[논문]스퍼터링법으로 제작한 CIGS 박막의 후열처리에 따른 물성 평가

정재헌; 조상현; 송풍근

doi:10.5695/jkise.2013.46.1.016

[국내논문] 스퍼터링법으로 제작한 CIGS 박막의 후열처리에 따른 물성 평가
Characteristic of the Sputtered CIGS Films in Relation to Heat Treatment Condition 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.46 no.1, 2013년, pp.16 - 21

정재헌 (부산대학교 재료공학부) , 조상현 (부산대학교 재료공학부) , 송풍근 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

CIGS (Cu-In-Ga-Se) films were deposited on the Mo coated soda lime glass (Mo/SLG) by RF magnetron sputtering using a single sintered target with different chemical compositions. Heat treatment of the CIGS films were carried out under three different conditions, 1step ($350^{\circ}C$ for 2 hour and $550^{\circ}C$ for 2 hour) and 2step ($350^{\circ}C$ for 1 hour and $550^{\circ}C$ for 1 hour). In the case of CIGS films post-annealed on 2step method, grain size remarkably increased compared to other methods, indicating that chemical composition [Cu/(Ga+In) = 1] of CIGS films was same as CIGS target. After heat treatment by 2step method, band gap energy of the CIGS film deposited at RF 80 W showed 1.4 eV which is broadly similar to identical band gap energy (1.2 eV) of CIGS film prepared by evaporation method. Therefore, 2step heat treatment method could be expected to low temperature process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 단일 CIGS 타겟을 이용하여 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 CIGS 박막을 H₂Se 기체 공급 없이 무독성의 Ar만을 사용하여 간단하게 열처리를 행한 후, 박막의 미세구조, 화학적 조성, 광학적 특성, 표면 형상에 대해서 비교 평가 하였다.

제안 방법

단일 CIGS 타겟을 이용하여 RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 이용하여 CIGS박막을 증착한 후 Ar 분위기에서 3종류의 열처리조건(1step 350°C, 1step 550°C, 2step 350~550°C)에서 열처리를 실시한 후, CIGS 박막의 미세구조, 화학적 조성, 광학적 특성, 표면조도를 조사하였다. RF 파워의 증가에 따라서 결정성이 향상되는 것을 확인할 수가 있었고, 2step 350~550°C 80 W에서 가장 좋은 결정성(결정립 크기 약 200 nm)을 확인할 수 있었으며, 이는 온도증가에 따른 추가적인 열에너지 공급으로 인해 결정성이 향상된다고 생각할 수 있다.
열처리 공정으로는 비진공의 Ar 분위기에서 3가지 열처리 공정(1step 350°C 2시간, 1step 550°C 2시간, 2step 350°C 1시간 유지 후 550°C로 승온하여 1시간 유지)을 통하여 다양한 물성을 평가하였다. 박막의 미세구조는 X-ray diffraction(XRD, BRUKER GADDS)으로 측정하였으며 결정립 크기는 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FE-SEM, Hitachi)를 사용하여 평가하였다. 박막의 화학적 조성은 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS, Horiba, 7395-H)를 이용하여 측정하였고, 자외선 광학 측정기(UV-Vis, HP-8453, AGILENT)로 광학적 특성을 측정하여 박막의 밴드갭 에너지를 계산하였다.
박막의 미세구조는 X-ray diffraction(XRD, BRUKER GADDS)으로 측정하였으며 결정립 크기는 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FE-SEM, Hitachi)를 사용하여 평가하였다. 박막의 화학적 조성은 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS, Horiba, 7395-H)를 이용하여 측정하였고, 자외선 광학 측정기(UV-Vis, HP-8453, AGILENT)로 광학적 특성을 측정하여 박막의 밴드갭 에너지를 계산하였다. 마지막으로 박막의 표면형상은 atomic force microscope(AFM, XE-120, PSIA)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

기판으로는 25 mm × 25 mm 크기의 Soda Lime Glass (SLG) 기판위에 DC 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 1 µm 두께의 Mo박막을 증착한 후, 그 위에 CIGS 박막을 증착하였다. CIGS박막은 2 inch 사이즈의 단일 CIGS 타겟(MATERION, CIGS Target 25, 17.5, 7.5, 5.0 at%)을 사용하여 RF 방전을 이용하여 증착하였다. 증착 전 챔버 내의 base pressure는 약 1 × 10⁻⁵ Torr 이하까지 배기하였다.
기판으로는 25 mm × 25 mm 크기의 Soda Lime Glass (SLG) 기판위에 DC 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 1 µm 두께의 Mo박막을 증착한 후, 그 위에 CIGS 박막을 증착하였다. CIGS박막은 2 inch 사이즈의 단일 CIGS 타겟(MATERION, CIGS Target 25, 17.

성능/효과

단일 CIGS 타겟을 이용하여 RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 이용하여 CIGS박막을 증착한 후 Ar 분위기에서 3종류의 열처리조건(1step 350°C, 1step 550°C, 2step 350~550°C)에서 열처리를 실시한 후, CIGS 박막의 미세구조, 화학적 조성, 광학적 특성, 표면조도를 조사하였다. RF 파워의 증가에 따라서 결정성이 향상되는 것을 확인할 수가 있었고, 2step 350~550°C 80 W에서 가장 좋은 결정성(결정립 크기 약 200 nm)을 확인할 수 있었으며, 이는 온도증가에 따른 추가적인 열에너지 공급으로 인해 결정성이 향상된다고 생각할 수 있다. 그리고 열처리 온도를 550°C로 유지한 상태와 350°C와 550°C의2step으로 열처리를 실시한 경우 같은 열처리 시간이지만 2step으로 열처리를 실시한 경우의 결정성과 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수가 있었다.
RF 파워의 증가에 따라서 결정성이 향상되는 것을 확인할 수가 있었고, 2step 350~550°C 80 W에서 가장 좋은 결정성(결정립 크기 약 200 nm)을 확인할 수 있었으며, 이는 온도증가에 따른 추가적인 열에너지 공급으로 인해 결정성이 향상된다고 생각할 수 있다. 그리고 열처리 온도를 550°C로 유지한 상태와 350°C와 550°C의2step으로 열처리를 실시한 경우 같은 열처리 시간이지만 2step으로 열처리를 실시한 경우의 결정성과 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수가 있었다. 그리고 화학적 조성의 경우 타겟과 박막의 조성은 Cu/ (Ga+In) 비가 2step 350~550°C에서 1에 가까운 1.
그리고 열처리 온도를 550°C로 유지한 상태와 350°C와 550°C의2step으로 열처리를 실시한 경우 같은 열처리 시간이지만 2step으로 열처리를 실시한 경우의 결정성과 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수가 있었다. 그리고 화학적 조성의 경우 타겟과 박막의 조성은 Cu/ (Ga+In) 비가 2step 350~550°C에서 1에 가까운 1.01값이 나오는 것을 확인할 수 있었다. 그래서 밴드 갭의 경우 가장 결정성이 좋게 나왔던 2step 350~550°C 80 W에서 약 1.

후속연구

이는 향후 대량생산 시 저온 공정은 비용적 측면에서 매우 중요하다고 생각된다. 본 실험에서 2step 350~550°C의 경우 1step의 550°C에서 열처리를 실시한 경우 보다 같은 시간 저온 공정으로 실시하여 고품질의 CIGS 박막의 제조가 가능하기 때문에 향후 고효율 CIGS 태양전지 생산에 대한 잠재적 가능성을 기대하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2010년 20.3%의 최고 효율을 기록한 태양전지는 무엇인가?	그 중 2010년 20.3%의 최고 효율을 기록한 CIGS 박막형 태양전지는 향후 기존의 실리콘계 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 박막형 태양전지로 주목 받고 있다1,2).
	Cu(In,Ga)Se2의 밴드갭은?	Cu(In,Ga)Se2는 I-III-VI2족 화합물 반도체로서 기본적으로 Cu, In, 및 Se으로 이루어진 캘커파라이트 (chalcopyrite) 구조를 갖는다3-5). 특히 직접 천이형 반도체(Eg= 1.2 eV) 구조로서 에너지 전환효율이 높다. 구조적으로 In원자위치를 대치하는 Ga 도핑에 의한 밴드갭의 조절은 태양전지 성능 향상에 직접적인 영향을 주고 있다.
	Cu(In,Ga)Se2의 구조는?	Cu(In,Ga)Se2는 I-III-VI2족 화합물 반도체로서 기본적으로 Cu, In, 및 Se으로 이루어진 캘커파라이트 (chalcopyrite) 구조를 갖는다3-5). 특히 직접 천이형 반도체(Eg= 1.

참고문헌 (9)

K. W. Mitchell, C. Eberspacher, J. Ermer, D. Pier, Proc. 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., (1989) 1384.
A. M. Gabor, J. R. Tuttle, M. A. Contreras, D. S. Albin, A. Franz, D. W. Niles, R. Noufi, 12th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (1994) 1.
D. Haneman, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 14 (1988) 377I.

상세보기
A. Rockett, R. W. Birkmire, J. Appl. Phys. 70 (1991) R81.

상세보기
U. Rau, H. W. Schock, Appl. Phys. A69 (1999) 131.
A. L. Fahrenbruch, R. H. Bube, Fundamentals of Solar Cells. Academic Press (1983).
A. M. Gabor, J. R. Tuttle, Solar Energy Materials and Solar Cells 41/42 (1996) 247.

상세보기
A. Romeo, M. Terheggen, D. Abou-Ras, D. L. Batzner, F.-J. Haug, M. Kalin, D. Rudmann, A. N Tiwari, Prog. Photovoltaics, 12 (2004) 93.

상세보기
Wolfram Witte, Robert Kniese, Michael Powalla, Thin Solid Films 517 (2008) 867.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증