• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2013.08a
• /
• pp.321.1-321.1
• /
• 2013

높은 광흡수 계수를 갖는 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 화합물 박막 소재는 고효율 태양전지 양산을 위해 가장 전도유망한 재료이나 상대적으로 매장량이 적은 In 및 Ga을 사용한다는 소재적 한계가 있다. Cu2ZnSnSe4(CZTSe) 혹은 Cu2ZnSnS4(CZTS)와 같은 Cu-Zn-Sn-Se계 화합물 반도체는 CIGS 내 희소원소인 In과 Ga이 범용원소인 Zn 및 Sn으로 대체된 소재로써 미래형 저가 태양전지 개발을 위해 활발히 연구되고 있는데, 그 화합물 조합에 따라 0.8eV부터 1.5eV까지의 에너지 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 열분해법으로 CZTS 나노 입자를 합성하였다. 용매로 Oleylamine을 사용하였는데, $260{\sim}340^{\circ}C$의 온도 범위에서 5시간 30분 동안 CZTS 나노입자를 합성하였고, $300^{\circ}C$에서 5시간 30분~9시간까지 합성하였다. 헥산을 이용하여 원심분리기와 초음파세척기로 용매인 Oleylamine을 제거하였고, 진공오븐에서 건조된 CZTS 분말의 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope), XRD (X-Ray Diffraction), EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 분석 등을 통해 합성온도에 따른 구조적, 화학적 조성 변화를 조사하였다.

• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.14 no.11
• /
• pp.755-763
• /
• 2004

A stoichiometric mixture of evaporating materials for $CuInse_2$ single crystal thin films was prepared from horizontal electric furnace. To obtain the single crystal thin films, $CuInse_2$ mixed crystal was deposited on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate by the hot wall epitaxy (HWE) system. The source and substrate temperatures were $620^{\circ}C\;and\;410^{\circ}C$, respectively. The temperature dependence of the energy band gap of the $CuInse_2$ obtained from the absorption spectra was well described by the Varshni's relation, $E_{g}(T)=1.1851 eV - (8.99{\times}10^{-4} eV/K)T^2/(T+153 K)$. After the aa-grown $CuInse_2$ single crystal thin films was annealed in Cu-, Se-, and In-atmospheres, the origin of point defects of $CuInse_2$ single crystal thin films has been investigated by the photoluminescence(PL) at 10 K. The native defects of $V_{cu},\;V_{Se},\;Cu_{int},\;and\;Se_{int}$ obtained by PL measurements were classified as a donors or accepters type. And we concluded that the heat-treatment in the Cu-atmosphere converted $CuInse_2$ single crystal thin films to an optical n-type. Also, we confirmed that In in $CuInse_2$/GaAs did not form the native defects because In in $CuInse_2$ single crystal thin films existed in the form of stable bonds.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2005.11a
• /
• pp.76-77
• /
• 2005

Single crystal $CuAlSe_2$ layers were grown on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate at 410$^{\circ}C$ with hot wall epitaxy (HWE) system by evaporating $CuAlSe_2$ source at $680^{\circ}C$. The crystalline structure of the single crystal thin films was investigated by the photoluminescence(PL) and double crystal X-ray diffraction (DCXO). The temperature dependence of the energy band gap of the $CuAlSe_2$ obtained from the absorpt ion spectra was wel1 described by the Varshni's relation, $E_g$(T) = 2.8382 eV - ($8.86\times10^{-4}$ eV/H)$T_2$/(T + 155K). After the as-grown single crystal $CuAlSe_2$ thin films were annealed in Cu-, Se-, and Al-atmospheres, the origin of point defects of single crystal $CuAlSe_2$ thin films has been investigated by PL at 10 K. The native defects of $V_{cd}$, $V_{se}$, $Cd_{int}$, and $Se_{int}$ obtained by PL measurements were classified as donors or acceptors. And we concluded that the heat-treatment in the Cu-atmosphere converted single crystal $CuAlSe_2$ thin films to an optical n-type. Also. we confirmed that hi in $CuAlSe_2$/GaAs did not form the native defects because Al in single crystal $CuAlSe_2$ thin films existed in the form of stable bonds.

• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.23 no.3
• /
• pp.183-189
• /
• 2013

$Cu_2ZnSn(S,Se)_4$ material is receiving an increased amount of attention for solar cell applications as an absorber layer because it consists of inexpensive and abundant materials (Zn and Sn) instead of the expensive and rare materials (In and Ga) in $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells. We were able to achieve a cell conversion efficiency to 4.7% by the selenization of a stacked metal precursor with the Cu/(Zn + Sn)/Mo/glass structure. However, the selenization of the metal precursor results in large voids at the absorber/Mo interface because metals diffuse out through the top CZTSe layer. To avoid the voids at the absorber/Mo interface, binary selenide compounds of ZnSe and $SnSe_2$ were employed as a precursor instead of Zn and Sn metals. It was found that the precursor with Cu/$SnSe_2$/ZnSe stack provided a uniform film with larger grains compared to that with $Cu_2Se/SnSe_2$/ZnSe stack. Also, voids were not observed at the $Cu_2ZnSnSe_4$/Mo interface. A severe loss of Sn was observed after a high-temperature annealing process, suggesting that selenization in this case should be performed in a closed system with a uniform temperature in a $SnSe_2$ environment. However, in the experiments, Cu top-layer stack had more of an effect on reducing Sn loss compared to $Cu_2Se$ top-layer stack.

• Applied Microscopy
• /
• v.38 no.1
• /
• pp.63-72
• /
• 2008

The iterative wave-function reconstruction (IWFR) method developed by Allen et al. (2004) was reviewed with concern for its applicability. The high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) studies of the materials such as GaAs, $YBa_2Cu_3O_7$ and $Al_2CuMg$ reported in the literature were utilized in this review. In this process the basis of validity, the limiting conditions and the information limit of this method were discussed. It was particularly noted that the phase contrast image of the exit plane wave evaluated from this method reveals not only $C_s$-corrected atomic resolution within information limit, but also strong tendency of contrast proportional to the magnitude of the atomic number of compositional atoms in a crystal.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 2011.11a
• /
• pp.52.1-52.1
• /
• 2011

최근에 에너지 자원의 고갈이 다가오는 상황에서 태양전지 분야가 주목받고 있으며 이에 대한 시장이 급격하게 확대되고 있다. 그러나 현재의 태양전지는 주를 이루고있는 실리콘태양전지의 경우 원재료 수급이 불안정하여 가격 변동이 심하다. 따라서 이를 대체할 2세대 태양전지인 박막형 태양전지의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 박막형 태양전지 중에서도 주목받고 있는 것은 Cu(In,Ga)$Se_2$(CIGS)박막 태양전지이다. CIGS는 Ga의 농도에 따라 1.02~1.68eV의 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 직접천이형 반도체 물질이다. 또한 $1{\times}10^5cm^{-1}$의 높은 광흡수계수를 가지고 있으며, $450{\sim}590^{\circ}C$의 고온공정에서도 매우 안정하여 열화현상이 거의 보이지 않아 박막형 광흡수층 재료로서 적합하다. 흡수층을 제조하는 방법은 여러 가지가 있지만, 본 연구에서는 균일성이 뛰어나고 원료사용효율이 높은 sputtering 방법을 사용하였다. 그리고 결정화하기위해서 유독기체를 사용하는 셀.렌.화. (selenization) 방법 대신 전자빔을 조사하는 방법을 채택하였다. sputtering을 통한 CIGS precursor을 제조하기위해 2~3개의 화합물target을 사용하는데, 대표적인 방법으로 동시에 sputtering하는 co-sputtering 방법과 각각의 단일 층을 쌓아 제조하는 stack형으로 분류된다. 본 연구는 CIGS precursor를 제조하기 앞서 CuGa 단일 층만을 제조하여 공정조건에 따른 박막을 제조하였다. 제조된 CuGa 단일층은 전자빔 처리에 따른 영향을 알아보기 위해 전자빔의 세기와 공정시간을 달리하여 특성을 알아보았다. 실험에서는 Cu:75wt%,Ga:25wt% 조성의 target을 사용하여 공정 압력을 각각 10~1mTorr로 변화시키며 실험을 실시하였으며 공정 power는 50W, 70W, 100W로 변화 시키며 실험을 실시하였다. 이때 실험의 초기진공은 turbo-molecular pump를 이용하여 $1{\times}10^{-6}torr$ 이하로 하였으며, Target과 기판사이의 거리는 모두 같은 조건으로 고정하여 실험을 실시하였다. 박막의 균일성을 증가시키기 위하여 5 rpm의 속도로 기판을 회전하였으며 기판 온도는 가열하지 않고 상온에서 전구체를 증착하였다. 그 후 전자빔의 세기를 고정 시킨 후 전자빔 조사 시간을 조절하여 전자빔 조사 전후의 특성을 각각 분석하였다. 전기적특성은 Hall effect, 4-point probe, 구조적 특성은 SEM,EDS, XRD, XRF 를 이용하여 분석하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
• /
• 2009.05a
• /
• pp.8.2-8.2
• /
• 2009

구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 4 원소 화합물 반도체인 Cu(InGa)$Se_2$ (CIGS) 태양전지 세계 최고 셀효율은 2008년 현재 19.9% 로서 박막형 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이고 있다. 이는 다결정(폴리) 실리콘 태양전지의 20.3%와 대등한 수준이다. 이 CIGS 태양전지는 제조단가를 표준 결정형 실리콘 태양전지 대비 50% 대로 획기적으로 낮출 수 있어 가장 경쟁력이 있는 차세대 재료로 꼽히고 있다. 본 연구에서는 CIGS태양전지를 고진공 물리 증작법으로 제작하였으며 표면과 박막의 순도를 외부오염을 방지하기 위하여 후면전극, 광흡수체 및 전면전극을 동일 진공에서 제작할 수 있는 멀티 챔버 클러스터 증착 시스템을 이용하였다. 기판으로 소다라 임유리, 후면전극으로 Mo, 전면전극으로 I-ZnO/Al:ZnO 및 ITO를 이용하였다. 버퍼층으로 CdS를 chemical bath deposition (CBD)를 이용하였다. 소자는 무반사막을 사용하지 않고 Al/Ni전극 그리드를 이용하였다. 이 소자로부터 0.22 $cm^2$에서 16%의 효율을 얻었다. 각 박막층 간 계면의 분석을 전기적인 특성, ellisometry에 의한 광특성, 표면과 결정성에 대한 SEM 및 XRD의 특성을 보고한다. 또한, 대표적 화합물 반도체 박막 태양전지인 CIGS 태양전지의 기술의 현황, 학문적인 과제 및 실용화의 문제점을 발표하기로 한다.

• Current Photovoltaic Research
• /
• v.1 no.1
• /
• pp.52-58
• /
• 2013

Two different window-structured $CuInGaSe_2$(CIGS) solar cells, i.e., CIGS/thin-CdS/ZnO:B(sample A) and CIGS/very thin-CdS/Zn(S/O)/ZnO:B(sample B), were prepared, and the diffusivity of Zn, Cd, S, and B atoms, respectively, in the CIGS, ZnO or Zn(S/O) layer was estimated by a theoretical fit to experimental secondary ion mass spectrometer data. Diffusivities of Zn, Cd, S, and B atoms in CIGS were $2.0{\times}10^{-13}(1.5{\times}10^{-13})$, $4.6{\times}10^{-13}(4.4{\times}10^{-13})$, $1.6{\times}10^{-13}(1.8{\times}10^{-13})$, and $1.2{\times}10^{-12}cm^2/s$ at 423K, respectively, where the values in parentheses were obtained from sample B and the others from sample A. The diffusivity of the B atom in a Zn(S/O) of sample B was $2.1{\times}10^{-14}cm^2/sec$. Moreover, the diffusivities of Cd and S atoms diffusing back into ZnO(sample A) or Zn(S/O)(sample A) layers were extremely low at 423K, and the estimated diffusion coefficients were $2.2{\times}10^{-15}cm^2/s$ for Cd and $3.0{\times}10^{-15}cm^2/s$ for S.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2009.06a
• /
• pp.146-147
• /
• 2009

$CuGaSe_2$ (CGS) layers were grown by the hot wall epitaxy method. The optimum temperatures of the substrate and source for growth turned out to be 450 and $610^{\circ}C$, respectively. Based on the absorption measurement, the band-gap variation of CGS was well interpreted by the Varshni's equation. By analyzing these emissions, a band diagram of the observed optical transitions was obtained. From the solar cell measurement, an 11.17 % efficiency on the n-CdS/p-CGS junction was achieved.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2010.02a
• /
• pp.24-24
• /
• 2010

Chalcopyrite $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 화합물 반도체는 고효율 박막태양전지의 광 흡수층으로 사용되는 물질 중 가장 우수한 효율 (19.9%, NREL 2008)을 보유하고 있다. CIGS는 직접천이형 에너지밴드갭 (direct bandgap)을 가지고 있고, 광흡수계수가 $1{\times}10^5\;cm^{-1}$로서 반도체 중 서 가장 흡수율이 높은 재료에 속하여 두께 $1{\sim}2\;{\mu}m$의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 현재 고효율 CIGS 셀생성을 위해 널리 사용되고 있는 CIGS 흡수층 성장공정은 "co-evaporation(동시증발법)"과 2-step 공정이라 불리는 "sputter-selenization(스퍼터-셀렌화)" 방법이다. 동시증발법은 개별원소 Cu, In, Ga, Se 들을 고진공 분위기에서 고온 ($550{\sim}600^{\circ}C$)기판위에 증착하는 방법으로 소면적에서 가장 좋은 효율(~20%)을 보이는 공정이다. 하지만, 고온, 고진공 공정조건과 대면적 증착시 온도 및 조성 불균일 등의 문제점 등으로 상용화에 어려움이 있다. 스퍼터-셀렌화 공정은 1단계에서 스퍼터링 방식으로 CuGaIn 전구체를 증착하고, 2단계에서 고온($550{\sim}600^{\circ}C$)하에 $H_2Se$ 혹은 Se vapor와 반응시켜 CIGS를 생성한다. 일본의 Showa Shell와 Honda Soltec 등에 의해 이미 상업화 되었듯이, 저비용 대면적으로 상업화 가능성이 높은 공정으로 평가되고 있다. 하지만, 2단계에서 사용되는 $H_2Se$ 및 Se vapor의 유독성, 기상 Se과 금속전구체 간의 느린 셀렌화 반응속도, 셀렌화반응 후 생성된 CIGS 박막 두께방향으로의 Ga 불균일분포, 생성된 CIGS/Mo 계면 접착력 저하등의 문제점들이 해결되어야만 상업화에 성공할 수 있을 것이다. 본 Tutorial에서는 CIGS 물질의 열역학 상평형과 반응메카니즘에 대해 설명하고, 다양한 생성 공정들을 소개할 것이다.