혼합소스 hydride vapor phase epitaxy(HVPE) 방법으로 CuInGaSe(CIGS) 혼합 소스를 형성하였다. 각 금속들은 일정 비율로 혼합하였고, $1090^{\circ}C$에서 1시간 30분간 soaking 하였다. 혼합된 소스를 분말형태로 만든 후, 직경 10 mm 크기의 pellet을 만들었다. 시료는 혼합소스 HVPE 에서 소성 한 후 e-beam 으로 Mo이 증착된 기판 위에 증착하였다. Scanning electron microscope(SEM), Energy dispersive X-ray spectrum(EDS) 그리고 X-ray diffraction(XRD) 측정을 통하여 그 특성을 분석하였으며 박막의 특성은 (112), (204)/(220), (116)/(312)그리고 (400) 방향 등의 다결정 특성을 나타내었다.
혼합소스 hydride vapor phase epitaxy(HVPE) 방법으로 CuInGaSe(CIGS) 혼합 소스를 형성하였다. 각 금속들은 일정 비율로 혼합하였고, $1090^{\circ}C$에서 1시간 30분간 soaking 하였다. 혼합된 소스를 분말형태로 만든 후, 직경 10 mm 크기의 pellet을 만들었다. 시료는 혼합소스 HVPE 에서 소성 한 후 e-beam 으로 Mo이 증착된 기판 위에 증착하였다. Scanning electron microscope(SEM), Energy dispersive X-ray spectrum(EDS) 그리고 X-ray diffraction(XRD) 측정을 통하여 그 특성을 분석하였으며 박막의 특성은 (112), (204)/(220), (116)/(312)그리고 (400) 방향 등의 다결정 특성을 나타내었다.
CuInGaSe(CIGS) mixed-source was prepared by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Each metal was mixed in regular ratio and soaked at $1090^{\circ}C$ for 90 minutes in nitrogen atmosphere. After making the mixed-source to powder state, the pellet was made by the powder. The diameter of pell...
CuInGaSe(CIGS) mixed-source was prepared by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Each metal was mixed in regular ratio and soaked at $1090^{\circ}C$ for 90 minutes in nitrogen atmosphere. After making the mixed-source to powder state, the pellet was made by the powder. The diameter of pellet is 10 mm. The CIGS thin film was deposited on soda lime glass evaporated Mo layer bye-beam evaporator. To confirm the crystallization, we measured X-ray diffraction (XRD). High intensity X-ray peaks diffracted from (112), (204)/(220), (116)/(312) and (400) of CIGS thin film and from (110) of Mo were confirmed by XRD measurement.
CuInGaSe(CIGS) mixed-source was prepared by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Each metal was mixed in regular ratio and soaked at $1090^{\circ}C$ for 90 minutes in nitrogen atmosphere. After making the mixed-source to powder state, the pellet was made by the powder. The diameter of pellet is 10 mm. The CIGS thin film was deposited on soda lime glass evaporated Mo layer bye-beam evaporator. To confirm the crystallization, we measured X-ray diffraction (XRD). High intensity X-ray peaks diffracted from (112), (204)/(220), (116)/(312) and (400) of CIGS thin film and from (110) of Mo were confirmed by XRD measurement.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 고온 heating이 가능한 HVPE 를 사용하여 Cu, In, Ga, Se 금속을 혼합 및 soaking한 CIGS 소스를 형성하고 CIGS 혼합소스 pellet을 제작하였다. 또한, e-beam evaporation을 통해 CIGS 박막을 증착 하는 새로운 방법을 도입하여 그 가능성을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 혼합소스를 단일 pellet으로 제작하여 증착하는 새로운 방법으로 CIGS의 형성을 시도하였다. HVPE는 주로 GaN, AlGaN 등을 성장할 때 사용하는 장비로서 반응관 내부의 고온 환경을 형성할 수 있다.
제안 방법
HVPE에 혼합소스 방법을 도입하게 되면 다양한 화합물을 고온에서 일정한 조성으로 혼합할 수 있으며, 이 소스를 이용하여 에피 혹은 나노분말 등의 제작이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 고온 heating이 가능한 HVPE 를 사용하여 Cu, In, Ga, Se 금속을 혼합 및 soaking한 CIGS 소스를 형성하고 CIGS 혼합소스 pellet을 제작하였다. 또한, e-beam evaporation을 통해 CIGS 박막을 증착 하는 새로운 방법을 도입하여 그 가능성을 제시하고자 한다.
이러한 온도 존의 분포는 고온의 열처리 과정뿐만 아니라 유리기판과 같이 저온을 요구하는 열처리 과정을 필요한 가스 분위기에서 수행할 수 있다는 장점이 있으며 소스존의 온도와 기판의 온도를 적절히 조절하면 단결정 성장과 다결정 혹은 비정질의 성장이 가능하다. 소스 제작을 위하여 Cu, In, Ga, Se 금속들을 5 : 3 : 2 : 2의 비율로 혼합하였고, 1090℃에서 1시간 30 분간 soaking 하였다. Soaking 과정을 거친 시료는 자연냉각 후 분말상태로 만들어 고루 혼합하였고 5 tone의 압력을 가하여 직경 10 mm의 pellet을 제작하였다.
혼합소스 HVPE는 반응관 내부 성장 시 비교적 낮은 온도에서 소스를 장착할 소스 영역과 e-beam evaporation용 시료를 soaking할 때 사용할 고온의 soaking 영역, 그리고 pellet과 기판의 열처리 및 selenization을 수행할 열처리 영역 등 3개의 영역으로 분리 하였다. 소스영역, soaking 영역, 그리고 열처리 영역의 온도는 각각 600~800℃, 1000-1100℃, 600℃ 이하로 조절되며, 본 논문에서는 650℃, 1090℃, 550℃ 로 안정화하였다. 이러한 온도 존의 분포는 고온의 열처리 과정뿐만 아니라 유리기판과 같이 저온을 요구하는 열처리 과정을 필요한 가스 분위기에서 수행할 수 있다는 장점이 있으며 소스존의 온도와 기판의 온도를 적절히 조절하면 단결정 성장과 다결정 혹은 비정질의 성장이 가능하다.
이러한 pellet을 상온에서 soda lime glass 기판 위에 e-beam evaporation으로 증착 하였으며 Se 분위기에서 열처리하였다. 열처리 영역은 저온 영역으로 See흑연보트 위에 0.5 g을 장착하였으며 열처리 후에 SEM, EDS 그리고 X-ray dif&action(XRD) 측정을 통하여 그 특성을 분석하였다.
제작된 pellet을 e-beam evaporation으로 증착한 후 다시 반응 관내에서 Se 분위기로 annealing 하여 selenization의 효과를 얻었으며 SEM으로 측정한 결과, 결정화를 이룬 모습을 확인하였다. CIGS의 결정화를 확인하기 위해 박막의 XRD 특성을 측정한 결과, (112), (204)/(220), (116)/ (312) 방향의 CIGS peak들이 관측되었다.
1은 고온에서 CIGS 혼합소스를 형성할 수 있는 HVPE의 개념도를 나타낸다. 혼합소스 HVPE는 반응관 내부 성장 시 비교적 낮은 온도에서 소스를 장착할 소스 영역과 e-beam evaporation용 시료를 soaking할 때 사용할 고온의 soaking 영역, 그리고 pellet과 기판의 열처리 및 selenization을 수행할 열처리 영역 등 3개의 영역으로 분리 하였다. 소스영역, soaking 영역, 그리고 열처리 영역의 온도는 각각 600~800℃, 1000-1100℃, 600℃ 이하로 조절되며, 본 논문에서는 650℃, 1090℃, 550℃ 로 안정화하였다.
이론/모형
고온 분위기에서 Cu(In, Ga)Se2 혼합소스를 형성하기 위하여 혼합소스 HVPE 방법을 이용하였다. 제작된 pellet을 e-beam evaporation으로 증착한 후 다시 반응 관내에서 Se 분위기로 annealing 하여 selenization의 효과를 얻었으며 SEM으로 측정한 결과, 결정화를 이룬 모습을 확인하였다.
성능/효과
650℃에서 열처리 한 경우, soda lime glass 기판이 휘어지는 현상을 보였으며 550℃와 450℃에서 열처리한 경우는 기판의 상태가 매우 양호한 것으로 확인되었다. Fig.
제작된 pellet을 e-beam evaporation으로 증착한 후 다시 반응 관내에서 Se 분위기로 annealing 하여 selenization의 효과를 얻었으며 SEM으로 측정한 결과, 결정화를 이룬 모습을 확인하였다. CIGS의 결정화를 확인하기 위해 박막의 XRD 특성을 측정한 결과, (112), (204)/(220), (116)/ (312) 방향의 CIGS peak들이 관측되었다. 이로써, 다결정 CIGS 박막이 성공적으로 증착 되었음을 확인할 수 있었다.
따라서, 열처리 전의 시료는 다결정화의 형태가 완전히 이루어지지는 않은 것으로 판단된다. 그러나 본 논문에서 제안하는 고온의 혼합소스 과정에 의해서 pellet의 다결정화 가능성이 높음을 의미한다고 할 수 있다. Fig.
(d)는 650℃에서 열처리 한 것으로 결정화가 크게 이루어지면서 표면에 pore들이 생겨났음을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 550℃에서의 열처리가 가장 적당한 것으로 판단된다. SEM 사진으로부터 selenization 전의 사진과 비교해 보았을 때, 전구체 형태로 분포하던 표면이 Se의 침투로 인해 간격이 조밀해지고 grain을 형성하며 결정화를 이루었다고 판단된다.
이처럼 selenization 은 CIGS의 결정화와 grain의 크기 증가에 도움이 된다는 보고가 있다[16]. 또한 위의 EDS 결과들을 통해, 별도의 셀 없이도 혼합소스 pellet으로 성공적인 CIGS를 형성할 수 있음을 확인하였다. Fig.
CIGS의 결정화를 확인하기 위해 박막의 XRD 특성을 측정한 결과, (112), (204)/(220), (116)/ (312) 방향의 CIGS peak들이 관측되었다. 이로써, 다결정 CIGS 박막이 성공적으로 증착 되었음을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, 고온 heating과 다양한 가스 분위기의 환경조성이 가능한 HVPE® 통해 혼합소스로 CIGS pellet을 제작하고 e-beam evaporation을 통해 CIGS 박막을 증착 하는 새로운 방법을 적용하여 CIGS 화합물반도체 태양광 소자를 위한 새로운 소스의 제작 방법과 새로운 제조공정의 개발 가능성이 기대된다.
후속연구
이로써, 다결정 CIGS 박막이 성공적으로 증착 되었음을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, 고온 heating과 다양한 가스 분위기의 환경조성이 가능한 HVPE® 통해 혼합소스로 CIGS pellet을 제작하고 e-beam evaporation을 통해 CIGS 박막을 증착 하는 새로운 방법을 적용하여 CIGS 화합물반도체 태양광 소자를 위한 새로운 소스의 제작 방법과 새로운 제조공정의 개발 가능성이 기대된다.
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