 방법으로는 동시증발법(co-evaporation)과 전구체-셀렌화(precursor-selenization) 공정을 들 수 있다.
Various physico-chemical methods have been successfully applied to form the CIS-based light-absorbing layer on the back electrode, but typical methods include co-evaporation and precursor-selenization .
동시증발법은 개별원소 Cu, In, Ga, Se 등을 이퓨전셀(effusion cell)에 놓고 고진공 분위기에서 증발시켜, 고온(550 ~ 600℃)의 기판 위에 증착하는 방법으로 개별원소들의 플럭스(flux)를 각각 측정 및 조절할 수 있어, 제조되는 CIS계 박막의 조성분포를 효과적으로 제어하는 것이 가능하다. 다만, 동시증발법으로 종 모양의 반응기(bell jar)에 포인트 소스(point source)를 사용할 경우는 배치 공정이고, 동시증발법으로는 대면적 기판 사용시 생성되는 박막의 조성이 불균일하다는 단점으로 인해 상업화에 어려움이 있다.
The simultaneous evaporation method is a method in which individual elements Cu, In, Ga, and Se are placed in an effusion cell, evaporated in a high vacuum atmosphere, and deposited on a substrate at a high temperature (550 to 600 ° C.) ) Can be measured and adjusted, respectively, so that it is possible to effectively control the composition distribution of the CIS-based thin film to be produced. However, the simultaneous evaporation method is a batch process when a point source is used in a bell jar, and the simultaneous evaporation method has a disadvantage in that the composition of a thin film produced when using a large- There is a difficulty in.
동시증발법을 활용한 대표적인 공정으로는 미국의 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 특허 기술(US 5436204 등)인 3단계 공정이 있으며, 이 방법으로 현재 20% 이상의 기록적인 효율의 박막태양전지의 생산이 가능하다고 보고되고 있다.
A typical process utilizing the simultaneous evaporation method is a three-step process, such as a patented technology (US 5436204) of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) in the United States. In this method, production of a thin film solar cell with a record efficiency of 20% Is reported to be possible.
NREL의 기술은 도 1a와 같이 요약할 수 있다. 도 1a를 참고하면, NREL의 총 3단계 중 첫 번째 단계에서는, 비교적 낮은 온도(약 400℃)에서 In과 Ga이 과량의 Se과 반응하여 (InGa)2Se3를 형성한다. 두 번째 단계에서는, 고온(약 600℃)에서 Cu만이 과량의 Se과 함께 도입되어, 첫 번째 단계에서 제조된 (InGa)2Se3와 반응하여 찰코파이라이트(chalcopyrite) CIGS를 형성한다. 두 번째 단계 동안 Cu가 (InGa)2Se3에 공급되는데 Cu(InGa)Se2상을 형성하고 남은 잉여의 Cu는 금속성의 이차상을 생성하며 이는 상대적으로 낮은 520℃ 근처에서 액상으로 존재한다(도 1b Cu-Se 상평형도 참고). 또한 상기 액상은 확산속도가 빨라 CIGS의 결정시키는 매체가 된다. 따라서 액상이 생성할 수 있도록 충분한 Cu의 공급과 함께 액상으로 존재하기에 충분히 높은 기판 온도가 결정 입자 성장에 있어서 필수적이다. (InGa)2Se3가 모두 소모된 이후에도 잉여로 Cu를 주입하여 고온 안정상인 β-CuxSe와 액상(Cu, Se)이 함께 존재하게 되는데, CIGS 표면과 결정 주변(grain boundary)에 존재하는 액상이 CIGS의 결정성장을 촉진시켜 결함(defect)이 적은 고품질의 CIGS 박막을 생성하는 것으로 알려져 있다. 이러한 효과를 소위 "액상 보조 결정 성장(liquid assisted grain growth)"라 칭한다. 세 번째 최종 단계에서는, 추가로 In 및 Ga을 주입하여 부산물인 β-CuxSe을 모두 CIGS로 변환함으로써, 최종적으로는 Cu가 조금 부족한 조성의 CIGS 박막을 형성하게 된다.
The NREL technique can be summarized as shown in FIG. Referring to FIG. 1A, in the first of three stages of NREL, In and Ga react with excess Se at a relatively low temperature (about 400 ° C.) to form (InGa) 2 Se 3 . In the second step, only Cu at high temperature (about 600 ° C) is introduced with an excess of Se to react with (InGa) 2 Se 3 prepared in the first step to form chalcopyrite CIGS. During the second step, Cu is supplied to (InGa) 2 Se 3 , and the excess Cu remaining after forming the Cu (InGa) Se 2 phase forms a metallic secondary phase, which is present in a liquid state at a relatively low temperature of 520 ° C Fig. 1b Cu-Se phase balance diagram). In addition, the liquid phase has a high diffusion rate and becomes a medium for determining CIGS. Therefore, a sufficiently high substrate temperature is required for crystal grain growth to exist in a liquid phase with sufficient supply of Cu so that a liquid phase can be produced. (InGa) 2 Se 3 is after the run out by injecting Cu in excess there is exists with high temperature stability merchant β-Cu x Se and the liquid phase (Cu, Se), present in the CIGS surface and the crystal close to (grain boundary) It is known that the liquid phase promotes crystal growth of CIGS to produce a high-quality CIGS thin film with few defects. This effect is referred to as so-called "liquid assisted grain growth ". In the third final step, further In and Ga are implanted to convert the by-product, β-Cu x Se, into CIGS, which finally forms a CIGS thin film with a composition of a little Cu.
도 2는 전구체-셀렌화(precursor selenization) 공정도로서, 전구체-셀렌화 공정은 CIGS 태양전지의 대면적 상업화에 가장 근접한 공정이라고 평가되고 있는 방법이다. 첫 번째 단계에서 Cu-Ga-In 합금 또는 Se을 포함한 전구체를 제조하고, 두 번째 단계에서 H2Se 가스 또는 Se 증기 분위기에서 고온 셀렌화를 유도하여 CIGS를 생성하므로 일반적으로 “2-단계 공정”이라고 불린다.
FIG. 2 shows a precursor-selenization process, in which the precursor-selenization process is considered to be the closest to commercialization of CIGS solar cells. In the first step, a Cu-Ga-In alloy or a precursor containing Se is prepared. In the second step, CIGS is produced by inducing high-temperature selenization in a H 2 Se gas or Se vapor atmosphere. Lt; / RTI >
상기 전구체-셀렌화 공정에서 전구체를 제조하는 방법으로는 스퍼터링 공정이 가장 널리 사용되고 있지만, 전착(electrodeposition), 동시증발법(co-evaporation), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 나노입자(nanoparticles) 등 다양한 방법이 가능하다.
Although the sputtering process has been widely used as a method for producing the precursor in the precursor-selenification process, it has been widely used in a variety of applications such as electrodeposition, co-evaporation, inkjet printing, nanoparticles, Method is possible.
셀렌화 공정시 필요에 따라서 H2S 가스 및/또는 S 증기를 추가하여 Cu(In,Ga)(Se,S)2의 CIGSS 오원화합물을 제조하기도 한다.
The CIGSS binary compound of Cu (In, Ga) (Se, S) 2 may also be prepared by adding H 2 S gas and / or S vapor as needed during the selenization process.
독일의 Avancis(현 프랑스 Saint Gobain)는 전구체-셀렌화 공정의 2단계에서 주로 사용되는 H2Se의 유독성 및 비교적 느린 셀렌화 반응속도를 개선하기 위해 Se층을 금속전구체 위에 미리 증착시켜 CuGaIn/Se의 구조로 전구체를 만든 뒤, Se/H2S분위기에서 급속열처리(rapid thermal process: RTP)하여 공정시간을 획기적으로 감소시킨 것으로 알려져 있다.
In order to improve the toxicity and relatively slow selenization rate of H 2 Se, which is mainly used in the second stage of the precursor-selenization process, the Avancis (currently Saint Gobain, France) in Germany has previously deposited the Se layer on the metal precursor to form CuGaIn / Se , It is known that the process time is drastically reduced by rapid thermal process (RTP) in Se / H 2 S atmosphere.
본 발명은 Se을 포함하는 이중층 전구체(binary precursor), 특히, 상층으로 Cu2-xSe(여기서, 0≤x<1)를 갖는 경우에 RTP를 이용하여 CIS계 박막태양전지를 제조함에 있어서, 상층에 위치하는 Cu2 - xSe의 경우 종래의 방법과 같이 RTP를 통해 약 600℃에서 H2Se 가스 또는 Se 증기를 공급하면서 셀렌화하는 과정에서 액상의 도움 없이 CIS계 박막이 형성되게 되므로, NREL의 3단계 동시증발법의 2단계에서 액상이 발생하여 CIS계 박막의 결정 성장을 촉진하며 결함이 적은 고품질의 CIS계 박막을 생성하는 것과 같은 효과를 얻을 수 없다.
The present invention relates to a binary precursor containing Se, and more particularly to a CIS-based thin film solar cell using RTP in the case of Cu 2-x Se (where 0? X <1) as an upper layer, In the case of Cu 2 - x Se located in the upper layer, since the CIS system thin film is formed without the help of the liquid phase during selenization while supplying H 2 Se gas or Se vapor at about 600 ° C. through RTP as in the conventional method, The liquid phase is generated in the second stage of the three-phase simultaneous evaporation method of NREL to promote the crystal growth of the CIS-based thin film and to produce the same effect as to produce a high-quality CIS-based thin film with few defects.
예를 들어, Cu2Se와 같이 Cu가 과량인 전구체는 도 1b의 상평형도와 같이 RTP에서 β-CuxSe와 액상이 발생할 수 없기 때문에, 최종적으로 만들어지는 CIS 박막의 결정 성장 속도가 늦을 뿐만 아니라 결함(defect)이 많게 된다.
For example, a Cu precursor having an excessive amount of Cu, such as Cu 2 Se, can not generate β-Cu x Se and a liquid phase in RTP as in the phase equilibrium shown in FIG. 1B. Therefore, the crystal growth rate of the finally produced CIS thin film is slow But there are many defects.
일반적으로 사용되는 Cu-Ga-In 전구체를 H2Se 가스 또는 Se 증기를 이용한 전구체-셀렌화 공정과 NREL의 3단계 동시증발법은 고품질의 CIGS 박막을 형성할 수는 있으나 공정시간이 길다는 단점이 있다. 또한, Se을 포함한 이중층 전구체를 이용한 RTP 공정은 공정시간은 획기적으로 줄일 수 있으나 생성되는 CIS계 박막 결정 성장이 부족한 단점(속도, 결정 결함 등)이 있다. 본 발명은 상기 Se을 포함하는 이중층 전구체를 이용한 RTP 공정에서의 결정 성장의 문제점을 해결할 수 있는 기술을 제공하는 데 발명의 목적이 있다.
A precursor-selenization process using a H 2 Se gas or a Se vapor and a three-step simultaneous evaporation process of a NREL using Cu-Ga-In precursors generally used can form a high-quality CIGS thin film, . In addition, the RTP process using a double layer precursor containing Se can drastically reduce the process time, but there are disadvantages (speed, crystal defects, etc.) due to lack of crystal growth of the CIS-based thin film produced. It is an object of the present invention to provide a technique capable of solving the problem of crystal growth in the RTP process using the above-mentioned Se-containing bilayer precursor.
특히, 본 발명의 목적은 상하층 모두 Se를 포함하는 이중층 전구체로서, 특히, 상층이 Cu2 - xSe와 같은 전구체를 종래의 방법으로 RTP하는 경우, 액상 보조 결정 성장 효과를 갖지 못하여 CIS계 박막의 결정 성장 속도가 느리고 결점이 많은 문제를 해결할 수 있는 신규한 CIS계 박막태양전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.Particularly, the object of the present invention is a double layer precursor including Se in both the upper and lower layers. In particular, when the upper layer is RTP using a conventional method such as Cu 2 - x Se, And a method of manufacturing a novel CIS-based thin-film solar cell capable of solving the problems of low crystal growth rate and many drawbacks.
본 발명은 CIS계 박막태양전지의 제조 방법에 있어서, 기판 및 후면전극 위에 각각 Se를 포함하는 상층 및 하층 구조의 이중층 전구체를 제조하되, 상기 이중층 전구체의 상층은 Cu2 -xSe(여기서, 0≤x<1)인 전구체 형성 단계(a); 상기 이중층 전구체를 프리어닐링(pre-annealing)하여 Cu2 - xSe의 일부 또는 전부가 CuSe 또는 CuSe2로 변이되도록 Se이 공급되는 분위기 하에서 행하는 제1단계 RTP(Rapid Thermal Process) 단계(b); 및 Se이 공급되는 분위기 하에서 상기 제1단계보다 높은 온도에서 행하는 제2단계 RTP 단계(c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단계 RTP 공정을 이용한 CIS계 박막태양전지 제조 방법을 제공한다.
The present invention relates to a method for producing a CIS-based thin film solar cell, which comprises the steps of: preparing an upper layer and a lower layer precursors each containing Se on a substrate and a rear electrode, wherein the upper layer is Cu 2- x Se Lt; x < 1) (a); A first step RTP (Rapid Thermal Process) step (b) performed in an atmosphere in which Se is supplied such that a part or all of Cu 2 - x Se is changed into CuSe or CuSe 2 by pre-annealing the double layer precursor; And a second stage RTP step (c) performed at a temperature higher than the first step in an atmosphere in which Se is supplied to the CIS-based thin film solar cell using the two-step RTP process.
특히, 상기 CIS계 박막은 Cu(A1-y By)(Se1 - zSz)2 (여기서, 상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In 및 Ga 중에서 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z < 1이다)일 수 있다.
Specifically, the CIS based thin film is Cu (A 1-y B y ) (Se 1 - z Sz) 2 ( where the A and B are, each independently, is any one of elements selected from In and Ga, 0 ≤ y? 1, 0? z <1).
특히, 상기 이중층 전구체의 하층은 In 및 Ga 중에서 선택되는 1종 이상의 금속과 Se를 포함하여 제조되는 것이 바람직하다.
In particular, it is preferable that the lower layer of the double layer precursor is made of at least one metal selected from In and Ga and Se.
특히, 상기 이중층 전구체의 상층은 Cu2Se인 것이 바람직하다.
In particular, it is preferred that the upper layer of the bilayer precursor is Cu 2 Se.
특히, 상기 이중층 전구체는 스퍼터링에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
In particular, it is preferable that the double layer precursor is formed by sputtering.
특히, 상기 제1단계 RTP 온도 범위는 210 ~ 332℃가 바람직하다.
Particularly, the first-step RTP temperature range is preferably 210 to 332 ° C.
특히, 상기 제1단계 RTP 시간은 5분 이상인 것이 바람직하다.
In particular, the first step RTP time is preferably 5 minutes or more.
특히, 상기 제2단계 RTP 온도 범위는 400 ~ 600℃인 것이 바람직하다.
In particular, the second-step RTP temperature range is preferably 400 to 600 ° C.
특히, 상기 제2단계 RTP 시간은 3분 이상인 것이 바람직하다.
In particular, the second step RTP time is preferably 3 minutes or more.
또한, 본 발명은 전술한 방법으로 제조된 CIS계 박막태양전지를 제공한다.
The present invention also provides a CIS-based thin film solar cell manufactured by the above-described method.
본 발명은 총 2단계의 RTP를 통해 CIS계 박막태양전지를 제조하는 방법을 제공하되, 종래 1단계의 RTP 대신, 먼저 프리어닐링을 위한 제1단계 RTP를 통해 Cu2Se와 같은 Cu의 몰비가 Se보다 높은 Cu2 - xSe 전구체층을 CuSe 및/또는 CuSe2로 변이시키고, 제1단계 RTP보다 고온의 후속 공정인 제2단계 RTP 과정에서 액상 보조 결정 성장에 의한 CIS계 박막이 형성되도록 할 수 있다.
The present invention provides a method for manufacturing a CIS-based thin film solar cell through RTP of two stages in total, wherein a molar ratio of Cu, such as Cu 2 Se, through a first-stage RTP for free annealing, The Cu 2 - x Se precursor layer higher than Se is converted into CuSe and / or CuSe 2 , and the CIS-based thin film is formed by the liquid phase assisted crystal growth in the second step RTP process, which is a higher process than the first- .
즉, 본 발명의 Se을 포함하는 이중층 전구체의 RTP를 통한 CIS계 박막태양전지의 제조 방법에 있어서, NREL의 3단계 동시증발법을 모사하여 "액상 보조 결정 성장(liquid assisted grain growth)"이 가능하기 때문에 결정 성장 속도가 빠르고 결함(defect)이 적은 CIS계 박막태양전지의 제조를 할 수 있는 장점이 있다.
That is, in the method for producing CIS-based thin film solar cells through the RTP of the double layer precursor containing Se of the present invention, "liquid assisted grain growth" is possible by simulating the three-step simultaneous evaporation method of NREL Therefore, there is an advantage that a CIS type thin film solar cell having a high crystal growth rate and few defects can be produced.
일반적으로 사용되는 Cu-Ga-In 전구체를 H2Se 가스 또는 Se 증기를 이용한 전구체-셀렌화 공정과 NREL의 3단계 동시증발법은 고품질의 CIGS 박막을 형성할 수는 있으나 공정시간이 길다는 단점이 있고, Se을 포함한 이중층 전구체를 이용한 RTP 공정은 전체 공정시간은 획기적으로 줄일 수 있으나 생성되는 CIGS의 결정성장이 부족한 단점이 있다. 본 발명은 RTP 공정의 공정시간 단축효과와 결정성장 촉진효과 모두를 획득할 수 있는 장점이 있다.
A precursor-selenization process using a H 2 Se gas or a Se vapor and a three-step simultaneous evaporation process of a NREL using Cu-Ga-In precursors generally used can form a high-quality CIGS thin film, And the RTP process using a double layer precursor including Se can drastically reduce the entire process time, but there is a disadvantage that the crystal growth of the generated CIGS is insufficient. The present invention is advantageous in that both the shortening of the process time and the crystal growth promoting effect of the RTP process can be obtained.
도 1a는 NREL의 3단계 동시증발법의 공정도이다.
도 1b는 Cu-Se의 상평형도이다.
도 2는 전구체-셀렌화 공정도이다.
도 3은 본 발명의 방법의 공정도이다.
도 4는 실험예 1의 결과로서, 유리기판/Mo/Cu2Se과 유리기판/Mo/In2Se/Cu2Se전구체의 XRD, GIXRD, SEM 및 ICP-AES 측정 결과이다.
도 5a 및 5b는 실험예 2의 결과로서, 도 5a는 Cu2Se 전구체의 HT-XRD 상변이 측정 결과이며, 도 5b는 도 5a의 일부 확대도이다.
도 6a 내지 6c는 실험예 3의 결과로서, 도 6a는 4가지 프리어닐링 (a) ~ (d)의 온도 및 시간 프로파일, 도 6b는 SEM 측정 이미지, 도 6c는 XRD 측정 결과이다.
도 7a 및 7b는 실험예 4의 결과로서, 도 7a는 유리기판/Mo/In2Se3/Cu2Se의 온도에 따른 상변이 과정을 HT-XRD를 이용하여 측정한 결과, 도 7b는 도 7a의 일부 확대도이다.
도 8a, 8b 및 9는 실험예 5의 결과로서, 도 8a는 유리기판/Mo/In2Se3/Cu2Se 전구체층의 1단계 RTP(프리어닐링) 유무 및 2단계 RTP 온도(500℃, 550℃)에 따른 4가지 시편의 XRD 측정 결과이며, 도 8b는 도 8a의 부분 확대도, 도 9는 SEM 측정 이미지이다.
도 10 및 11은 실험예 6의 결과로서, 도 10은 2단계 RTP 시간(1, 3, 5분)에 따른 CIS박막 시편의 XRD 측정 결과, 도 11은 SEM 이미지이다.1A is a process diagram of a three-step simultaneous evaporation method of NREL.
1B is a phase diagram of Cu-Se.
Figure 2 is a precursor-selenization process.
Figure 3 is a flow chart of the method of the present invention.
FIG. 4 shows XRD, GIXRD, SEM and ICP-AES measurement results of glass substrate / Mo / Cu 2 Se and glass substrate / Mo / In 2 Se / Cu 2 Se precursor as a result of Experimental Example 1.
FIGS. 5A and 5B are the results of Experimental Example 2, FIG. 5A is a measurement result of the HT-XRD phase of a Cu 2 Se precursor, and FIG. 5B is a partial enlarged view of FIG.
6A to 6C are the results of Experimental Example 3, wherein FIG. 6A is a temperature and time profile of four pre-anneals (a) to (d), FIG. 6B is an SEM measurement image, and FIG. 6C is an XRD measurement result.
7A and 7B are the results of Experimental Example 4. FIG. 7A is a graph showing the results of measurement of the phase change according to the temperature of the glass substrate / Mo / In 2 Se 3 / Cu 2 Se using HT-XRD, 7a is an enlarged view of a portion thereof.
Figure 8a, 8b and 9, as a result of Experimental Example 5, Figure 8a is a glass substrate / Mo / In 2 Se 3 / Cu 2 Se step of the precursor layer RTP (pre-annealing), the presence and stage 2 RTP temperature (500 ℃, 550 ° C), FIG. 8b is a partial enlarged view of FIG. 8a, and FIG. 9 is an SEM measurement image.
10 and 11 are the results of Experimental Example 6, FIG. 10 is the XRD measurement results of the CIS thin film specimen according to the two-stage RTP time (1, 3, and 5 minutes), and FIG.
본 발명은 CIS계 박막태양전지(예를 들어, CIS, CIGS, CIGSS 등)에서 CIS계 박막의 형성 방법에 관한 기술로서, 특히, Se를 포함하는 상하층의 이중층 전구체를 이용하여 제1단계 저온 RTP(프리어닐링) 및 제2단계 고온 RTP(통상의 셀렌화를 위한 RTP에 해당)의 총 2단계의 RTP를 통해 CIS계 박막을 제조하는 방법에 관한 기술이다. The present invention relates to a method of forming a CIS-based thin film on a CIS-based thin film solar cell (for example, CIS, CIGS, CIGSS, etc.), and more particularly, A method for manufacturing a CIS-based thin film through RTP (pre-annealing) and a second step of high-temperature RTP (corresponding to RTP for ordinary selenization) in two stages.
본 발명에서 CIS계 박막은 하기의 화학식 1의 박막, 즉, CIS, CIGS, CIGSS, CZTS 등을 모두 포함하는 포괄적인 의미로 사용된다.
In the present invention, the CIS-based thin film is used in a comprehensive meaning including all the thin films of the following chemical formula 1, namely, CIS, CIGS, CIGSS, CZTS and the like.
[화학식 1] [Chemical Formula 1]
Cu(A1-y By)(Se1 - zSz)2 Cu (A 1-y B y ) (Se 1 - z S z) 2
여기서, A 및 B는 각각 독립적으로, In 및 Ga 중에서 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z < 1이다.
Here, A and B are each independently any element selected from In and Ga, and 0? Y? 1 and 0? Z <1.
대면적으로 Se을 포함하는 이중층 전구체, 예를 들어, (InGa)2Se3/Cu2 -xSe(여기서, 0 ≤ x <1) 구조의 전구체를 대면적으로 만들기 위해서는 스퍼터링 증착 공정이 가장 바람직하지만, 스퍼터링을 하는 경우 상기 Cu2 - xSe 전구체가 생성되는 단점이 있다. 스퍼터링을 이용한 Cu와 Se을 포함하는 전구체의 제조에 있어서, Cu2Se와 같이 CIGS의 결정 성장에 불리한 전구체가 형성되는 이유는, Cu와 Se가 포함된 전구체를 스퍼터링을 통하여 제조함에 있어서 반응공학적으로 Cu2Se와 같이 Cu의 몰비가 Se보다 많은 Cu2 - xSe로 형성되기 때문이다.
A sputter deposition process is most preferable in order to make a precursor of a double layer precursor including Se in a large area, for example, (InGa) 2 Se 3 / Cu 2 -x Se (where 0 ≦ x <1) However, the Cu 2 - x Se precursor is generated when sputtering is performed. In the production of a precursor including Cu and Se by sputtering, a precursor which is disadvantageous to crystal growth of CIGS such as Cu 2 Se is formed is that the precursor containing Cu and Se is prepared by sputtering, This is because the molar ratio of Cu is formed of Cu 2 - x Se more than Se, like Cu 2 Se.
전술한 배경 기술에서 설명한 바와 같이, Se을 포함하는 이중층 전구체로서, 상층으로 Cu2 - xSe를 갖는 경우에 RTP를 이용하여 CIS계 박막태양전지를 제조함에 있어서, 상층에 위치하는 Cu2 - xSe의 경우 종래의 방법과 같이 약 400 ~ 600℃, Se 분위기(예를 들어, H2Se 가스, Se vapor 등) 하에서 RTP를 하는 경우 액상의 도움이 없이 CIS계 박막이 형성되기 때문에 결정 성장이 늦고, 결정에 결함이 자주 발생한다.
As described in the above-mentioned background art, when a CIS-based thin film solar cell is manufactured using RTP in the case of Cu 2 - x Se as an upper layer as a double layer precursor containing Se, Cu 2 - x In case of RTP under the Se atmosphere (for example, H 2 Se gas, Se vapor, etc.) at about 400 to 600 ° C as in the conventional method, since the CIS system thin film is formed without the help of the liquid phase, Late, defects often occur in crystals.
도 3은 본 발명의 방법을 도식화한 것으로서, 본 발명에서는 RTP를 총 2단계로 나눈 후, 제1단계의 RTP는 프리어닐링(pre-annealing) 구간으로 후속 공정인 제2단계보다 낮은 온도(예를 들어, 210 ~ 332℃)에서 Cu2 - xSe(예를 들어, Cu2Se)를 CuSe 및/또는 CuSe2로 변이되도록 한 후, 제2단계의 RTP는 대략 400 ~ 600℃, 특히, 500℃ 이상의 온도에서 액상(L3, 도 1b 상평형도 참조)의 도움으로 CIS계 박막이 형성되도록 하여 결정 성장 속도가 빠르고, 결점이 적은 CIS계 박막태양전지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
FIG. 3 is a schematic diagram of the method of the present invention. In the present invention, RTP is divided into two stages. The RTP of the first stage is a pre-annealing section, for example, 210 ~ Cu 2 eseo 332 ℃) - a x Se (for example, Cu 2 Se) for CuSe and / or CuSe and then to transition to the second, RTP for the second phase is approximately 400 ~ 600 ℃, in particular, Based thin film is formed with the help of a liquid phase (L3, see the equilibrium diagram of FIG. 1B) at a temperature of 500 ° C or higher, thereby forming a CIS-based thin film solar cell having a high crystal growth rate and few defects.
즉, 본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, Cu2 - xSe를 CuSe 및/또는 CuSe2와 같이 Se의 몰비가 높은 성분으로 변이시키는 제1단계 RTP 과정인 프리어닐링(pre-annealing) 과정을 더 갖는 것을 특징으로 한다. 물론 Cu2 - xSe의 전부가 CuSe 및/또는 CuSe2로 변이되지 않고 일부만이 변이되더라도 본 발명이 목적으로 하는 액상 보조 결정 성장 효과(liquid assisted grain growth)를 나타낼 수 있다.
That is, for the present invention to solve the problems of the prior art, Cu 2 - x Se to CuSe and / or the first step of shifting in the Se is high molar composition of the as CuSe 2 RTP process, the pre-annealed (pre-annealing ) ≪ / RTI > Of course, even if only a part of Cu 2 - x Se is not changed into CuSe and / or CuSe 2 and only a part of the Cu 2 - x Se is changed, it can exhibit the liquid assisted grain growth effect of the present invention.
상기 제1단계 RTP를 통해 CuSe 및/또는 CuSe2로 변이된 성분은, 제2단계 RTP인 상기 제1단계 RTP보다 높은 고온(약 400 ~ 600℃)의 RTP 과정에서 하기 [반응식 1]과 같이 "액상"(L3, 도 1b 상평형도 참고)이 형성되기 때문에 NREL의 3단계 동시증발법의 액상 보조 결정 성장 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, CIS계 박막 결정 성장 속도가 빨라질 뿐만 아니라, 결정에 결함이 종래 기술보다 적게 된다.
The CuSe and / or CuSe 2 -substituted components through the first step RTP are reacted with the first step RTP at a high temperature (about 400 to 600 ° C) higher than the first step RTP, Since the "liquid phase" (L3, see the equilibrium diagram of FIG. 1B) is formed, the same effect as the liquid phase assisted crystal growth effect of the NREL three-phase simultaneous evaporation method can be obtained. That is, not only the CIS-based thin film crystal growth rate is accelerated, but crystal defects are lower than in the prior art.
[반응식 1] [Reaction Scheme 1]
CuSe2 ↔ γ-CuSe + L3 (T ~ 332℃)CuSe 2 ↔ γ-CuSe + L3 (T ~ 332 ° C)
γ-CuSe ↔ β-Cu2 - xSe + L3 (T ~ 380℃)
γ-CuSe ↔ β-Cu 2 - x Se + L3 (T ~ 380 ℃)
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명하기로 한다. 이하 실험에서는 CIS 박막을 대상으로 실험을 하였으나, 이는 일 실시예일 뿐으로서, 본 발명은 Se을 포함하는 이중층 전구체 중 상층에는 Cu2 - xSe 구조를 갖는 경우에 동일하게 적용할 수 있다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. In the following experiments, CIS thin films were tested, but this is only an example, and the present invention is not limited to Cu2 - xSe structure can be similarly applied.
실험예Experimental Example 1 : 유리기판/ 1: glass substrate / MoMo // CuCu 22 SeSe 및 유리기판/ And glass substrate / MoMo // InIn 22 SeSe // CuCu 22 SeSe 전구체 물성 측정 Precursor physical property measurement
본 실험에서는 유리기판/Mo/Cu2Se과 유리기판/Mo/In2Se/Cu2Se 전구체의 구조 및 결정 형상을 확인하기 위하여, XRD, GIXRD, SEM 및 ICP-AES 측정하였으며, 그 결과는 도 4와 같다.
In this experiment, XRD, GIXRD, SEM and ICP-AES were measured to confirm the structure and crystal shape of glass substrate / Mo / Cu 2 Se and glass substrate / Mo / In 2 Se / Cu 2 Se precursor. 4.
이하 도면에서, Cu2 - xSe를 편의상 Cu2Se로 혼용하여 표기하였음을 명시한다. 이는 스퍼터링으로 형성되는 Cu2 - xSe의 대부분이 Cu2Se로 형성되기 때문에 편의상 Cu2Se와 혼용하여 표현하였다.
In the following figures, it is noted that Cu 2 - x Se is conveniently represented by Cu 2 Se. Cu 2 which is formed by the sputtering was expressed for convenience by mixing Cu 2 Se and since most of the x Se to form a Cu 2 Se.
실험예Experimental Example
2 : 유리기판/ 2: Glass substrate /
MoMo
//
CuCu
22
SeSe
의 온도에 따른 Temperature
상거동Phase behavior
측정 Measure
유리기판/Mo/Cu2Se 전구체의 온도에 따른 상변이를 확인하기 위해 HT-XRD를 이용하여 Se 증기를 공급하면서 상온부터 600℃까지 매 10℃ 간격으로 x-선 리플렉션 데이터(x-ray reflection data)를 수집하였다. 수집된 상기 데이터를 "X'pert High Score Plus program"을 이용하여 해석하였다.
X-ray diffraction (X-ray reflection) was performed at room temperature from room temperature to 600 ° C while supplying Se vapor using HT-XRD to confirm the phase change of the glass substrate / Mo / Cu 2 Se precursor according to the temperature. data were collected. The collected data was analyzed using "X'pert High Score Plus program ".
도 5a는 Cu2Se 전구체의 HT-XRD 상변이 측정 결과이며, 도 5a의 일부 확대도가 도 5b이다. 스퍼터로 증착된 유리기판/Mo/Cu2Se 전구체는 온도가 상승함에 따라 약 210℃에서 CuSe로, 260℃에서 CuSe2로 변이되는 것을 확인할 수 있었다.
FIG. 5A is a result of measurement of the HT-XRD phase of a Cu 2 Se precursor, and FIG. 5B is a partial enlarged view of FIG. 5A. The glass substrate / Mo / Cu 2 Se precursor deposited by sputtering was found to be changed into CuSe at about 210 ° C. and CuSe 2 at 260 ° C. as the temperature was raised.
CuSe2는 330℃에서 Se을 배출하면서 CuSe로 변이되고, 마지막으로 380℃에서 고온 안정상인 Cu2 - xSe로 포정상(peritectically)으로 분리된다. 열역학 상평형에 따르면 전술한 반응식 1과 같은 포정 반응(peritectic reaction)이 예상되고, 이는 본 실험결과와 동일하다.
CuSe 2 while discharging the Se at 330 ℃ and variations as CuSe, finally at 380 ℃ high temperature stability merchant Cu 2 - is separated into the top fabric (peritectically) to x Se. According to the thermodynamic equilibrium, a peritectic reaction as shown in the above-mentioned reaction formula 1 is expected, which is the same as the experimental result.
본 실험을 통하여 스퍼터링으로 형성된 Cu2 - xSe 전구체를 적절한 온도와 Se 분위기에서 열처리한다면, CuSe 및/또는 CuSe2로 변형이 가능하며, 상기와 같은 CuSe 및/또는 CuSe2를 통상적인 고온 RTP 공정에서 Cu + L 또는 Cu2 - xSe + L 형태로 만들면, 액상 보조 결정 성장을 유도할 수 있다는 것을 알 수 있었다.Cu 2 formed by sputtering through the present experiment - if the heat treatment the x Se precursor at a suitable temperature and a Se atmosphere, CuSe and / or capable of modification to CuSe 2 and the CuSe and / or CuSe 2 conventional high-temperature RTP process, such as the In the form of Cu + L or Cu 2 - x Se + L.
즉, 본 실험을 통해 본 발명의 방법과 같이 RTP를 총 2단계로 나누고, 제1단계 RTP 단계에서 일정 온도로 프리어닐링하여 Cu2Se를 CuSe 및/또는 CuSe2로 변이한 후, 다시 온도를 올려 제2단계 RTP 단계를 진행하여야 한다는 점을 파악할 수 있었다.
That is, RTP is divided into two steps as in the method of the present invention, and Cu 2 Se is transformed into CuSe and / or CuSe 2 by pre-annealing at a predetermined temperature in the first step RTP step, And then proceed to the second step RTP step.
프리어닐링은 Cu2Se가 CuSe2로 변형 시작하는 210℃부터, 반응식 1의 Cu2Se가 γ-CuSe + L3의 이중상(double phase)으로 변환되는 332℃까지 프리어닐링할 수 있다.
The pre-annealing can be pre-annealed from 210 ° C at which Cu 2 Se begins to transform into CuSe 2 up to 332 ° C where Cu 2 Se of Scheme 1 is converted into a double phase of γ-CuSe + L 3.
실험예Experimental Example
3: 제1단계 3: Step 1
RTPRTP
((
프리어닐링Free annealing
) 시간 실험) Time experiment
전술한 바와 같이, 제1단계 RTP 프리어닐링 온도는 210 ~ 332℃까지이나, 실험의 편의상 상기 온도 범위 중 300℃를 프리어닐링 온도로 설정하여 이하 실험을 진행하였다.
As described above, the first stage RTP pre-annealing temperature is 210 to 332 ° C. However, for the convenience of experiment, the pre-annealing temperature is set to 300 ° C. in the above temperature range.
먼저, 300℃에서의 적절한 프리어닐링 시간을 찾기 위하여, 도 6a와 같은 온도 프로파일 4가지로 유리기판/Mo/Cu2Se 전구체에 대한 실험을 진행하였다. 도 6a의 시간 프로파일별로 프리어닐링한 유리기판/Mo/Cu2Se 박막의 SEM 측정 결과는 도 6b와 같다. 도 6b의 결과와 같이 300℃의 프리어닐링 온도에서는 5분 이상부터 Cu2Se → CuSe로 변환되었으나, 10분의 경우 5분보다 더욱 좋은 결과를 보여, 이하 실험에서는 300℃, 10분의 프리어닐링을 예로 하여 실험을 더 진행하였다.
First, in order to find an appropriate pre-annealing time at 300 ° C, experiments were performed on glass substrate / Mo / Cu 2 Se precursor with four temperature profiles as shown in FIG. 6a. The SEM measurement results of the glass substrate / Mo / Cu 2 Se thin film pre-annealed according to the time profile of FIG. 6A are shown in FIG. 6B. As shown in FIG. 6 (b), at a pre-annealing temperature of 300 ° C, Cu 2 Se → CuSe was converted from 5 minutes or more, but 10 minutes was better than 5 minutes. The experiment was further carried out.
한편, 프로파일 (d)와 같이 300℃, 10분의 프리어닐링을 한 후, 통상적인 RTP 온도인 550℃로 램핑(ramping)하여 온도를 떨어뜨리는 경우 더욱 CuSe의 결정 구조가 잘 만들어졌다는 것을 알 수 있었다. 이렇게 Cu2Se가 CuSe로 프리어닐링을 통해 형성되면, 추후 2단계 RTP에서 CuSe는 전술한 반응식 1과 같이 액상의 도움으로 액상 보조 결정 성장된 CIS계 박막이 형성될 수 있다.
On the other hand, when the temperature is lowered by ramping to 550 deg. C, which is a typical RTP temperature, after the pre-annealing at 300 DEG C for 10 minutes as in the profile (d), the crystal structure of CuSe is well formed there was. Thus, when Cu 2 Se is formed through pre-annealing with CuSe, CuSe can be formed in the second step RTP by forming a liquid phase assisted crystal growth CIS system thin film with the help of liquid phase as in the above-mentioned reaction formula 1.
도 6c는 XRD 측정 결과로서, 온도프로파일 (a)에서 (d)로 갈수록 Cu2 - xSe가CuSe로 더욱 많이 변이되는 것을 확인할 수 있었다.
As a result of XRD measurement, FIG. 6 (c) shows that Cu 2 - x Se is more changed to CuSe from the temperature profile (a) to (d).
실험예Experimental Example
4 : 4 :
InIn
22
SeSe
33
//
CuCu
22
SeSe
의 온도 변화에 따른 상변이 실험Phase change according to temperature change
본 실험에서는 Mo/In2Se3/Cu2Se의 온도에 따른 상변이 과정을 HT-XRD를 이용하여 측정한 결과 도 7a 및 도 7b(도 7a의 일부 확대도)와 같았다. 특히, Se을 포함하는 이중층 전구체층 중 상층인 Cu2Se가 약 200℃에서 CuSe로 변이되었다가, 약 300℃에서 CIS를 생성하기 시작하는 것을 확인할 수 있었다.
In this experiment, the phase change process according to the temperature of Mo / In 2 Se 3 / Cu 2 Se was measured using HT-XRD, as shown in FIGS. 7A and 7B (a partially enlarged view of FIG. 7A). Particularly, it was confirmed that the upper layer of Cu 2 Se among the bilayer precursor layers containing Se was changed into CuSe at about 200 ° C, and CIS started to be formed at about 300 ° C.
특히, 도 7a를 참고하면, 후면전극인 Mo 피크 세기는 약 300℃부터 감소하기 시작하였고, 약 400℃에서 안정화되었으며, 최종적으로 MoSe2층이 생성된 것으로 확인할 수 있었다. MoSe2층은 반응공학적 해석에 의하면 CIS계 박막이 모두 완성된 이후에 형성되기 때문에 MoSe2층의 형성은 CIS 박막 형성이 완료되었다는 것을 의미한다.
In particular, referring to Figure 7a, the back electrode of Mo peak intensity started to decrease from about 300 ℃, were stabilized at about 400 ℃, it was confirmed to have been finally MoSe 2 layer is generated. The MoSe 2 layer is formed after the completion of the CIS-based thin film according to the reaction engineering analysis, and thus the formation of the MoSe 2 layer means that the CIS thin film formation is completed.
실험예Experimental Example
5 : 5:
프리어닐링Free annealing
유무에 따른 500℃ 및 550℃의 제2단계 The second stage of 500 ° C and 550 ° C depending on the presence or absence
RTPRTP
온도에 따른 실험 Experiment according to temperature
유리기판/Mo/In2Se3/Cu2Se 전구체층의 300℃, 10분간의 제1단계 RTP(프리어닐링) 유무에 따른 500℃와 550℃ 2단계 RTP(5분간 진행)를 통해 최종적으로 형성되는 CIS 박막 차이를 확인하기 위하여, XRD 분석을 하였다. 그 결과 도 8a 및 8b(도 8a의 일부 확대도)와 같았다.
The glass substrate / Mo / In 2 Se 3 / Cu 2 Se precursor layer was subjected to two-step RTP (for 5 minutes) at 500 ° C. and 550 ° C. for 10 minutes at 300 ° C. with or without first-step RTP (pre-annealing) XRD analysis was performed to confirm the difference in CIS thin films formed. The result was as shown in Figs. 8A and 8B (a partially enlarged view of Fig. 8A).
도 8a를 참조하면, 제2단계 RTP 온도인 500℃와 550℃ 두 온도 모두 프리어닐링을 하지 않은 시편은 반응이 완결되지 않은 것으로 확인되었고, 프리어닐링을 거친 시편은 CIS의 생성이 완결되고, MoSe2도 생성된 것으로 확인되었다.
Referring to FIG. 8A, it was found that the reaction was not completed in the second annealing step. In the second annealing step, CIS formation was completed and MoSe 2 was also generated.
특히, 도 8b를 참고하면, 프리어닐링한 시편의 경우 CIS(112) 피크의 FWHM 값(2θ = 0.17909)이 프리어닐링을 하지 않은 시료의 FWHM (2θ = 0.20467)보다 상대적으로 작은 것으로 확인되어, 프리어닐링이 결정입자성장(grain growth)에 도움을 준 것을 확인할 수 있었다.
8B, it was found that the FWHM value (2? = 0.17909) of the peak of the
도 9는 상기 4가지 시편(a 내지 d)의 SEM 이미지로서, 300℃, 10분 동안 프리어닐링을 한 후, 500℃ 또는 550℃에서 RTP를 5분 동안 한 시편(c, d)의 경우 균일하고 큰 결정 크기의 CIS가 형성되었을 뿐만 아니라, CIS의 완성 후 형성되는 MoSe2층까지 형성되었음을 확인할 수 있는데, 이는 프리어닐링 없이 5분, 500℃의 RTP에서는 MoSe2층이 형성되지 않은 시편(a, b)과 비교하여, 프리어닐링을 함으로써 CIS의 결정 성장이 훨씬 빠르다는 것을 의미한다. 또한, 도 9의 SEM 측정 이미지와 같이, 본 발명의 방법으로 제조된 CIS계 박막은 표면거칠기도 줄여주는 것으로 확인할 수 있었다.
Fig. 9 is an SEM image of the four specimens (a to d). Fig. 9 shows SEM images of the specimens (a) to (d) (CIS), and the MoSe 2 layer formed after the completion of the CIS was formed. This is because the specimen without the pre-annealing for 5 minutes and the MoSe 2 layer without the RTP at 500 ° C. (a , b), meaning that the crystal growth of CIS is much faster by free annealing. Also, as shown in the SEM measurement image of FIG. 9, the CIS thin film produced by the method of the present invention can be confirmed to reduce the surface roughness.
실험예Experimental Example
6 : 제2단계 6: Stage 2
RTPRTP
시간에 따른 CIS 결정 성장 실험 CIS crystal growth experiment over time
동일하게 제1단계 RTP인 프리어닐링(300℃, 10분)을 한 후, 제2단계 RTP 온도 500℃에서 몇 분 만에 CIS 생성이 완결되는지 확인하기 위하여 제2단계 RTP 시간을 1, 3, 5분으로 각각 진행한 후 XRD 측정 및 SEM 측정 결과 각각 도 10 및 11과 같았다. 도 10의 XRD 측정 결과와 같이 최소한 3분만 후에 MoSe2가 확인되어, 3분 후에 CIS 생성이 완결되어 MoSe2도 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 본 결과는 전구체층의 성분 및 함량, RTP 온도 등에 따라 적절한 CIS 박막 결정 생성이 완결되는 시간이 변동한다는 점을 명시한다.After the pre-annealing (300 ° C., 10 minutes) as the first step RTP, the second step RTP time was set to 1, 3, 5 minutes, respectively, and XRD and SEM measurement results were as shown in Figs. 10 and 11, respectively. As shown in FIG. 10, MoSe 2 was confirmed after at least 3 minutes, and CIS formation was completed 3 minutes later, indicating that MoSe 2 was also formed. However, the results indicate that the time for completion of the formation of the appropriate CIS thin film crystal varies depending on the composition and content of the precursor layer, the RTP temperature, and the like.
Claims (10)
기판 및 후면전극 위에 각각 Se를 포함하는 상층 및 하층 구조의 이중층 전구체를 제조하되, 상기 이중층 전구체의 상층은 Cu2 -xSe(여기서, 0≤x<1)인 전구체 형성 단계(a);
상기 이중층 전구체를 프리어닐링(pre-annealing)하여 Cu2 - xSe의 일부 또는 전부가 CuSe 또는 CuSe2로 변이되도록 Se이 공급되는 분위기 하에서 행하는 제1단계 RTP(Rapid Thermal Process) 단계(b); 및
Se이 공급되는 분위기 하에서 상기 제1단계 RTP보다 높은 온도에서 행하는 제2단계 RTP 단계(c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단계 RTP 공정을 이용한 CIS계 박막태양전지 제조 방법.
A method of manufacturing a CIS-based thin film solar cell,
(A) forming an upper layer and a lower layer of a bilayer precursor including Se on the substrate and the rear electrode, wherein the upper layer of the bilayer precursor is Cu 2- x Se (where 0? X <1);
A first step RTP (Rapid Thermal Process) step (b) performed in an atmosphere in which Se is supplied such that a part or all of Cu 2 - x Se is changed into CuSe or CuSe 2 by pre-annealing the double layer precursor; And
And a second stage RTP step (c) carried out at a temperature higher than the first-step RTP in an atmosphere in which Se is supplied to the CIS-based thin film solar cell using the two-step RTP process.
Cu(A1-y By)(Se1 - zSz)2
상기 A 및 B는, 각각 독립적으로, In 및 Ga 중에서 선택된 어느 하나의 원소이며, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z < 1이다.
The method of claim 1, wherein the CIS-based thin film has the following composition.
Cu (A 1-y B y ) (Se 1 - z Sz) 2
Each of A and B is independently any one selected from In and Ga, and 0? Y? 1 and 0? Z <1.
The method of claim 1, wherein the lower layer of the bilayer precursor is made of at least one metal selected from In and Ga and Se.
The method of claim 1, wherein the upper layer of the bilayer precursor is Cu 2 Se.
The method of claim 1, wherein the double layer precursor is formed by sputtering.
The method of claim 1, wherein the first RTP temperature range is 210 to 332 ° C.
The method of claim 1, wherein the first step RTP time is 5 minutes or more.
The method of claim 1, wherein the second RTP temperature range is 400 to 600 ° C.
The method of claim 1, wherein the RTP time of the second step is at least 3 minutes.
9. A CIS-based thin film solar cell produced by the method of any one of claims 1 to 9.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102075633B1 (en) * | 2018-11-08 | 2020-02-10 | 재단법인대구경북과학기술원 | Preparation method for CZTSSe-based film and manufacturing method for film solar cell by using the preparation method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436204A (en) | 1993-04-12 | 1995-07-25 | Midwest Research Institute | Recrystallization method to selenization of thin-film Cu(In,Ga)Se2 for semiconductor device applications |
| JP2004047917A (en) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Honda Motor Co Ltd | Thin film solar cell and method for manufacturing the same |
| KR101111047B1 (en) * | 2010-11-22 | 2012-02-15 | 영남대학교 산학협력단 | Sample tray for manufacturing light absorbing layer Cu (In, Pa) (Se, S) 2 film for solar cell and manufacturing method of semiconductor film using the sample tray |
| KR101181252B1 (en) | 2011-09-21 | 2012-09-10 | 주식회사 아바코 | Method for manufacturing CIGS solar cell |
| KR101388458B1 (en) | 2012-08-22 | 2014-04-24 | 한국에너지기술연구원 | Preparation method for cigs thin film using rapid thermal processing |
| JP2014154762A (en) * | 2013-02-12 | 2014-08-25 | Nitto Denko Corp | Method for producing cigs film, and method for manufacturing cigs solar cell using the same |
-
2015
- 2015-02-06 KR KR1020150018457A patent/KR101668181B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436204A (en) | 1993-04-12 | 1995-07-25 | Midwest Research Institute | Recrystallization method to selenization of thin-film Cu(In,Ga)Se2 for semiconductor device applications |
| JP2004047917A (en) * | 2002-07-12 | 2004-02-12 | Honda Motor Co Ltd | Thin film solar cell and method for manufacturing the same |
| KR101111047B1 (en) * | 2010-11-22 | 2012-02-15 | 영남대학교 산학협력단 | Sample tray for manufacturing light absorbing layer Cu (In, Pa) (Se, S) 2 film for solar cell and manufacturing method of semiconductor film using the sample tray |
| KR101181252B1 (en) | 2011-09-21 | 2012-09-10 | 주식회사 아바코 | Method for manufacturing CIGS solar cell |
| KR101388458B1 (en) | 2012-08-22 | 2014-04-24 | 한국에너지기술연구원 | Preparation method for cigs thin film using rapid thermal processing |
| JP2014154762A (en) * | 2013-02-12 | 2014-08-25 | Nitto Denko Corp | Method for producing cigs film, and method for manufacturing cigs solar cell using the same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Jaseok Koo et al., "Cu(InGa)Se2 thin film photovoltaic absorber formation by rapid thermal annealing of binary stacked precursors", Thin Sold Films, Vol.520, pp.1484-1488* * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102075633B1 (en) * | 2018-11-08 | 2020-02-10 | 재단법인대구경북과학기술원 | Preparation method for CZTSSe-based film and manufacturing method for film solar cell by using the preparation method |
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