본문내용
1. 서론
1.1. CZTSSe 태양전지 개요
CZTSSe 태양전지는 지구에 풍부하고 무해한 원소로 구성된 광 흡수층 재료로 높은 광 흡수계수와 조절 가능한 밴드갭 (1.0 ~ 1.5 eV)을 가지고 있어 박막 태양전지로 많은 연구가 진행되고 있다. CZTSSe의 기원은 카드뮴 텔루라이드 (CdTe)인 이원계 Ⅱ-Ⅵ 화합물이다. CZT(S,Se)는 I2-II-IV-VI4 4성분계 화합물 구조를 가지는 CZTS(Cu2ZnSnS4), CZTSe(Cu2ZnSnSe4), CZTSSe(Cu2ZnSn(SxSe4-x))를 의미한다. CZTS는 2성분계인 II-IV ZnS 구조에서 시작하여, I 족의 Cu, III 족의 In이 치환되어 I-III-VI2 3성분계 화합물인 CuInS2로, III 족의 In이 II 족의 Zn, IV 족의 Sn으로 치환되어 I2-II-IV-VI4 구조의 Cu2ZnSnS4가 만들어진다. 즉, CZTS는 CuInS2 중 In의 절반은 Zn으로, 나머지 절반은 Sn으로 치환된 물질이다. 배열 상태에 따라 PMCA, stannite 또는 kesterite 구조가 가능하나, PMCA 구조는 보고된 적이 없으며, 자연상에는 stannite 또는 kesterite 구조로 발견된다. Stannite 구조의 CZTS는 Cu-Cu층에 Zn-Sn층이 둘러싸여 있고, kesterite 구조의 CZTS는 Cu-Sn층과 Cu-Zn층이 번갈아 배열되어 있다. Kesterite 구조가 stannite 구조와 비교하면 열역학적으로 안정하여, 대부분의 태양전지는 kesterite 구조인 것으로 알려져 있다. CZT(S,Se)는 chalcopyrite 구조의 CIGS에 비하여 열역학적으로 안정상이 생기는 영역이 매우 좁아, CZT(S, Se) 광 흡수층 물질의 조성비 영향을 매우 민감하게 받는다. Cu/(Zn+Sn), Zn/Sn이 조금만 달라져도 CZT(S, Se) 박막 태양전지의 특성이 크게 변한다. CIGS의 경우 많은 이차 상이 발견되지 않지만, CZT(S,Se)는 약간의 조성 이탈에도 이차 상이 많이 생기기 때문이다. 원하지 않는 상이 생성되어 CZT(S, Se) 광 흡수층 내에 결함을 형성하면 특성을 저하시킬 수 있다.
1.2. 태양전지 구조 및 원리
태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자이다. 기본적인 태양전지의 구조는 p-n 접합으로 이루어져 있으며, p형 반도체와 n형 반도체가 접합되어 있다.
태양광이 태양전지에 입사되면 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 부분에서 전자-정공쌍이 생성된다. 이때 전위차에 의해 전자와 정공이 분리되어 전류가 흐르게 된다. 이러한 원리로 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하게 된다.
태양전지의 기본 구조는 크게 네 가지 층으로 이루어져 있다. 가장 아래에는 뒷면 전극(back contact)인 금속층이 있으며, 그 위에 p형 반도체 물질인 광 흡수층이 위치한다. 그 위로는 p-n 접합을 이루는 n형 반도체 물질인 버퍼층이 놓여있다. 마지막으로 상부 전극(front contact)인 투명전도층이 가장 윗층을 구성한다.
뒷면 전극은 태양전지의 전기적 신호를 외부로 연결해주는 역할을 하며, 광 흡수층은 태양광을 효과적으로 흡수하여 전자-정공쌍을 생성시킨다. 버퍼층은 p-n 접합을 이루어 전자와 정공을 분리시키고, 상부 전극은 생성된 전류를 수집하여 외부로 전달한다.
태양전지의 효율을 높이기 위해서는 각 층의 재료 및 두께 등을 최적화해야 한다. 예를 들어 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 태양광 스펙트럼에 맞추어 조절하거나, 반사방지 코팅을 통해 빛의 흡수를 증대시킬 수 있다. 또한 전극 물질의 저항 감소와 접촉 특성 향상, 버퍼층의 격자 정합 개선 등이 필요하다.
종합적으로 태양전지는 태양광 에너지를 효과적으로 전기 에너지로 변환할 수 있도록 설계된 반도체 소자이며, 각 구성 층의 최적화를 통해 전환 효율을 높일 수 있다.
2. CZTSSe 태양전지 제작 공정
2.1. DC Sputtering
DC Sputtering은 진공 속에서 전압을 가하여 타깃 물질로부터 원자를 분리시켜 기판에 증착하는 방법이다. Mo가 증착되어있는 기판 위에 Cu, Zn, Sn을 DC Sputtering으로 증착하여 precursor를 형성한다. 이때 Mo는 back contact 역할을 한다. Sputtering이 끝나면 precursor가 기판 위에 분홍색으로 증착되어 있다. DC Sputtering은 도체 물질을 증착하는데 주로 사용되는데, 절연체 물질을 증착할 경우에는 RF Sputtering을 이용한다. 이는 절연체에 DC 전압을 가하면 대전현상이 발생하여 증착이 어렵기 때문이다. DC Sputtering은 타깃 물질의 조성을 정밀하게 조절할 수 있고 증착률이 빨라 박막 제조에 많이 활용된다. 특히 CZTSSe 태양전지 제작 공정에서 Cu, Zn, Sn 등 금속 전구체를 증착하는 데 활용된다.
2.2. Soft annealing
Soft annealing은 RTA process를 진행하기 전에 Tube Furnace를 이용해 수행하는 열처리 공정이다. Soft annealing을 하는 이유는 CZT를 더 잘 합성시켜 주기 위해서이다. Soft annealing을 거친 샘플의 색은 약간 회색빛을 띠는데, 이는 CZT가 더 잘 합성되었기 때문이다. 열처리 전 증착된 Cu/Zn/Sn 전구체는 분홍색을 띠지만, Soft annealing을 거치면서 CZT가 더 잘 형성되어 회색빛을 나타내게 된다. 즉, Soft annealing은 RTA process 이전에 CZT를 효과적으로 합성시키기 위해 수행되는 것이다.
2.3. RTA process
RTA(Rapid Thermal Annealing) process는 CZTSSe 태양전지 제작 시 중요한 공정 중 하나이다. 이 공정에서...
