Chalcopyrite 결정구조와 1× 105 cm-1의 높은 광흡수계수를 갖고 있는 CIGS계 태양전지는 동시진공증발법으로 독일의 ZSW에서 최고효율 20.3%을 얻었으나, 스퍼터링법을 이용하면 넓은 면적의 박막을 제작할 수 있기 때문에 CIGS계 태양전지 상용화에 적합한 기술로서 평가 받고 있다.
한편, 스퍼터링법으로 제조한 전구체를 셀렌화 공정 중에 Cu, In, Ga에 비하여 원자반경이 매우 큰 Se이 금속전구체 내로 침투하게 되면서 박막 내에서 심한 부피 팽창이 일어나 균일한 미세구조를 갖는 CIGS 박막을 만들어 내기 힘들다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 전구체 형성 시에 금속 전구체뿐만 아니라 Se이 포함된 전구체를 다층구조로 제조함으로써, 기존의 금속 원소만을 sputtering 했던 공정의 단점인 부피 팽창 문제를 해결함과 동시에 적층구조와 셀 효율과의 관계를 연구하였다.
본 연구에서 Cu2Se, In2Se3, Cu3Ga 타겟을 이용하여 다층구조로 제조된 전구체에 셀렌화공정을 실시하여 CIGS 흡수층을 제조하였다. 기판은 약 1㎛ 두께의 Mo가 증착된 Soda-Lime Glass (SLG)를 사용하였다. 각 샘플의 적층구조는 (A) Cu2Se / Cu3Ga / In2Se3 / Mo / SLG , (B) Cu3Ga / Cu2Se / In2Se3 / Mo / SLG , (C) Cu3Ga / In2Se3 / Mo / SLG 이다.
전구체 증착 후 CIGS 흡수층 형성을 위해 Rapid Thermal Process (RTP, two-zone)를 이용하여 셀렌화 공정을 실시하였다. Se소스는 350℃의 온도에서 열처리를 하였고 Se 분위기에서 기판온도를 570℃로 유지한 채 15~60분 동안 공정을 실시하였다.
그 후 제조된 CIGS 박막은 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM)을 이용하여 표면형상을 관찰하였고, 박막의 결정 구조 변화와 이차상을 관찰하기 위해 X-ray Diffraction (XRD), Raman spectroscopy을 이용하였다. 그리고 X-ray Fluorescence (XRF)을 이용하여 각 물질의 조성비를 분석하였다. 또한, CIGS 흡수층의 광변환효율과 양자효율을 알아보기 위해 각각 태양전지효율측정시스템 (solar simulator, WXS-1555S-L2, AM1.5G, Wacom)와 스펙트럼반응측정시스템 (spectral response measurementsystem, CEP-25BX, Jasco) 을 사용하였다.
Cu2Se층으로 이루어진 두 구조의 CIGS 박막은 셀렌화 공정을 실시한 후에도 여전히 층이 구분되었다. 이는 효율에서도 차이가 보였다. Cu3Ga / Cu2Se / In2Se3 / Mo / SLG 구조를 갖는 CIGS 박막 태양전지는 1.2% 이지만, Cu3Ga / In2Se3 / Mo / SLG 구조의 CIGS 박막 태양전지는 2.06%의 효율이 측정되었다.
적층구조에 적용된 Cu2Se층은 낮은 온도에서 안정한 상인 것을 확인하였다. 그래서 셀렌화 공정에 적용된 기판온도의 570℃에서는 전체적으로 반응 일어나지 않았다. 즉 각층의 계면에서 반응이 일어나 CIGS 박막이 형성된 것으로 사료된다. 그리고 Cu2Se층으로 이루어진 두 구조의 CIGS 박막에서 Cu2-xSex의 상이 존재함을 Raman Spectra를 통해 확인 할 수 있었다.
또한, Cu3Ga / In2Se3 의 적층구조를 적용한 CIGS박막을 적용한 Al / Al doped ZnO / i-ZnO / CdS / CIGS / Mo / SLG 구조의 태양전지를 제조한 후 특성평가를 하여 변환효율 2.06 % 을 얻었다.