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KR102513863B1 - Flexible CZTSSe thin film solar cells and manufacturing method thereof - Google Patents

Flexible CZTSSe thin film solar cells and manufacturing method thereof Download PDF

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KR102513863B1
KR102513863B1 KR1020210189294A KR20210189294A KR102513863B1 KR 102513863 B1 KR102513863 B1 KR 102513863B1 KR 1020210189294 A KR1020210189294 A KR 1020210189294A KR 20210189294 A KR20210189294 A KR 20210189294A KR 102513863 B1 KR102513863 B1 KR 102513863B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
layer
thin film
flexible
solar cell
forming
Prior art date
Application number
KR1020210189294A
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Korean (ko)
Inventor
김진혁
조은애
장준성
김수길
장수영
김동명
Original Assignee
전남대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

The present invention relates to a flexible CZTSSe thin film solar cell and a manufacturing method thereof and, more specifically, to a flexible CZTSSe thin film solar cell and a flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method which introduce a metal oxide intermediate layer without directly forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on a flexible lower electrode substrate to form a protective layer so as to enable interface control and include dopants in controlled amounts and types into a CZTSSe thin film so as to increase crystal quality of the CZTSSe thin film and reduce processing time.

Description

플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 및 상기 플렉서블 CZTSSe 박막태양전지 제조방법{Flexible CZTSSe thin film solar cells and manufacturing method thereof} Flexible CZTSSe thin film solar cell and manufacturing method of the flexible CZTSSe thin film solar cell {Flexible CZTSSe thin film solar cells and manufacturing method thereof}

본 발명은 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플렉서블 하부전극기판 상에 직접적으로 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하지 않고 금속산화물중간층을 도입하여 보호층을 형성함으로써 계면 제어를 할 수 있고, 도펀트를 제어된 함량과 종류로 CZTSSe 박막에 포함시킴으로써 CZTSSe 박막의 결정 품질 향상 및 공정시간을 단축시킬 수 있는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 및 상기 플렉서블 CZTSSe 박막태양전지 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible CZTSSe thin film solar cell and a manufacturing method thereof, and more specifically, to a protective layer by introducing a metal oxide intermediate layer without directly forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on a flexible lower electrode substrate. A flexible CZTSSe thin film solar cell capable of controlling the interface by forming and incorporating dopants into the CZTSSe thin film in a controlled amount and type to improve the crystal quality of the CZTSSe thin film and shorten the process time, and a manufacturing method of the flexible CZTSSe thin film solar cell It is about.

CZTSSe 박막 태양전지는 다양한 원소의 도핑 및 조성비 조절을 통해 흡수층의 밴드갭을 1.0 eV에서 2.8 eV까지 조절할 수 있고, 광흡수계수가 10-4 cm-1로 높아 현재까지 급격한 발전을 이루고 있는 태양전지이다. 또한 구성원소의 가격이 낮고, 지구에 풍부한 물질로 구성되어 있어 경제적으로 이점이 있기 때문에 CIGS 기반의 박막 태양전지를 대체하기에 적합하여 많은 연구가 진행되고 있다. CZTSSe thin-film solar cells can adjust the band gap of the absorption layer from 1.0 eV to 2.8 eV through doping of various elements and control of the composition ratio, and the light absorption coefficient is as high as 10 -4 cm -1 , making rapid development so far. am. In addition, since the price of the element is low and it is composed of abundant materials on earth, it is economically advantageous, so it is suitable for replacing CIGS-based thin-film solar cells, and many studies are being conducted.

그러나, 현재까지 CZTSSe 박막 태양전지의 변환효율은 SLG/Mo 기판을 이용했을 때 13.0%, Mo foil 기판을 이용했을 때 11.19%가 세계 최고 기록으로, 다른 태양전지 대비 상대적으로 낮은 변환효율을 보이고 있다. 또한 플렉서블 기판을 사용하는 경우에는 알칼리 원소의 부재로 유리기판 대비 효율이 더욱 낮은 실정이다. 따라서 Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) 박막 태양전지를 상업적으로 대체하기에는 어려움이 있다.However, the conversion efficiency of CZTSSe thin-film solar cells so far is 13.0% when using SLG/Mo substrate and 11.19% when using Mo foil substrate, which is the world record, showing relatively low conversion efficiency compared to other solar cells. . In addition, in the case of using a flexible substrate, the efficiency is lower than that of a glass substrate due to the absence of an alkali element. Therefore, it is difficult to commercially replace Cu(In,Ga)(S,Se) 2 (CIGS) thin-film solar cells.

한편, 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제작되므로 재료의 소모량이 적고, 무게가 가볍기 때문에 활용범위가 넓다. 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지는 다층의 구조로 이루어져 있으며 그 중 p형 화합물 반도체층으로 제조하고 흡수층(absorber layer)으로 알려진 활성화층은 광생성(photo-generation)을 통해 전하(carrier)들을 생성하는 중추적인 역할을 수행하는 곳으로 충분한 광자가 흡수 되었을 때 많은 양의 전하를 생성하여 태양전지 소자의 변환효율을 향상시킬 수 있다. On the other hand, since the thin-film solar cell is manufactured with a thin thickness, the consumption of materials is small and the weight is light, so the application range is wide. The flexible CZTSSe thin film solar cell consists of a multi-layered structure, among which an active layer made of a p-type compound semiconductor layer and known as an absorber layer plays a pivotal role in generating carriers through photo-generation. When enough photons are absorbed, a large amount of charge can be generated to improve the conversion efficiency of the solar cell device.

이와 같은 화합물 반도체의 일종인 CZT(CuZnSn) 기반의 태양전지의 광흡수층을 제조하는 일반적인 방법은, Cu, Zn, Sn으로 이루어진 금속 전구체를 우선 증착 후 황(S) 또는 셀렌(Se) 원소을 이용하여 열처리를 하는 것이다. 이와 같은 광흡수층은 CZTS(CuZnSnS), CZTSe(CuZnSnSe), CZTSS(CuZnSnSSe) 태양전지 광흡수층일 수 있다. 이때, Cu, Zn, Sn으로 이루어진 금속전구체의 증착은 Cu, Zn, Sn의 단위막을 스퍼터링(Sputtering)방법으로 순서대로 증착하는 것이 일반적이다. 하지만, 이러한 순서대로 증착시, Sn의 결정화로 금속 전구체 막이 매우 거친 표면을 형성하고, 이로 인하여 황(S) 또는 셀렌(Se) 원소를 이용한 열처리 이후에도 표면의 거칠기가 개선되지 않아 흡수층의 국부적인 위치에 따른 성분비의 불균일성, 흡수층 이후 공정에서 병렬저항의 감소 문제로 태양전지 효율의 개선에 한계를 나타낸다.A general method of manufacturing a light absorbing layer of a solar cell based on CZT (CuZnSn), which is a kind of compound semiconductor, is to first deposit a metal precursor composed of Cu, Zn, and Sn, and then use sulfur (S) or selenium (Se) element to to heat treatment. Such a light absorbing layer may be a CZTS (CuZnSnS), CZTSe (CuZnSnSe), or CZTSS (CuZnSnSSe) solar cell light absorbing layer. At this time, in the deposition of the metal precursor composed of Cu, Zn, and Sn, it is common to sequentially deposit unit films of Cu, Zn, and Sn by a sputtering method. However, when deposited in this order, the metal precursor film forms a very rough surface due to the crystallization of Sn, and due to this, the surface roughness is not improved even after heat treatment using sulfur (S) or selenium (Se) element, so the local position of the absorption layer The non-uniformity of the component ratio and the decrease in parallel resistance in the process after the absorption layer limit the improvement of solar cell efficiency.

이를 극복하기 위하여 CuS, ZnS, SnS 타겟(target)을 이용하여 전구체를 증착하는 방법이 있으나, 이는 증착 속도의 저하와 황(S) 또는 셀렌(Se)으로 인한 증착기의 오염과 부식, 그리고 상대적으로 낮은 표면 거칠기의 개선 특성을 나타내는 문제점이 있다. 즉, 흡수층은 구리, 아연, 주석, 갈륨, 인듐, 황, 셀레늄의 물질을 선택적으로 합성하여 제조되는데 합성시 공정에 따라 박막의 품질이 상이하게 나타날 수 있기 때문이다. 특히 고온에서의 열처리 특성으로 인해 박막이 밀집되게 합성되지 못하고 공공이 발생하거나 완전한 상이 형성되지 않을 수 있어 결과적으로 태양전지의 특성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. To overcome this, there is a method of depositing a precursor using CuS, ZnS, or SnS targets, but this reduces the deposition rate, contamination and corrosion of the evaporator due to sulfur (S) or selenium (Se), and relatively There is a problem of showing improvement characteristics of low surface roughness. That is, the absorption layer is manufactured by selectively synthesizing materials of copper, zinc, tin, gallium, indium, sulfur, and selenium, and the quality of the thin film may be different depending on the synthesis process. In particular, due to heat treatment characteristics at high temperatures, thin films may not be densely synthesized, and vacancies may occur or complete phases may not be formed, which may adversely affect the characteristics of the solar cell as a result.

또한, CZTSSe 박막 태양전지의 변환효율 향상에 방해되는 주요 장벽 중 하나는 불완전한 하부전극/흡수층 계면으로 알려져 있다. CZTSSe 박막 태양전지의 경우 CZTSSe 흡수층을 합성하는 과정인 황화, 셀렌화 과정에서 흡수층과 Mo 하부전극이 반응하여, 그 결과 Mo 하부전극과 CZTSSe 흡수층 계면에서 원치 않는 상이 생성된다. 이상층이 많이 형성될수록 순수한 Mo는 더 두꺼운 이상층으로 변하게 된다.In addition, it is known that one of the main barriers to the improvement of the conversion efficiency of CZTSSe thin film solar cells is the incomplete lower electrode/absorber layer interface. In the case of a CZTSSe thin-film solar cell, the absorber layer reacts with the Mo lower electrode during the sulfurization and selenization processes, which are the processes of synthesizing the CZTSSe absorber layer, and as a result, an unwanted phase is generated at the interface between the Mo lower electrode and the CZTSSe absorber layer. As more ideal layers are formed, pure Mo changes into thicker ideal layers.

하부전극과 흡수층 계면에서 형성되는 이상은 Mo(S,Se)2로 이 이상층은 흡수층의 결정성을 저하시키고 소자의 관점에서는 전기적 특성을 크게 감소시킨다. 더 나아가 두껍게 형성된 Mo(S,Se)2는 CZTSSe 박막 태양전지에서 계면 특성을 저하시켜 높은 직렬저항 (Rs, Series Resistance)를 유발하게 된다.이에, TiN 혹은 TiB2 중간층을 적용하여 계면 특성을 제어하기도 하는데 이 경우에는 더 높은 Rs를 유발하여 소자 특성은 개선하지 못하였다. The phase formed at the interface between the lower electrode and the absorber layer is Mo(S,Se) 2 , and this phase reduces the crystallinity of the absorber layer and greatly reduces the electrical characteristics of the device. Furthermore, thickly formed Mo(S,Se) 2 deteriorates interface characteristics in CZTSSe thin film solar cells, causing high series resistance (R s ). Thus, by applying a TiN or TiB 2 intermediate layer, It is also controlled, but in this case, higher R s was induced, and device characteristics were not improved.

따라서 계면에서 발생하는 큰 문제점인 Mo의 이상층으로의 변화를 막고 이차상 (Secondary phase) 및 이상층 두께 제어와 더불어 CZTSSe 박막 태양전지의 소자 특성 개선을 위해 더 적합한 물질의 개발 및 적용이 요구된다.Therefore, it is required to develop and apply a more suitable material to prevent the change of Mo to an abnormal layer, which is a major problem at the interface, and to improve the device characteristics of the CZTSSe thin film solar cell along with the control of the thickness of the secondary phase and the abnormal layer. .

더욱이, 유리기판 대비 플렉서블 CZTSSe 태양전지의 경우, 공정 중에 자연스럽게 첨가되는 알칼리 원소의 부재로 인해 흡수층의 결정 품질이 상대적으로 떨어지는 경향이 있다. Moreover, in the case of a flexible CZTSSe solar cell compared to a glass substrate, the crystal quality of the absorber layer tends to be relatively low due to the absence of an alkali element naturally added during the process.

따라서, 상술된 문제점을 해결하여 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 변환효율을 보다 개선할 수 있는 새로운 기술이 개발될 필요가 있다.Therefore, it is necessary to develop a new technology capable of further improving the conversion efficiency of the flexible CZTSSe thin film solar cell by solving the above-mentioned problems.

국내특허등록번호 제10-1509306호Domestic Patent Registration No. 10-1509306

본 발명자들은 다수의 연구결과 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 흡수층의 막질을 개선하여 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다The present inventors have completed the present invention by developing a technology that can improve the electrical characteristics of a solar cell by improving the film quality of the absorber layer of a flexible CZTSSe thin film solar cell as a result of numerous studies.

따라서, 본 발명의 목적은 플렉서블 하부전극기판과 흡수층인 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층 사이에 구리알루미늄 산화물(CuAlO2) 중간층을 적용하여 플렉서블 CZTSSe 태양전지의 흡수층 및 하부전극에 생성될 수 있는 이상층을 미연에 방지하여, 직렬저항(Rs)을 감소시킬 수 있는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Therefore, an object of the present invention is to apply a copper aluminum oxide (CuAlO 2 ) intermediate layer between a flexible lower electrode substrate and a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film as an absorber layer, which can be generated in the absorber layer and lower electrode of a flexible CZTSSe solar cell. An object of the present invention is to provide a flexible CZTSSe thin film solar cell capable of reducing the series resistance (R s ) by preventing an abnormal layer and a manufacturing method thereof.

본 발명의 다른 목적은 공동스퍼터링 및 사전열처리를 통해 p형 화합물 반도체층을 형성함으로써 공공이 없고 결정성이 높은 박막을 형성할 수 있어 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지용 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to form a p-type compound semiconductor layer through co-sputtering and pre-heat treatment to form a thin film with no vacancies and high crystallinity, thereby improving the electrical characteristics of a flexible CZTSSe thin film solar cell and It is to provide a manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 도펀트의 종류 및 함량을 제어하여 원하는 종류 및 함량으로 p형 화합물 반도체층에 도펀트를 첨가하여 p형 화합물 반도체층 결정 품질을 향상시켜 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지용 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to improve the electrical characteristics of a solar cell by improving the crystal quality of the p-type compound semiconductor layer by adding a dopant to the p-type compound semiconductor layer in a desired type and amount by controlling the type and content of the dopant It is to provide a flexible CZTSSe thin film solar cell and its manufacturing method.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that can be recognized by those skilled in the art from the description of the detailed description of the invention to be described later may also be included. .

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 플렉서블 하부전극 기판 상에 Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al 혼합층을 산화시켜 Cu-Al산화물(CuAlO2) 중간층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al산화물 중간층상에 도펀트층을 형성하는 단계; 상기 도펀트층 상에 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 화합물 반도체층 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 화합물 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 투명전극층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 플렉서CZTSSe 박막 태양전지 제조방법을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention comprises the steps of forming a Cu-Al mixed layer on a flexible lower electrode substrate; oxidizing the Cu-Al mixed layer to form a Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) intermediate layer; forming a dopant layer on the Cu-Al oxide intermediate layer; forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on the dopant layer; forming an n-type compound semiconductor layer on the p-type compound semiconductor layer; forming a transparent electrode layer on the n-type compound semiconductor layer; and forming an upper electrode on the transparent electrode layer.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계는 동시진공증발법을 이용하여 Cu 대 Al의 원자비율이 40 : 60 내지 60 : 40이 되도록 수행된다. In a preferred embodiment, the forming of the Cu-Al mixed layer is performed so that the atomic ratio of Cu to Al is 40:60 to 60:40 using a co-vacuum evaporation method.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu-Al 혼합층은 5 nm 내지 25 nm 두께로 형성된다. In a preferred embodiment, the Cu-Al mixed layer is formed to a thickness of 5 nm to 25 nm.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu-Al산화물중간층을 형성하는 단계는 산소 분위기로 300℃ 내지 500℃ 온도조건에서 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 수행된다. In a preferred embodiment, the step of forming the Cu—Al oxide intermediate layer is performed by heat treatment for 1 hour to 2 hours at a temperature condition of 300° C. to 500° C. in an oxygen atmosphere.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu-Al산화물 중간층을 형성하는 Cu-Al산화물(CuAlO2)의 원소 조성비가 Al2O3 : Cu2O = 1 : 1 at% 이다. In a preferred embodiment, the elemental composition ratio of the Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) forming the Cu-Al oxide intermediate layer is Al 2 O 3 : Cu 2 O = 1 : 1 at%.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 도펀트층을 형성하는 단계는 진공증발법을 이용하여 5 nm 내지 20 nm로 형성된다. In a preferred embodiment, the step of forming the dopant layer is formed to a thickness of 5 nm to 20 nm using a vacuum evaporation method.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 도펀트층은 플루오린화 소듐(NaF), 플루오린화 포타슘(KF), 플루오린화 루비듐(RbF) 및 플루오린화 세슘(CsF)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나로 이루어진다. In a preferred embodiment, the dopant layer is made of one selected from the group consisting of sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF) and cesium fluoride (CsF).

바람직한 실시예에 있어서, 상기 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 상기 도펀트층 상에 Zn 및 Cu 또는 Sn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Zn 또는 Cu-Sn이 혼합된 제1금속혼합층을 형성하는 단계; 상기 제1금속혼합층 상에 Sn 및 Cu 또는 Zn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Sn 또는 Cu-Zn이 혼합된 제2금속혼합층을 형성하는 단계; 상기 제1금속혼합층은 Cu-Zn합금 또는 Cu-Sn합금으로 구성된 제1합금층을 형성하고, 상기 제2금속혼합층은 Cu-Sn합금 또는 Cu-Zn합금으로 구성된 제2합금층을 형성하도록 상기 제1 및 제2 금속혼합층을 1차 열처리하는 제1 및 제2합금층 형성단계; 및 상기 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 2차 열처리하는 단계를 포함하는 CZTSSe 박막 형성단계;를 포함하여 형성된다. In a preferred embodiment, in the forming of the p-type compound semiconductor layer, Zn and Cu or Sn and Cu are deposited on the dopant layer by co-sputtering to form a first metal mixed layer in which Cu-Zn or Cu-Sn is mixed. forming; depositing Sn and Cu or Zn and Cu on the first metal mixture layer by co-sputtering to form a second metal mixture layer in which Cu-Sn or Cu-Zn are mixed; The first metal mixed layer forms a first alloy layer composed of a Cu-Zn alloy or a Cu-Sn alloy, and the second metal mixed layer forms a second alloy layer composed of a Cu-Sn alloy or a Cu-Zn alloy. forming first and second alloy layers by performing a primary heat treatment on the first and second metal mixture layers; and forming a CZTSSe thin film including subjecting the first and second alloy layers to secondary heat treatment together with S and Se powder.

상기 제1금속혼합층 또는 제2금속혼합층을 형성하는 단계는 Zn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 20 내지 40 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 900-1100초 동안 동시에 증착시켜 수행되거나, Sn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 35 내지 55 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 1400-1600초 동안 동시에 증착시켜 수행된다.In the step of forming the first metal mixed layer or the second metal mixed layer, DC power of 60 to 80 W is applied to Zn and DC power of 20 to 40 W is applied to Cu, and 900 to 1100 seconds at a process pressure of 7 to 9 mTorr. It is performed by simultaneously depositing during the process, or by applying DC power of 60 to 80 W for Sn and DC power of 35 to 55 W for Cu, and simultaneously depositing for 1400-1600 seconds at a process pressure of 7-9 mTorr.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2합금층 형성단계는 상기 제1 및 제2 금속혼합층을 Ar 또는 N2의 대기압 분위기 및 200-400℃의 온도 조건에서 80-100분 동안 1차 열처리하는 단계 및 150분 내지 210분 동안 자연냉각시키는 단계를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, in the first and second alloy layer forming steps, the first and second metal mixed layers are subjected to primary heat treatment for 80 to 100 minutes in an atmospheric pressure atmosphere of Ar or N 2 and a temperature condition of 200 to 400 ° C. and natural cooling for 150 to 210 minutes.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 CZTSSe 박막 형성단계는 상기 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 Ar 분위기, 450 - 550 Torr의 압력 및 500-600℃의 온도 조건에서 5분 - 10분 동안 2차 열처리하는 단계; 및 상온까지 자연냉각시키는 단계를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the CZTSSe thin film forming step is to form the first and second alloy layers together with S and Se powder in an Ar atmosphere, 450 to 550 Torr pressure, and 500 to 600 ° C. temperature conditions for 5 to 10 minutes. During the secondary heat treatment step; and naturally cooling to room temperature.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차열처리는 상기 제1 및 제2 합금층과 S 및 Se 분말을 흑연상자에 넣어 수행되는데, 상기 S 및 Se 분말은 1:90 내지 1:120의 중량비로 포함된다. In a preferred embodiment, the secondary heat treatment is performed by putting the first and second alloy layers and S and Se powders in a graphite box, and the S and Se powders are included in a weight ratio of 1:90 to 1:120 .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 Cu-Zn합금은 Cu6Zn8을 포함하고, 상기 Cu-Sn합금은 Cu3Sn 및 Cu6Sn5을 포함된다. In a preferred embodiment, the Cu-Zn alloy includes Cu 6 Zn 8 , and the Cu-Sn alloy includes Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 CZTSSe 박막은 SnS(e)2, ZnS(e), Cu2S(e), Cu2SnS(e)3를 포함하는 이차상이 억제되고 Cu2ZnSn(S,Se)4로 이루어진다. In a preferred embodiment, the CZTSSe thin film has secondary phases including SnS(e) 2 , ZnS(e), Cu 2 S(e), and Cu 2 SnS(e) 3 suppressed and Cu 2 ZnSn(S,Se) consists of 4

바람직한 실시예에 있어서, 상기 플렉서블 하부전극 기판은 금속 박판 또는 전도성 폴리머 박판이다. In a preferred embodiment, the flexible lower electrode substrate is a thin metal plate or a thin conductive polymer plate.

또한, 플렉서블 하부전극기판; 상기 하부전극기판 상에 형성되는 Cu-Al산화물 중간층; 상기 Cu-Al산화물 중간층 상에 상술한 어느 하나의 제조방법으로 형성되는 p형 화합물 반도체층; 상기 p형 화합물 반도체층 상에 형성되는 n형 화합물 반도체층; 상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성되는 투명전극층; 및 상기 투명전극층 상에 형성되는 상부전극층;을 포함하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지를 제공한다. In addition, a flexible lower electrode substrate; a Cu-Al oxide intermediate layer formed on the lower electrode substrate; a p-type compound semiconductor layer formed on the Cu-Al oxide intermediate layer by any one of the manufacturing methods described above; an n-type compound semiconductor layer formed on the p-type compound semiconductor layer; a transparent electrode layer formed on the n-type compound semiconductor layer; It provides a flexible CZTSSe thin film solar cell comprising a; and an upper electrode layer formed on the transparent electrode layer.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 플렉서블 하부전극기판은 금속 박판 또는 전도성 폴리머 박판이다.In a preferred embodiment, the flexible lower electrode substrate is a thin metal plate or a thin conductive polymer plate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 p형 화합물 반도체층은 도펀트원소를 제어된 함량과 종류로 포함한다.In a preferred embodiment, the p-type compound semiconductor layer contains a dopant element in a controlled content and type.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 도펀트원소는 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the dopant element is at least one selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs).

바람직한 실시예에 있어서, 상기 n형 화합물 반도체층은 ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO2, In2S3 및 In2O3 으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the n-type compound semiconductor layer is ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO 2 , It includes at least one selected from the group consisting of In 2 S 3 and In 2 O 3 .

바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명전극층은 ZnO, AlZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO 및 MgGaZnO 으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the transparent electrode layer includes at least one selected from the group consisting of ZnO, AlZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO and MgGaZnO.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부전극층은 Mo, Pt, Ni, Au, Ag 및 Al로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the upper electrode layer includes at least one selected from the group consisting of Mo, Pt, Ni, Au, Ag, and Al.

상술된 본 발명에 의하면 플렉서블 하부전극기판과 흡수층인 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층 사이에 구리알루미늄 산화물(CuAlO2) 중간층을 적용하여 플렉서블 CZTSSe 태양전지의 흡수층 및 하부전극에 생성될 수 있는 이상층을 미연에 방지하여, 직렬저항(Rs)을 감소시킬 수 있다. According to the present invention described above, an intermediate layer of copper aluminum oxide (CuAlO 2 ) is applied between a flexible lower electrode substrate and a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film, which is an absorber layer. By preventing the layer in advance, the series resistance (R s ) can be reduced.

또한, 본 발명에 의하면 공동스퍼터링 및 사전열처리를 통해 p형 화합물 반도체층을 형성함으로써 공공이 없고 결정성이 높은 박막을 형성할 수 있어 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by forming a p-type compound semiconductor layer through co-sputtering and pre-heat treatment, it is possible to form a thin film having no vacancies and high crystallinity, thereby improving the electrical characteristics of the solar cell.

또한, 본 발명에 의하면 도펀트의 종류 및 함량을 제어하여 원하는 종류 및 함량으로 p형 화합물 반도체층에 도펀트를 첨가하여 p형 화합물 반도체층 결정 품질을 향상시켜 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, the electrical characteristics of the solar cell can be improved by controlling the type and content of the dopant and adding the dopant to the p-type compound semiconductor layer in a desired type and amount to improve the crystal quality of the p-type compound semiconductor layer.

따라서, 본 발명은 궁극적으로 플렉서블 CZTSSe 태양전지의 변환효율을 향상시킬 수 있다.Therefore, the present invention can ultimately improve the conversion efficiency of the flexible CZTSSe solar cell.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited to the above-mentioned scope, and even if not explicitly mentioned, the effects of the invention that can be recognized by those skilled in the art from the description of specific contents for the practice of the invention described later included of course

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 제조방법을 나타내는 개략흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 p형 화합물 반도체층 제조 과정을 나타내는 모식도이고, 도 2b는 p형 화합물 반도체층을 제조허기 위한 각 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 도 2b에 도시된 방법으로 제조된 p형 화합물 반도체층을 포함하여 도 1에 도시된 방법으로 제조된 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 모식도이다.
도 4a는 금속 전구체를 공동 스퍼터링으로 증착한 것과 단일 스퍼터링으로 증착한 후 박막의 주사전자현미경 단면 사진이고, 도 4b는 금속 전구체 증착 후, 사전 열처리 한 후 박막의 주사전자현미경 단면 사진이며, 도 4c는 사전 열처리 한 박막을 S와 Se을 섞은 분말과 함께 고온에서 열처리한 후 완성된 광흡수층 박막의 주사전자현미경 단면 사진이다.
도 5는 Cu-Al 산화물 중간층의 증착 두께에 따른 광학적 특성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 TEM 비교 이미지로서, (a)는 제조과정에서 Cu-Al 산화물 중간층 및 도펀트층이 모두 형성되지 않은 것이고, (b)도펀트층만 형성된 것이며, (c)는 Cu-Al 산화물 중간층물 및 도펀트층이 모두 형성된 것이다.
도 7은 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 제조과정에서 Cu-Al 산화물 중간층이 형성된 박막태양전지와, 형성되지 않은 박막태양전지의 XRD, SEM 표면 image 비교 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 각각 제조과정에서 도펀트층만 형성된 것, Cu-Al 산화물 중간층물 및 도펀트층이 모두 형성된 것 및 Cu-Al 산화물 중간층 및 도펀트층이 모두 형성되지 않은 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 XRD, SEM 표면 image 비교 결과이다.
도 9는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 제조과정에서 Cu-Al 산화물 중간층이 형성된 박막태양전지와, 형성되지 않은 박막태양전지의 EDS depth profile 비교결과 그래프이다.
도 10은 각각 제조과정에서 도펀트층만 형성된 것, Cu-Al 산화물 중간층물 및 도펀트층이 모두 형성된 것 및 Cu-Al 산화물 중간층 및 도펀트층이 모두 형성되지 않은 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 전기적 특성 비교 결과그래프이다.
도 11은 일반 공정, 사전 열처리를 통해 합성한 흡수층이 적용된 태양전지 소자의 전기적 특성을 나타낸 결과그래프이다.
도 12a 내지 도 12d는 공동 스퍼터링, 단일 스퍼터링을 통해 제작한 CZTSSe 박막이 적용된 태양전지 소자의 전기적 특성을 나타낸 결과그래프이다.
1 is a schematic flowchart showing a manufacturing method of a flexible CZTSSe thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a schematic diagram showing a p-type compound semiconductor layer manufacturing process of a flexible CZTSSe thin film solar cell according to another embodiment of the present invention, Figure 2b is a flow chart showing each step for manufacturing a p-type compound semiconductor layer.
FIG. 3 is a schematic diagram of a flexible CZTSSe thin film solar cell manufactured by the method shown in FIG. 1 including a p-type compound semiconductor layer manufactured by the method shown in FIG. 2B according to another embodiment of the present invention.
Figure 4a is a scanning electron microscope cross-sectional photograph of a thin film after depositing a metal precursor by common sputtering and after depositing it by single sputtering, and Figure 4b is a scanning electron microscope cross-sectional photograph of a thin film after metal precursor deposition and pre-heat treatment, and Figure 4c is a scanning electron microscope cross-sectional photograph of the light absorption layer thin film completed after heat treatment of the pre-heated thin film together with powder mixed with S and Se at a high temperature.
5 is a graph showing the optical characteristics results according to the deposition thickness of the Cu-Al oxide intermediate layer.
Figure 6 is a TEM comparison image of a flexible CZTSSe thin film solar cell, (a) is a Cu-Al oxide intermediate layer and dopant layer are not formed during the manufacturing process, (b) only a dopant layer is formed, (c) is a Cu -All of the Al oxide intermediate layer and the dopant layer are formed.
7 shows XRD and SEM surface image comparison results of a thin film solar cell with and without a Cu-Al oxide intermediate layer formed during the manufacturing process of a flexible CZTSSe thin film solar cell.
8 shows XRD and SEM surfaces of a flexible CZTSSe thin film solar cell in which only a dopant layer is formed, a Cu-Al oxide intermediate layer and a dopant layer are formed, and a Cu-Al oxide intermediate layer and a dopant layer are not formed during the manufacturing process, respectively. This is the image comparison result.
9 is a graph of EDS depth profile comparison results of a thin film solar cell with a Cu-Al oxide intermediate layer formed and a thin film solar cell without a Cu-Al oxide intermediate layer formed during the manufacturing process of a flexible CZTSSe thin film solar cell.
10 is a comparison result of electrical characteristics of flexible CZTSSe thin film solar cells in which only a dopant layer is formed, a Cu-Al oxide intermediate layer and a dopant layer are formed, and a Cu-Al oxide intermediate layer and a dopant layer are not formed during the manufacturing process, respectively. it's a graph
11 is a result graph showing electrical characteristics of a solar cell device to which an absorber layer synthesized through a general process and preliminary heat treatment is applied.
12a to 12d are graphs showing electrical characteristics of solar cell devices to which CZTSSe thin films fabricated through common sputtering and single sputtering are applied.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the description of the invention, but one or more other It should be understood that it does not preclude the possibility of addition or existence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the components, even if there is no separate explicit description, it is interpreted as including the error range. In particular, when the terms "about", "substantially", etc. of degree are used, they may be construed as being used in a sense at or close to that number when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, 'after', 'after', 'after', 'before', etc., when the temporal precedence is described, 'immediately' or 'directly' It also includes non-continuous cases unless used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and like reference numerals denote like elements in different forms.

본 발명의 기술적 특징은 플렉서블 하부전극기판 상에 직접적으로 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하지 않고 금속산화물중간층을 도입하여 보호층을 형성함으로써 계면 제어를 할 수 있고, 도펀트를 제어된 함량과 종류로 CZTSSe 박막에 포함시킬 수 있으며, CZTSSe 박막을 형성함에 있어 각각의 금속을 순차적으로 적층하는 것이 아니라, Zn 및 Cu 또는 Sn 및 Cu를 각각 공동스퍼터링으로 순차적으로 증착한 금속혼합층을 형성한 후 사전열처리 즉 1차열처리를 통해 합금층을 형성한 다음 황과 셀레늄과 함께 2차열처리하는 공정을 통해 CZTSSe 박막을 형성하는데 유용한 이성분계화합물이 형성되고, SnS(e)2, ZnS(e), Cu2S(e), Cu2SnS(e)3와 같은 이차상 형성을 억제시킴으로써 CZTSSe 박막의 결정 품질 향상 및 공정시간을 단축시킬 수 있는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 및 그 제조방법에 있다. The technical feature of the present invention is that it is possible to control the interface by forming a protective layer by introducing a metal oxide intermediate layer without directly forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on a flexible lower electrode substrate, and to control the dopant content and types can be included in the CZTSSe thin film, and in forming the CZTSSe thin film, rather than sequentially stacking each metal, after forming a metal mixed layer in which Zn and Cu or Sn and Cu are sequentially deposited by co-sputtering, respectively, A two-component compound useful for forming a CZTSSe thin film is formed through a process of forming an alloy layer through pre-heat treatment, that is, primary heat treatment, and then secondary heat treatment together with sulfur and selenium, SnS(e) 2 , ZnS(e), A flexible CZTSSe thin film solar cell capable of improving the crystal quality of the CZTSSe thin film and shortening the process time by suppressing the formation of secondary phases such as Cu 2 S(e) and Cu 2 SnS(e) 3 and a manufacturing method thereof.

따라서, 본 발명의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법은 플렉서블 하부전극 기판 상에 Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al 혼합층을 산화시켜 Cu-Al산화물(CuAlO2) 중간층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al산화물 중간층상에 도펀트층을 형성하는 단계; 상기 도펀트층 상에 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 화합물 반도체층 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 화합물 반도체층 상에 n형 반도체 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 투명전극층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함한다. 여기서, 플렉서블 하부전극 기판은 전도성이 있고 유연성이 있기만 하면 공지된 모든 기판이 사용될 수 있는데, 일 구현예로서 금속 박판 또는 전도성 폴리머 박판이 사용될 수 있다. 특히 금속박판으로 스테인리스 스틸박판이나 Mo foil 등을 사용할 수 있을 것이다. Accordingly, the method for manufacturing a flexible CZTSSe thin film solar cell of the present invention includes forming a Cu-Al mixed layer on a flexible lower electrode substrate; oxidizing the Cu-Al mixed layer to form a Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) intermediate layer; forming a dopant layer on the Cu-Al oxide intermediate layer; forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on the dopant layer; forming an n-type compound semiconductor layer on the p-type compound semiconductor layer; forming an n-type semiconductor transparent electrode layer on the n-type compound semiconductor layer; and forming an upper electrode on the transparent electrode layer. Here, all known substrates may be used as the flexible lower electrode substrate as long as they are conductive and flexible. As an embodiment, a thin metal plate or a conductive polymer plate may be used. In particular, a stainless steel sheet or Mo foil may be used as a thin metal sheet.

먼저, Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계는 동시진공증발법을 이용하여 플렉서블 하부전극기판 상에 Cu 대 Al의 원자비율이 40 : 60 내지 60 : 40이 되도록 수행될 수 있다. Cu-Al 혼합층이 산화되어 Cu-Al 산화물 중간층을 형성하므로, 이차상 및 자체 결함으로 작용하지 않으면서 하부전극에 이상층을 형성시키지 않고 보호층 역할을 할 수 있는 특성을 갖는 중간층을 형성하기 위해서는 구리와 알루미늄이 균일하게 혼합되어 형성될 필요가 있는데, 동시진공증발법을 사용하면 구리와 알루미늄을 원하는 비율로 균일하게 혼합하여 형성할 수 있다. 특히, Cu-Al 혼합층에 포함되는 Cu : Al 의 비율이 60 : 40 이상이면 보호층으로서 제대로 역할을 하지만 산화시 Cu2O 상의 과도한 생성으로 인해 직렬저항을 크게 증가시킬 수 있고, Cu : Al 의 비율이 40: 60 미만이면, 산화시 Al2O3 상의 과도한 생성이 이루어 질 수 있다. Al2O3층이 과도하게 생성될 경우, p형 광 흡수층 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서 용액과 반응하여 박막의 박리가 일어날 수 있다.First, the step of forming the Cu-Al mixed layer may be performed so that the atomic ratio of Cu to Al is 40:60 to 60:40 on the flexible lower electrode substrate by using a co-vacuum evaporation method. Since the Cu-Al mixed layer is oxidized to form a Cu-Al oxide intermediate layer, in order to form an intermediate layer having characteristics that can serve as a protective layer without forming an abnormal layer on the lower electrode without acting as a secondary phase or self-defect, It needs to be formed by uniformly mixing copper and aluminum. If the co-vacuum evaporation method is used, it can be formed by uniformly mixing copper and aluminum in a desired ratio. In particular, if the ratio of Cu: Al included in the Cu-Al mixed layer is 60: 40 or more, it serves properly as a protective layer, but the series resistance can be greatly increased due to excessive generation of Cu 2 O phase during oxidation, and the Cu: Al If the ratio is less than 40:60, excessive formation of the Al 2 O 3 phase may occur during oxidation. When the Al 2 O 3 layer is excessively formed, the thin film may be peeled off by reacting with the solution in the step of forming the n-type compound semiconductor layer on the p-type light absorption layer.

Cu-Al 혼합층은 5 nm 내지 25 nm 두께로 형성될 수 있는데, 두께가 5 nm 미만일 경우 도펀트층 상에 형성되는 CZTSSe 박막이 제대로 형성되지 않거나 아일랜드 형식으로 성장할 수 있는데, 이 경우 하부전극기판으로 Mo foil이 사용되면 Mo(S,Se)2 이상층으로 변할수 있어 보호층으로 전혀 작용하지 않을 수 있으며 p형 화합물 반도체층(즉 흡수층) 내에 이차상 또한 형성될 수 있다. 반면에, 25 nm 이상인 경우, 두께가 너무 두꺼워 전하의 이동이 원활하지 않아 직류저항의 증가를 초래할 수 있다.The Cu-Al mixed layer may be formed to a thickness of 5 nm to 25 nm. If the thickness is less than 5 nm, the CZTSSe thin film formed on the dopant layer may not be properly formed or may grow in the form of an island. In this case, Mo as the lower electrode substrate When foil is used, it can be changed into a Mo(S,Se) 2 or more layer, so it can not function as a protective layer at all, and a secondary phase can also be formed in the p-type compound semiconductor layer (ie, the absorption layer). On the other hand, in the case of 25 nm or more, the thickness is too thick, and the movement of charges is not smooth, resulting in an increase in DC resistance.

다음으로, Cu-Al 산화물 중간층을 형성하는 단계는 산소 분위기로 furnace를 이용하여 Cu-Al 혼합층을 열처리하여 수행될 수 있는데, 일 구현예로서 300℃ 내지 500℃ 온도조건에서 1시간 내지 2시간 동안 Cu-Al 혼합층을 열처리하여 수행될 수 있다. 즉, 300℃ 미만의 온도를 가할 경우, 산화물의 형성이 제대로 되지 않아 금속 상태로 존재하여 흡수층의 형성에 영향을 미칠 수 있으며, 온도가 500℃ 이상일 경우, 플렉서블 하부전극기판이 Mo인 경우 Mo의 산화를 초래할 수 있다. 이 때, Cu-Al산화물 중간층을 형성하는 Cu-Al산화물(CuAlO2)의 원소 조성비가 Al2O3 : Cu2O = 2:3 내지 3:2 at%일 수 있는데, 특히 1 : 1 at%일 수 있다. 설정된 범위의 구성비를 크게 벗어난 경우 Al 및 Cu의 탈락으로 인해 흡수층의 이차상 형성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.Next, the step of forming the Cu-Al oxide intermediate layer may be performed by heat-treating the Cu-Al mixed layer using a furnace in an oxygen atmosphere. It may be performed by heat-treating the Cu-Al mixed layer. That is, when a temperature of less than 300 ° C is applied, the oxide is not properly formed and exists in a metallic state, which may affect the formation of the absorption layer. When the temperature is higher than 500 ° C, the flexible lower electrode substrate is Mo may cause oxidation. At this time, the elemental composition ratio of Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) forming the Cu-Al oxide intermediate layer may be Al 2 O 3 : Cu 2 O = 2:3 to 3:2 at%, particularly 1:1 at may be %. This is because, when the composition ratio is greatly out of the set range, the formation of the secondary phase of the absorption layer may be affected due to the omission of Al and Cu.

또한, 도펀트층을 형성하는 단계는 진공증발법을 이용하여 5 nm 내지 20 nm로 형성될 수 있는데, 도펀트층은 CZTSSe 흡수층을 합성할 때 CZTSSe 결정의 성장을 돕는 역할로서 작용할 수 있다. 즉 본 발명의 경우 알칼리계열 도펀트가 포함된 유리기판이 아니라 유연성이 있는 금속기판 또는 전도성폴리머 기판을 사용하는 점에서 도펀트가 포함되어 있지 않아 별도의 도펀트층을 형성하는 것이다. 실험적으로 도펀트층의 두께가 설정된 범위 미만이면 CZTSSe 결정 성장에 유익한 효과를 미치지 못하고, 초과하면 CZTSSe 흡수층의 비정상적인 결정 비대화를 일으켜 흡수층의 품질이 떨어지는 것을 확인하였다. In addition, the step of forming the dopant layer may be formed to a thickness of 5 nm to 20 nm using a vacuum evaporation method, and the dopant layer may serve as a role of helping the growth of the CZTSSe crystal when synthesizing the CZTSSe absorption layer. That is, in the case of the present invention, since a flexible metal substrate or a conductive polymer substrate is used instead of a glass substrate containing an alkali-based dopant, a separate dopant layer is formed because no dopant is included. Experimentally, it was confirmed that if the thickness of the dopant layer is less than the set range, it does not have a beneficial effect on CZTSSe crystal growth, and if it is exceeded, the quality of the absorber layer is deteriorated by causing abnormal crystal enlargement of the CZTSSe absorber layer.

도펀트층을 형성하는 도펀트로 플루오린화 소듐(NaF), 플루오린화 포타슘(KF), 플루오린화 루비듐(RbF) 및 플루오린화 세슘(CsF)으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나가 사용될 수 있는데, 후술하는 실시예와 같이 NaF 한 종류만 사용될 수도 있지만 얻고자 하는 흡수층의 특성에 따라 도펀트의 종류를 다수개 사용할 수 도 있을 것이다. 이와 같이 본 발명에서는 도펀트층을 향성하는 단계를 별도로 구비함으로써 유리기판을 사용할 때 유리기판에 포함된 각종 원소가 종류 및 함량이 제어되지 않고 무작위로 사용되는 것과는 달리 CZTSSe 결정이 최적 성장이 가능하도록 정교하게 제어된 종류와 함량의 도펀트를 제공할 수 있다. At least one selected from the group consisting of sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF) and cesium fluoride (CsF) may be used as the dopant forming the dopant layer. As in the embodiment, only one type of NaF may be used, but a plurality of types of dopants may be used depending on the characteristics of the absorption layer to be obtained. As described above, in the present invention, by providing a separate step of forming the dopant layer, unlike when using a glass substrate, the type and content of various elements included in the glass substrate are not controlled and used randomly, so that the CZTSSe crystal can grow optimally. It is possible to provide a dopant of a controlled type and amount.

다음으로, 도펀트층 상에 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 상기 도펀트층 상에 Zn 및 Cu 또는 Sn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Zn 또는 Cu-Sn이 혼합된 제1금속혼합층을 형성하는 단계; 상기 제1금속혼합층 상에 Sn 및 Cu 또는 Zn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Sn 또는 Cu-Zn이 혼합된 제2금속혼합층을 형성하는 단계; 상기 제1금속혼합층은 Cu-Zn합금 또는 Cu-Sn합금으로 구성된 제1합금층을 형성하고, 상기 제2금속혼합층은 Cu-Sn합금 또는 Cu-Zn합금으로 구성된 제2합금층을 형성하도록 상기 제1 및 제2 금속혼합층을 1차 열처리하는 제1 및 제2합금층 형성단계; 및 상기 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 2차 열처리하는 단계를 포함하는 CZTSSe 박막 형성단계;를 포함할 수 있다. Next, the step of forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on the dopant layer is a mixture of Cu-Zn or Cu-Sn by depositing Zn and Cu or Sn and Cu on the dopant layer by co-sputtering. 1 forming a metal mixed layer; depositing Sn and Cu or Zn and Cu on the first metal mixture layer by co-sputtering to form a second metal mixture layer in which Cu-Sn or Cu-Zn are mixed; The first metal mixed layer forms a first alloy layer composed of a Cu-Zn alloy or a Cu-Sn alloy, and the second metal mixed layer forms a second alloy layer composed of a Cu-Sn alloy or a Cu-Zn alloy. forming first and second alloy layers by performing a primary heat treatment on the first and second metal mixture layers; and forming a CZTSSe thin film including subjecting the first and second alloy layers to secondary heat treatment together with S and Se powder.

제1금속혼합층 또는 제2금속혼합층을 형성하는 단계는 Zn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 20 내지 40 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 800-1200초 동안 동시에 증착시켜 수행되고, Sn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 35 내지 55 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 1400-1600초 동안 동시에 증착시켜 수행될 수 있다. 여기서 각 금속원소별로 스퍼터링 공정조건이 상이한데, 이러한 스퍼터링 조건은 구리와 아연 또는 구리와 주석을 공동 스퍼터링한 후 1차 열처리단계를 통해 형성되는 구리-아연합금의 이성분계화합물 중 특히 Cu6Zn8을 형성하고, 구리-주석 합금의 이성분계화합물 중 특히 Cu3Sn 및 Cu6Sn5을 형성하도록 하기 위한 공정조건으로 다수의 반복실험을 통해 실험적으로 결정된 것이다. 또한 Zn의 경우에 플렉시블 기판에서 증착률이 낮게 나타나므로 유리기판에서보다 100초 내지 200초 더 긴 시간동안 증착될 수 있다.In the step of forming the first metal mixed layer or the second metal mixed layer, DC power of 60 to 80 W is applied to Zn and DC power of 20 to 40 W is applied to Cu, and a process pressure of 7 to 9 mTorr is applied for 800 to 1200 seconds. It is carried out by simultaneous deposition, Sn is applied with DC power of 60 to 80 W, and Cu is applied with DC power of 35 to 55 W, and simultaneously deposited for 1400 to 1600 seconds under a process pressure condition of 7-9 mTorr. Here, the sputtering process conditions are different for each metal element, and these sputtering conditions are particularly good for Cu 6 Zn 8 among binary compounds of copper-zinc alloy formed through the first heat treatment step after co-sputtering copper and zinc or copper and tin. It is experimentally determined through a number of repeated experiments as process conditions for forming, and in particular, Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 among the two-component compounds of the copper-tin alloy. In addition, in the case of Zn, since the deposition rate is low on the flexible substrate, it can be deposited for 100 to 200 seconds longer than that on the glass substrate.

제1 및 제2합금층 형성단계는 제1 및 제2 금속혼합층을 Ar 또는 N2의 대기압 분위기 및 200-400℃의 온도 조건에서 80-100분 동안 1차 열처리하는 단계 및 150분 내지 210분 동안 자연냉각시키는 단계를 포함하는데, 일 구현예로서 1차 열처리하는 단계는 상압의 Ar 분위기에서 250℃ 내지 350℃의 온도, 1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 상술된 바와 같이 1차 열처리조건은 구리-아연 합금 및 구리-주석 합금에서 원하는 이성분계화합물을 형성하는데 최적인 조건을 다수의 반복실험을 통해 실험적으로 결정한 것으로, CZTSSe 흡수층을 합성하기에 앞서, Cu-Zn, Zn-Sn, Cu-Sn 합금을 미리 형성하여 CZTSSe 반응시 반응에 필요한 에너지를 낮추기 위해 시행될 수 있다.The first and second alloy layer forming steps include first heat-treating the first and second metal mixed layers in an Ar or N 2 atmospheric pressure atmosphere and a temperature condition of 200-400 ° C for 80-100 minutes and 150 to 210 minutes In one embodiment, the first heat treatment may be performed at a temperature of 250° C. to 350° C. for 1 hour to 2 hours in an Ar atmosphere at atmospheric pressure. As described above, the primary heat treatment conditions were experimentally determined through a number of repeated experiments to determine the optimal conditions for forming the desired two-component compound in the copper-zinc alloy and the copper-tin alloy. Prior to synthesizing the CZTSSe absorber layer, Cu -Zn, Zn-Sn, Cu-Sn alloys can be formed in advance to lower the energy required for the reaction during CZTSSe reaction.

CZTSSe 박막 형성단계는 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 Ar 분위기, 450 - 550 Torr의 압력 및 500-600℃의 온도 조건에서 5분 - 10분 동안 2차 열처리하는 단계; 및 상온까지 자연냉각시키는 단계를 포함하여 수행되는데, 2차열처리는 제1 및 제2 합금층과 S 및 Se 분말을 흑연상자에 넣어 수행되고, 특히 S 및 Se 분말은 1:90 내지 1:120의 중량비로 포함할 수 있다. The CZTSSe thin film forming step is a step of secondary heat treatment for 5 minutes to 10 minutes in an Ar atmosphere, a pressure of 450 to 550 Torr, and a temperature of 500 to 600 ° C. for the first and second alloy layers together with S and Se powder; and naturally cooling to room temperature. The secondary heat treatment is performed by putting the first and second alloy layers and the S and Se powders in a graphite box. In particular, the S and Se powders have a ratio of 1:90 to 1:120. It can be included in a weight ratio of

즉, 본 발명에서 제1 및 제2 합금층과 S,Se이 반응하여 CZTSSe 흡수층 박막이 형성되는 과정은 다음과 같기 때문이다.That is, the process of forming the CZTSSe absorption layer thin film by reacting the first and second alloy layers with S and Se in the present invention is as follows.

4/3Cu3Sn + Se2 (g) → 2Cu2Se + 4/3Sn (1)4/3Cu 3 Sn + Se 2 (g) → 2Cu 2 Se + 4/3Sn (1)

2/3Cu6Sn5 + Se2 (g) → 2Cu2Se + 10/3Sn2/3Cu 6 Sn 5 + Se 2 (g) → 2Cu 2 Se + 10/3Sn

Cu5Zn8 + Se → 2Cu2Se + 2ZnSeCu 5 Zn 8 + Se → 2Cu 2 Se + 2ZnSe

4Cu + S2(g) → 2Cu2S4Cu + S 2 (g) → 2Cu 2 S

2Sn + S2(g) → 2Se2Sn + S 2 (g) → 2Se

SnS + Se → SnSe2 + SnSeSnS + Se → SnSe 2 + SnSe

2SnSe + Se2(g) → 2SnSe2 2SnSe + Se 2 (g) → 2SnSe 2

2Cu2S(e) + 2SnS(e)2 + S(e)2 → 2Cu2SnS(e)3 (2)2Cu 2 S(e) + 2SnS(e) 2 + S(e) 2 → 2Cu 2 SnS(e) 3 (2)

Cu2SnS(e)3 +ZnS(e) → Cu2ZnSn(S,Se)4 (3)Cu 2 SnS(e) 3 +ZnS(e) → Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 (3)

Cu2S + SnSe2 + ZnSe → Cu2ZnSn(S,Se)4 Cu 2 S + SnSe 2 + ZnSe → Cu 2 ZnSn(S,Se) 4

상술된 합성 화학식으로부터 알 수 있듯이, CZTSSe 박막이 반응식 (3)을 거쳐 최종적으로 합성되므로, 고품질의 CZTSSe 박막을 얻기 위해서는 Cu2SnS(e)3, Cu2S, SnSe2, ZnSe 화합물이 잘 형성되어야하고, Cu2SnS(e)3, Cu2S, SnSe2, ZnSe 화합물이 잘 형성되려면 Cu5Zn8, Cu3Sn, Cu6Sn5 같은 이성분계 화합물이 잘 형성되어야 할 뿐만 아니라 첨가되는 황과 셀레늄의 함량비가 중요한 것을 알 수 있다. As can be seen from the above synthesis chemical formula, since the CZTSSe thin film is finally synthesized through Reaction Formula (3), Cu 2 SnS(e) 3 , Cu 2 S, SnSe 2 , and ZnSe compounds are well formed in order to obtain a high-quality CZTSSe thin film. In order for Cu 2 SnS(e) 3 , Cu 2 S, SnSe 2 , and ZnSe compounds to form well, Cu 5 Zn 8, Cu 3 Sn, Cu 6 Sn 5 and It can be seen that the content ratio of added sulfur and selenium is important, as well as the formation of the same two-component compound.

따라서, 상술된 본 발명의 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 공동스퍼터링조건, 1차열처리조건 및 2차열처리조건이 서로 밀접하게 연관이 있을 뿐만 아니라, 이들 조건을 모두 정교하게 제어해야만 SnS(e)2, ZnS(e), Cu2S(e), Cu2SnS(e)3를 포함하는 이차상이 억제되고 Cu2ZnSn(S,Se)4 로 이루어지는 고품질의 CZTSSe 박막을 포함하는 무기박막태양전지용 p형 화합물 반도체층을 얻을 수 있는 것이다. Therefore, in the above-described step of forming the p-type compound semiconductor layer of the present invention, the joint sputtering condition, the first heat treatment condition, and the second heat treatment condition are closely related to each other, and all of these conditions must be precisely controlled to SnS ( e ) Inorganic thin film including a high-quality CZTSSe thin film composed of Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 with secondary phase containing 2 , ZnS(e), Cu 2 S(e), and Cu 2 SnS(e) 3 suppressed A p-type compound semiconductor layer for a solar cell can be obtained.

또한, p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계에서 형성된 CZTSSe 박막의 두께는 1 um 내지 2 um일 수 있는데, 두께가 1 um 미만이면, CZTSSe 흡수층을 형성하는 과정에서 결정이 제대로 성장하지 못하는 문제가 발생할 수 있으며, 2 um를 초과하여 너무 두꺼울 경우 빛이 흡수층에 도달하는 길이가 증가하고 전하 정공쌍의 생성 및 분리가 잘 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.In addition, the thickness of the CZTSSe thin film formed in the step of forming the p-type compound semiconductor layer may be 1 um to 2 um. If the thickness is less than 1 um, a problem in that the crystal does not grow properly may occur in the process of forming the CZTSSe absorption layer. This is because, when the thickness exceeds 2 μm, the length at which light reaches the absorption layer increases and the generation and separation of charge hole pairs may not be performed well.

다음으로, n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 비커가 2중으로 접합된 특수 제작된 장치를 사용하여 화학적 용액 성장법(CBD, Chemical Bath Deposition)을 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, n 형 화합물 반도체층은 ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO2, In2S3 및 In2O3에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Next, the step of forming the n-type compound semiconductor layer may be performed using a chemical bath deposition (CBD) method using a specially manufactured device in which a beaker is doubly bonded. Here, the n-type compound semiconductor layer may include at least one selected from ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO 2 , In 2 S 3 and In 2 O 3 .

일 구현예로서, n 형 화합물 반도체층은 0.0031 M 의 CdSO4, 19 M의 암모니아, 0.2 M의 thiourea를 혼합하여 1분간 교반을 실시하였고, 이후 샘플을 장치에 넣고, 55℃ 내지 90℃의 용액온도, 10분 내지 20분의 증착시간, 0.5 L/m 내지 2.0 L/m의 유량에서 공정이 수행될 수 있다.As an embodiment, the n-type compound semiconductor layer was stirred for 1 minute by mixing 0.0031 M CdSO 4 , 19 M ammonia, and 0.2 M thiourea. The process may be performed at a temperature, a deposition time of 10 minutes to 20 minutes, and a flow rate of 0.5 L/m to 2.0 L/m.

n 형 화합물 반도체층은 25 nm 내지 60 nm의 두께로 형성될 수 있는데, 25nm미만이면 반응이 제대로 이루어지지 않아 박막이 형성되지 않거나 너무 얇아 완충 역할을 할 수 없고, 60nm를 초과하여 너무 두꺼운 경우 흡수층에 도달하는 빛이 감소하여 투과율 감소로 인한 태양전지의 J sc의 감소가 일어날 수 있다.The n-type compound semiconductor layer may be formed with a thickness of 25 nm to 60 nm. If it is less than 25 nm, the reaction is not performed properly, so a thin film is not formed or it is too thin to play a buffer role. As the light reaching the is reduced, the J sc of the solar cell may decrease due to the decrease in transmittance.

다음으로, 투명전극 층을 형성하는 단계는 ZnO, Al-ZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO 및 MgGaZnO에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 n형 반도체물질을 이용하여 수행될 수 있다. 일 구현예로서 스퍼터링 장비를 이용하여 40W 내지 60W의 교류전원을 인가하여 25 nm 내지 75 nm 두께의 i-ZnO 층을 형성하고, 상기 i-ZnO층 상에 60W 내지 80W의 교류전원 및 350℃ 내지 450℃의 온도를 인가하여 400 nm 내지 700 nm 의 AZO 층을 형성하도록 수행될 수 있다. 이 때 공정압력은 1 mTorr 내지 7 mTorr일 수 있다. 투명전극 층을 형성하는 단계에서, 두께 및 공정 조건은 실험적으로 결정된 것으로 설정된 범위를 벗어난 경우 완충역할을 제대로 하지 못하고, 직렬저항을 증가시켜 전하의 흐름을 원활하게 하지 못할 수 있다. 이는 태양전지의 충진율 및 변환효율 감소를 초래할 수 있다.Next, forming the transparent electrode layer may be performed using an n-type semiconductor material including at least one selected from ZnO, Al-ZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO, and MgGaZnO. As an embodiment, an i-ZnO layer having a thickness of 25 nm to 75 nm is formed by applying AC power of 40 W to 60 W using sputtering equipment, and AC power of 60 W to 80 W and AC power of 350 ° C to 350 ° C are formed on the i-ZnO layer. A temperature of 450° C. may be applied to form an AZO layer of 400 nm to 700 nm. At this time, the process pressure may be 1 mTorr to 7 mTorr. In the step of forming the transparent electrode layer, the thickness and process conditions are experimentally determined, and if they are out of the set range, they may not play a buffer role properly and may not increase the series resistance to facilitate the flow of charges. This may lead to a decrease in the charging rate and conversion efficiency of the solar cell.

다음으로, 상부전극층을 형성하는 단계는 Mo, Pt, Au, Al, Ag 및 Ni 로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며 두께는 0.6 ㎛ 내지 1.5 ㎛로 형성될 수 있다. 상부전극층의 두께가 설정된 범위를 벗어난 경우, 상부전극의 저항이 증가하여 전하의 이동이 원활하게 진행되지 않거나, 그림자 영역이 생김으로써 빛의 반사율이 증가하거나 빛의 입사를 막을 가능성이 있다.Next, the step of forming the upper electrode layer may include at least one selected from the group consisting of Mo, Pt, Au, Al, Ag, and Ni, and may have a thickness of 0.6 μm to 1.5 μm. If the thickness of the upper electrode layer is out of the set range, the resistance of the upper electrode may increase so that the charge does not move smoothly, or a shadow area may occur, which may increase the reflectance of light or block the incidence of light.

다음으로, 본 발명의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지는 플렉서블 하부전극기판; 상기 하부전극기판 상에 형성되는 Cu-Al산화물 중간층; 상기 Cu-Al산화물 중간층 상에 상술된 어느 하나의 제조방법으로 형성되는 p형 화합물 반도체층; 상기 p형 화합물 반도체층 상에 형성되는 n형 화합물 반도체층; 상기 n형 화합물 반도체층 상에 형성되는 투명전극층; 및 상기 투명전극층 상에 형성되는 상부전극층;을 포함할 수 있는데, 일 구현예로서 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다. Next, the flexible CZTSSe thin film solar cell of the present invention includes a flexible lower electrode substrate; a Cu-Al oxide intermediate layer formed on the lower electrode substrate; a p-type compound semiconductor layer formed on the Cu-Al oxide intermediate layer by any one of the above-described manufacturing methods; an n-type compound semiconductor layer formed on the p-type compound semiconductor layer; a transparent electrode layer formed on the n-type compound semiconductor layer; and an upper electrode layer formed on the transparent electrode layer. As an embodiment, it may have a structure as shown in FIG. 3 .

여기서, 플렉서블 하부전극기판(10)은 상술된 바와 같이 금속 박판 또는 전도성 폴리머 박판일 수 있는데, 후술하는 실시예에서는 몰리브덴 포일(Mo foil)을 사용하였다.Here, the flexible lower electrode substrate 10 may be a metal thin plate or a conductive polymer thin plate as described above, but a molybdenum foil was used in the following embodiment.

특히, Cu-Al산화물 중간층(20)은 본 발명의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지를 구성하는 플렉서블 하부전극기판이 몰리브덴 포일이면 Mo가 Mo(S,Se)2 이상층으로 변하는 것을 막을 수 있으며, p형 화합물 반도체층(30)의 이차상 생성을 방지할 수 있다.In particular, the Cu-Al oxide intermediate layer 20 can prevent Mo from changing into a Mo(S,Se) 2 or more layer when the flexible lower electrode substrate constituting the flexible CZTSSe thin film solar cell of the present invention is a molybdenum foil, and is a p-type Generation of a secondary phase in the compound semiconductor layer 30 can be prevented.

더욱이, 제조방법에서 상술된 바와 같이 Cu-Al산화물 중간층 상에 형성된 도펀트층이 결정 성장에 긍정적인 영향을 미쳐 p형 화합물 반도체층 형성에 도움을 준 후 도펀트층은 없어지지만 p형 화합물 반도체층(30)이 도펀트원소를 제어된 함량과 종류로 포함할 수 있는데, 도펀트원소는 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. Moreover, as described above in the manufacturing method, after the dopant layer formed on the Cu-Al oxide intermediate layer has a positive effect on crystal growth to help form the p-type compound semiconductor layer, the dopant layer disappears but the p-type compound semiconductor layer ( 30) may include a dopant element in a controlled amount and type, and the dopant element may be at least one selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), and cesium (Cs). there is.

n형 화합물 반도체 층(40)은 ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO2, In2S3 및 In2O3 으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 투명전극 층(50)은 ZnO, Al-ZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO 및 MgGaZnO으로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상부전극층(60)은 Mo, Pt, Au, Al, Ag 및 Ni 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상부전극층(60)은 금속전극일 수 있는데, 열 증발 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링법 등을 통해 상기 투명전극층(50)의 상부의 전부 또는 일부 영역에 형성될 수 있다. The n-type compound semiconductor layer 40 may include at least one selected from the group consisting of ZnSnO, Zn(O,S), CdS, SnO 2 , In 2 S 3 and In 2 O 3 , and may include a transparent electrode layer. (50) may include at least one selected from the group consisting of ZnO, Al-ZnO, GaZnO, MgZnO, InSnO, MgAlZnO and MgGaZnO, and the upper electrode layer 60 is Mo, Pt, Au, Al, Ag and It may include at least one selected from Ni. The upper electrode layer 60 may be a metal electrode, and may be formed on all or part of the upper portion of the transparent electrode layer 50 through thermal evaporation, electron beam deposition, sputtering, or the like.

실시예Example

다음과 같이 도 3에 도시된 모식도를 갖는 고품질의 CZTSSe 박막으로 이루어진 플렉서블 CZTSSe 박막태양전지를 도 1에 도시된 흐름도에 따라 제조하였다. A flexible CZTSSe thin film solar cell made of a high quality CZTSSe thin film having the schematic diagram shown in FIG. 3 was manufactured according to the flowchart shown in FIG. 1 as follows.

1. 유연성이 있는 하부전극기판 준비단계(S100)1. Preparing a flexible lower electrode substrate (S100)

유연성이 있는 하부전극기판으로 플렉서블 몰리브덴 포일(Mo foil)을 준비한 후, 이소프로필 알콜 및 탈이온수가 포함된 각각의 비커에 상기 몰리브덴 포일 기판을 침지 시킨 후 각각의 용액에 대해 1분씩 초음파 세척기를 이용하여 세척을 진행하였고, 이후 고압의 질소 가스를 이용하여 건조시켰다.After preparing a flexible molybdenum foil as a flexible lower electrode substrate, immerse the molybdenum foil substrate in each beaker containing isopropyl alcohol and deionized water, and then use an ultrasonic cleaner for 1 minute for each solution to proceed with washing, and then dried using high-pressure nitrogen gas.

2. Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계(S200)2. Forming a Cu-Al Mixed Layer (S200)

세척된 기판에 Cu-Al 혼합층을 형성하기 위해 구리와 알루미늄 소스를 장비에 넣고 동시진공증발법을 통해 원자비율이 1:1이 되도록 동시에 증착을 실시하였으며, 10 nm 두께로 형성시켰다.In order to form a Cu-Al mixed layer on the cleaned substrate, copper and aluminum sources were put into the equipment and deposited simultaneously so that the atomic ratio was 1:1 through simultaneous vacuum evaporation, and it was formed to a thickness of 10 nm.

3. Cu-Al 산화물 중간층을 형성하는 단계(S300)3. Forming a Cu-Al Oxide Interlayer (S300)

Cu-Al 혼합층을 산화시키기 위해, furnace에 넣고 산소분위기에서 400℃를 유지하면서 1시간 30분 동안 열처리를 진행하여 Cu-Al 산화물 중간층을 형성하였다.In order to oxidize the Cu-Al mixed layer, it was placed in a furnace and heat-treated for 1 hour and 30 minutes while maintaining 400°C in an oxygen atmosphere to form a Cu-Al oxide intermediate layer.

4. 도펀트층을 형성하는 단계(S400)4. Forming a dopant layer (S400)

Cu-Al 산화물 중간층 상에, p형 화합물 반도체층의 결정 성장을 향상시키는 도펀트를 형성시키기 위해, 진공증발법을 이용하여 플루오린화 소듐(NaF)을 10 nm 두께로 형성시켰다. On the Cu—Al oxide intermediate layer, sodium fluoride (NaF) was formed to a thickness of 10 nm using a vacuum evaporation method in order to form a dopant for enhancing crystal growth of the p-type compound semiconductor layer.

5. p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계(S500)5. Forming a p-type compound semiconductor layer (S500)

p형 화합물 반도체층(30)을 도 2a 및 도 2b에 도시된 바에 따라 다음과 같이 제조하였다. The p-type compound semiconductor layer 30 was manufactured as follows, as shown in FIGS. 2A and 2B.

(1) S100에서 S400을 거쳐 얻어진 도펀트층이 형성된 플렉서블 하부전극기판을 준비하였다(S510)(1) A flexible lower electrode substrate having a dopant layer obtained through S100 to S400 was prepared (S510)

(2)제1금속혼합층 증착단계(S520)(2) Deposition of the first metal mixed layer (S520)

도펀트층 상에 공동 스퍼터링을 이용하여 Zn와 Cu를 각각 70 W, 30 W의 직류전원, 8 mTorr의 공정압력 조건에서 1000초 동안 동시에 증착시켜 Cu-Zn 금속이 혼합된 제1금속 혼합층을 형성하였다. On the dopant layer, Zn and Cu were simultaneously deposited for 1000 seconds under conditions of 70 W and 30 W DC power and 8 mTorr process pressure, respectively, using joint sputtering to form a first metal mixed layer in which Cu-Zn metals were mixed. .

(3) 제2금속혼합층 증착단계(S530)(3) Deposition of the second metal mixed layer (S530)

그 후 Sn과 Cu를 각각 70 W, 45 W의 직류전원, 8 mTorr의 공정압력 조건에서 1500초 동안 동시에 증착시켜 Cu-Sn 금속이 혼합된 제2금속 혼합층을 형성하였다.Thereafter, Sn and Cu were simultaneously deposited for 1500 seconds under conditions of DC power supply of 70 W and 45 W and process pressure of 8 mTorr, respectively, to form a second metal mixed layer in which Cu-Sn metal was mixed.

(4) 제1합금층 및 제2합금층 형성단계(S540)(4) Forming a first alloy layer and a second alloy layer (S540)

금속 혼합 전구체로서 제1금속혼합층 및 제2금속혼합층을 증착 후 각각 Cu-Zn 합금으로 구성된 제1합금층 및 Cu-Sn 합금으로 구성된 제2합금층을 형성하면서 원하는 조성의 이성분계 화합물을 형성시키기 위해 사전 열처리로서 1차 열처리를 다음과 같이 실시하였다. 1차 열처리는 Ar 또는 N2의 대기압 분위기로 이루어진 노에 넣어 300℃의 온도에서 90분 동안 열처리를 진행하였다. 이후 3시간 동안 자연 냉각을 실시하였다.Forming a two-component compound of a desired composition while forming a first alloy layer composed of a Cu-Zn alloy and a second alloy layer composed of a Cu-Sn alloy, respectively, after depositing a first metal mixture layer and a second metal mixture layer as a metal mixture precursor As a pre-heat treatment, the first heat treatment was performed as follows. The first heat treatment was performed at a temperature of 300° C. for 90 minutes in a furnace in an atmospheric pressure atmosphere of Ar or N 2 . Thereafter, natural cooling was performed for 3 hours.

(5) p형 화합물 반도체층 형성단계(S550)(5) p-type compound semiconductor layer formation step (S550)

1차 열처리된 제1 및 제2합금층이 형성된 기판을 S와 Se 분말이 1:100 중량비로 혼합되어 담긴 흑연 상자에 넣고 열처리하였다. 열처리 공정은 노 내의 초기 압력을 Ar 분위기에서 475 Torr로 만들고 530℃에서 7분 30초 동안 가열하였다. 가열 후 상온까지 자연 냉각하였다.The substrate on which the first and second alloy layers were subjected to the first heat treatment was placed in a graphite box containing a mixture of S and Se powders in a weight ratio of 1:100 and heat treated. In the heat treatment process, the initial pressure in the furnace was set to 475 Torr in an Ar atmosphere and heated at 530° C. for 7 minutes and 30 seconds. After heating, it was naturally cooled to room temperature.

6. n형 화합물 반도체층 형성단계(S600)6. N-type compound semiconductor layer formation step (S600)

화학적 용액 성장법을 이용하여 n형 화합물 반도체층으로 CdS(황화카드뮴) 버퍼층을 형성시켰다. 이때, 0.0031 M 의 CdSO4, 19 M의 암모니아, 0.2 M의 thiourea를 혼합하여 1분간 교반을 실시하였고, 이후 각 샘플을 장치에 넣고, 60℃의 용액온도, 14분 30초의 증착시간, 1.0 L/m의 유량에서 공정을 수행하여 30 nm 의 CdS 층을 형성시켰다.A CdS (cadmium sulfide) buffer layer was formed as an n-type compound semiconductor layer using a chemical solution growth method. At this time, 0.0031 M of CdSO 4 , 19 M of ammonia, and 0.2 M of thiourea were mixed and stirred for 1 minute. After that, each sample was put into the device, a solution temperature of 60 ° C, a deposition time of 14 minutes and 30 seconds, and 1.0 L The process was performed at a flow rate of /m to form a CdS layer of 30 nm.

7. 투명전극층 형성단계(S700)7. Transparent electrode layer formation step (S700)

i-ZnO와 Al이 도핑된 ZnO(AZO)층을 형성시키기 위해, 상온 및 450도에서 RF 스퍼터링법을 이용하여 n 형 반도체 투명전극층을 형성시켰다. 상기 투명전극층의 i-ZnO 두께는 50 nm, AZO 투명전극의 두께는 400 nm로 형성시켰다. In order to form a ZnO (AZO) layer doped with i-ZnO and Al, an n-type semiconductor transparent electrode layer was formed using an RF sputtering method at room temperature and 450 degrees. The i-ZnO thickness of the transparent electrode layer was 50 nm, and the thickness of the AZO transparent electrode was formed to 400 nm.

8. 상부전극층 형성단계(S800)8. Upper electrode layer formation step (S800)

상부전극층을 형성시키기 위해 알루미늄(Al) 스퍼터링 타겟을 장착하여 투명전극층 상에 DC 스퍼터링법을 통해 1.0 ㎛의 두께로 전극패턴을 형성시켰다. 상기의 과정을 통해 Mo foil/CuAlO2/CZTSSe/CdS/i-ZnO/AZO/Al 구조의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm 또는 NaF/CAO)를 완성하였다.In order to form the upper electrode layer, an aluminum (Al) sputtering target was mounted and an electrode pattern was formed to a thickness of 1.0 μm on the transparent electrode layer through DC sputtering. Through the above process, a flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (10 nm or NaF/CAO) having a structure of Mo foil/CuAlO 2 /CZTSSe/CdS/i-ZnO/AZO/Al was completed.

실시예 2Example 2

Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계(S200)에서 혼합층의 두께를 20 nm로 형성시킨 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 Mo foil/CuAlO2/CZTSSe/CdS/i-ZnO/AZO/Al 구조의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지2(20nm)를 완성하였다.In the step of forming the Cu-Al mixed layer (S200), Mo foil/CuAlO 2 /CZTSSe/CdS/i-ZnO/AZO/Al was prepared in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the mixed layer was 20 nm. Structure of flexible CZTSSe thin film solar cell 2 (20 nm) was completed.

비교예 1Comparative Example 1

실시예1에서 S520 내지 S540을 수행하지 않고 일반적인 단일 스퍼터링방법을 수행하여 얻어진 박막을 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예무기박막태양전지1을 제조하였다. Comparative example inorganic thin film solar cell 1 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a thin film obtained by performing a general single sputtering method was used without performing S520 to S540 in Example 1.

비교예 2Comparative Example 2

실시예1에서 S200 내지 S400을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예무기박막태양전지2(None)를 제조하였다. Except for not performing S200 to S400 in Example 1, a comparative inorganic thin film solar cell 2 (None) was manufactured in the same manner as in Example 1.

비교예 3Comparative Example 3

실시예1에서 S200 및 S300을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예무기박막태양전지3(NaF 또는 W/O)을 제조하였다. Except for not performing S200 and S300 in Example 1, a comparative inorganic thin film solar cell 3 (NaF or W/O) was prepared in the same manner as in Example 1.

실험예 1Experimental Example 1

실시예와 같이 p형 화합물 반도체층 형성을 위한 금속 전구체를 공동 스퍼터링으로 증착한 박막(S530까지 수행)과 단일 스퍼터링으로 증착하여 얻어진 박막을 FE-SEM으로 관찰하고 그 단면사진을 도 4a에 나타냈다. As in the example, a thin film obtained by depositing a metal precursor for forming a p-type compound semiconductor layer by joint sputtering (up to S530) and a thin film obtained by depositing a single sputtering were observed by FE-SEM, and a cross-sectional photograph thereof is shown in FIG. 4a.

도 4a에 도시된 바와 같이 공동 스퍼터링으로 증착한 박막에서 상대적으로 더 조밀하게 증착된 것을 확인할 수 있다. 단일 스퍼터링으로 증착할 경우 Cu, Zn, Sn을 각각 증착하기 때문에 Cu/Zn/Sn과 같이 층을 이루며 박막이 증착된다. 반면, 공동 스퍼터링으로 증착할 경우 Cu와 Sn 또는 Cu와 Zn를 동시에 증착하기 때문에 증착과 동시에 Cu-Sn 또는 Cu-Zn가 사전에 혼합된 형태로 박막을 증착시킬 수 있다. 실시예1의 제1금속혼합층 및 제2금속혼합층과 같이 혼합된 형태로 박막이 증착되면 Cu-Sn 및 Cu-Sn계 합금, 화합물을 형성하기 위한 또는 CZTSSe 광흡수층을 형성하기 위해 필요한 에너지가 줄어들어, Cu/Zn/Sn과 같이 적층을 이루어 증착된 박막 보다 조밀한 박막을 얻을 수 있는 것으로 보인다.As shown in FIG. 4A , it can be seen that the thin film deposited by joint sputtering is relatively more densely deposited. When deposited by single sputtering, since Cu, Zn, and Sn are respectively deposited, thin films are deposited in layers such as Cu/Zn/Sn. On the other hand, when depositing by co-sputtering, since Cu and Sn or Cu and Zn are simultaneously deposited, a thin film may be deposited in a form in which Cu-Sn or Cu-Zn are mixed in advance. When a thin film is deposited in a mixed form, such as the first metal mixed layer and the second metal mixed layer of Example 1, the energy required to form Cu-Sn and Cu-Sn-based alloys or compounds or to form the CZTSSe light absorbing layer is reduced. , it seems that a denser thin film can be obtained than the deposited thin film by forming a stack like Cu/Zn/Sn.

실험예 2Experimental Example 2

실시예1과 같이 p형 화합물 반도체층 형성을 위한 금속 전구체를 공동 스퍼터링으로 증착한 후 1차 열처리하여 얻어진 박막(S540까지 수행)과 단일 스퍼터링으로 증착한 후 1차 열처리하여 얻어진 박막을 FE-SEM으로 관찰하고 그 단면사진을 도 4b에 나타냈다. As in Example 1, the metal precursor for forming the p-type compound semiconductor layer was deposited by joint sputtering and then the thin film obtained by the first heat treatment (up to S540) and the thin film obtained by single sputtering and then the first heat treatment FE-SEM , and the cross-sectional photograph is shown in FIG. 4b.

금속전구체 증착 후 1차열처리를 실시하는 이유는 스퍼터링을 통해 증착한 Cu, Zn, Sn 전구체들이 열처리 공정을 통해 Cu6Sn5, CuSn, Cu6Zn8 과 같은 이성분계 화합물로 만들어주기 위함이다. 도 4b에 도시된 바와 같이 1차 열처리 후 FE-SEM 단면 사진을 보면 공동 스퍼티링으로 증착한 박막에서 상대적으로 더 조밀하고 균일하게 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 공동 스퍼터링으로 전구체를 증착할 경우 1차 열처리를 실시하기 전부터 Cu-Sn, Cu-Zn 형태의 화합물이 형성 될 수 있기 때문에 1차 열처리 시 Cu6Sn5, CuSn, Cu6Zn8 와 같은 이성분계 화합물들을 쉽게 형성시킬 수 있다. 반면에, 단일 스퍼터링으로 증착시킨 경우 1차 열처리 전에는 Cu/Zn/Sn 과 같은 구조로 층을 이루어 Cu-Sn, Cu-Zn 형태의 화합물이 형성될 수 없기 때문에 1차 열처리를 실시하여도 비교적 Cu6Sn5, CuSn, Cu6Zn8 와 같은 이성분계 화합물의 형성이 어렵다. 따라서 공동 스퍼터링을 실시하면 1차 열처리를 통해 이성분계 화합물의 형성을 촉진시킴으로서 고품질의 박막을 얻을 수 있다.The reason why the first heat treatment is performed after depositing the metal precursor is to make the Cu, Zn, and Sn precursors deposited through sputtering into two-component compounds such as Cu 6 Sn 5 , CuSn, and Cu 6 Zn 8 through a heat treatment process. As shown in FIG. 4B, looking at the FE-SEM cross-sectional image after the first heat treatment, it can be seen that the thin film is relatively more dense and uniformly formed in the thin film deposited by cavity sputtering. When the precursor is deposited by joint sputtering, since compounds in the form of Cu-Sn and Cu-Zn can be formed even before the first heat treatment, two-component compounds such as Cu 6 Sn 5 , CuSn, and Cu 6 Zn 8 are formed during the first heat treatment. compounds can be easily formed. On the other hand, in the case of depositing by single sputtering, since Cu-Sn and Cu-Zn compounds cannot be formed by forming a layer with a structure such as Cu/Zn/Sn before the first heat treatment, even after the first heat treatment, relatively Cu It is difficult to form two-component compounds such as 6 Sn 5 , CuSn, and Cu 6 Zn 8 . Therefore, when joint sputtering is performed, a high-quality thin film can be obtained by accelerating the formation of a two-component compound through the first heat treatment.

실험예 3Experimental Example 3

실시예1과 같이 p형 화합물 반도체층 형성을 위한 금속 전구체를 공동 스퍼터링으로 증착한 후 1차 열처리한 다음 S와 Se을 섞은 분말과 함께 2차 열처리한 후 얻어진 박막(S550까지 수행)과 단일 스퍼터링으로 증착한 후 1차 열처리 및 2차 열처리하여 얻어진 박막을 FE-SEM으로 관찰하고 그 결과사진을 도 4c 에 나타내었다. As in Example 1, a metal precursor for forming a p-type compound semiconductor layer was deposited by joint sputtering, followed by first heat treatment, and then second heat treatment with a powder mixture of S and Se, and then a thin film (up to S550) and single sputtering. The thin film obtained by the first heat treatment and the second heat treatment after depositing was observed with FE-SEM, and the resulting photograph is shown in FIG. 4c.

도 4c에 도시된 바와 같이, 실시예1과 같이 전구체를 공동스퍼터링으로 증착하여 제작한 박막의 경우 상대적으로 상부의 결정립 크기가 더 크게 나타났고, 하부의 결정립이 작은 입자들과 공공이 줄어들었다. 단일 스퍼터링으로 전구체 증착 시 1차 열처리 전에는 Cu, Zn, Sn 과 같은 전구체들이 섞이지 않은 상태로 증착된다. 반면 공동 스퍼터링으로 전구체를 증착할 시, Zn, Sn, Cu 전구체들이 Cu-Zn, Cu-Sn가 섞인 층을 형성하게 된다. 따라서, 200-400 ℃에서 1차 열처리시 단일 스퍼터링으로 증착한 박막에 비해 Cu-Zn, Cu-Sn과 같은 이성분계 화합물의 형성이 잘 이루어진다. 그 결과, S와 Se을 첨가하여 500~600℃에서 열처리를 실시하면 조밀한 형상과 큰 결정립을 형성 시킬 수 있을 뿐만 아니라 공공의 형성도 막을 수 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4C, in the case of the thin film prepared by depositing the precursor by co-sputtering as in Example 1, the size of the upper crystal grains was relatively larger, and the particles and vacancies with small crystal grains were reduced. When depositing precursors by single sputtering, precursors such as Cu, Zn, and Sn are deposited in an unmixed state before the first heat treatment. On the other hand, when depositing the precursor by co-sputtering, the Zn, Sn, and Cu precursors form a layer in which Cu-Zn and Cu-Sn are mixed. Therefore, during the first heat treatment at 200-400 ° C, the formation of two-component compounds such as Cu-Zn and Cu-Sn is well achieved compared to thin films deposited by single sputtering. As a result, it can be seen that when heat treatment is performed at 500 to 600 ° C with the addition of S and Se, not only dense shapes and large crystal grains can be formed, but also the formation of vacancies can be prevented.

실험예 4Experimental Example 4

실시예1 및 실시예2에서 얻어진 Cu-Al 산화물 중간층의 광학적 특성을 UV-vis를 통해 측정하고 그 결과를 도 5에 나타냈다. The optical properties of the Cu-Al oxide interlayer obtained in Examples 1 and 2 were measured through UV-vis, and the results are shown in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, Cu-Al 산화물 중간층이 실시예1과 같이 10 nm 두께일 때 약 95%의 가시광선 영역투과율을, 실시예2와 같이 20 nm 두께일 때 약 90%의 가시광선 영역 투과율을 나타냈다. 또한 10 nm의 두께의 Cu-Al 산화물 중간층의 밴드갭에너지는 3.75 eV, 20 nm일 때는 3.89 eV인 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, when the Cu—Al oxide intermediate layer is 10 nm thick as in Example 1, the transmittance in the visible ray region is about 95%, and when the thickness is 20 nm as in Example 2, the transmittance in the visible ray region is about 90%. showed In addition, it can be seen that the band gap energy of the Cu-Al oxide intermediate layer having a thickness of 10 nm is 3.75 eV and 3.89 eV when the thickness is 20 nm.

실험예 5Experimental Example 5

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm), 비교예2에서 얻어진 비교예무기박막태양전지2(None) 및 비교예3에서 얻어진 비교예무기박막태양전지3(NaF)을 TEM으로 관찰하고 그 결과 사진을 도 6에 나타냈다.Flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (10 nm) obtained in Example 1, comparative inorganic thin film solar cell 2 (None) obtained in Comparative Example 2, and comparative inorganic thin film solar cell 3 (NaF) obtained in Comparative Example 3 were observed by TEM. And the resulting picture is shown in Figure 6.

도 6으로부터, Cu-Al 산화물 중간층 및 도펀트층이 모두 형성되지 않은 비교예무기박막태양전지2(None)의 단면이 도시된 (a)와, 도펀트층만이 형성된 비교예무기박막태양전지3(NaF)의 단면이 도시된 (b) 및 Cu-Al 산화물 중간층 및 도펀트층이 모두 형성된 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm)의 단면이 도시된 (c)를 비교하면, 본 발명의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm)은 Mo 하부전극기판과 CZTSSe 광흡수층 사이에서 형성되는 Mo(S,Se)2 이상층의 두께가 (a) 및 (b)와 비교하여 약 1.7 ㎛에서 절반 이상으로 감소된 약 700 nm 정도로 형성된 것을 확인할 수 있다. 따라서 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지(10nm)에서 Cu-Al 산화물 중간층이 Mo(S,Se)2 이상층의 형성을 충분히 억제했다고 판단되었다. From FIG. 6, (a) shows a cross section of Comparative Inorganic Thin Film Solar Cell 2 (None) in which neither the Cu—Al oxide intermediate layer nor the dopant layer is formed, and Comparative Inorganic Thin Film Solar Cell 3 (NaF) in which only the dopant layer is formed. ) and (c) showing the cross section of flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (10 nm) in which both the Cu-Al oxide intermediate layer and the dopant layer are formed, the flexible CZTSSe thin film solar cell of the present invention 1 (10 nm) is about 700, where the thickness of the Mo (S, Se) 2 or more layer formed between the Mo lower electrode substrate and the CZTSSe light absorption layer is reduced by more than half from about 1.7 μm compared to (a) and (b) It can be confirmed that it is formed in the order of nm. Therefore, it was determined that the Cu-Al oxide intermediate layer sufficiently suppressed the formation of Mo(S,Se) 2 or more layers in the flexible CZTSSe thin film solar cell (10 nm).

실험예 6Experimental Example 6

실시예1 및 2에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm) 및 2(20nm) 및 비교예3에서 얻어진 비교예무기박막태양전지3(W/O)을 대상으로 XRD분석 SEM 관찰을 수행하고 그 결과를 도 7에 나타냈다.XRD analysis and SEM observation were performed on the flexible CZTSSe thin film solar cells 1 (10 nm) and 2 (20 nm) obtained in Examples 1 and 2 and the comparative inorganic thin film solar cell 3 (W / O) obtained in Comparative Example 3, and The results are shown in FIG. 7 .

도 7을 참조하면, Cu-Al 산화물 중간층을 포함하지 않는 비교예무기박막태양전지3(W/O)과 비교하여, Cu-Al 산화물 중간층을 포함하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1 및 2(10nm 및 20nm)에서 MoSe2 회절 피크가 눈에 보이지 않을 만큼 감소된 것을 확인할 수 있었다. 특히 10 nm가 적용되었을 경우 MoS2 회절 peak 또한 크게 감소되어서, 형성되는 정도가 상당히 줄었다고 판단할 수 있다. Cu-Al 산화물 중간층의 포함여부에 따라 표면 SEM image 또한 확연하게 차이가 발생했다. 10 nm의 구리알루미늄 산화물 중간층이 포함된 경우, 표면 결정의 성장이 더 확연하게 나타났고, 20 nm의 중간층이 포함된 경우는 소폭 감소된 결정 모양을 나타냈다.Referring to FIG. 7, flexible CZTSSe thin film solar cells 1 and 2 (10 nm and 20 nm), it was confirmed that the MoSe 2 diffraction peak was reduced to an invisible level. In particular, when 10 nm was applied, the MoS 2 diffraction peak was also greatly reduced, and it could be determined that the degree of formation was significantly reduced. The surface SEM image also clearly differed depending on whether or not the Cu-Al oxide interlayer was included. When the copper aluminum oxide interlayer of 10 nm was included, the growth of surface crystals appeared more clearly, and when the interlayer of 20 nm was included, the crystal shape was slightly reduced.

실험예 7Experimental Example 7

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm), 비교예2에서 얻어진 비교예무기박막태양전지2(None) 및 비교예3에서 얻어진 비교예무기박막태양전지3(NaF)을 대상으로 XRD분석 및 SEM 관찰을 수행하고 그 결과를 도 8에 나타냈다.XRD for flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (10 nm) obtained in Example 1, comparative inorganic thin film solar cell 2 (None) obtained in Comparative Example 2, and comparative inorganic thin film solar cell 3 (NaF) obtained in Comparative Example 3 Analysis and SEM observation were performed and the results are shown in FIG. 8 .

도 8을 참조하면, 비교예무기박막태양전지3(NaF)과 같이 NaF 도펀트만 첨가 되었을 경우 Mo(S,Se)2 peak가 발견되었지만 흡수층의 결정크기의 증가가 이루어졌으며, 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1과 같이 NaF 도펀트와 Cu-Al 산화물 중간층이 모두 포함된 경우, Mo(S,Se)2의 감소와 결정 크기의 증가를 동시에 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 중간층과 도펀트의 동시 적용을 통해 Mo(S,Se)2이상층을 제거함과 동시에 흡수층의 결정 품질 또한 증가되었음을 의미한다.Referring to FIG. 8, when only NaF dopant was added as in Comparative Inorganic Thin Film Solar Cell 3 (NaF), Mo(S,Se) 2 peaks were found, but the crystal size of the absorber layer was increased, and the flexible CZTSSe thin film solar cell As shown in Fig. 1, when both the NaF dopant and the Cu-Al oxide intermediate layer were included, a decrease in Mo(S,Se) 2 and an increase in crystal size were confirmed simultaneously. These results mean that the crystalline quality of the absorption layer was also increased at the same time as the Mo(S,Se) 2 or more layer was removed through the simultaneous application of the intermediate layer and the dopant.

실험예 8Experimental Example 8

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(10nm) 및 비교예3에서 얻어진 비교예무기박막태양전지3(NaF)을 대상으로 흡수층인 CZTSSe 박막의 원소분포를 투과전자현미경을 이용한 Line scanning으로 확인하고 그 결과를 도 9에 나타냈다.For the flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (10 nm) obtained in Example 1 and the comparative inorganic thin film solar cell 3 (NaF) obtained in Comparative Example 3, the elemental distribution of the CZTSSe thin film, which is the absorption layer, was confirmed by line scanning using a transmission electron microscope. And the results are shown in Figure 9.

도 9로부터, Cu-Al 산화물 중간층을 포함하지 않는 비교예무기박막태양전지3은 Mo(S,Se)2 이상층이 두껍게 형성되어있을 뿐만 아니라 CZTSSe 박막을 이루는 Cu, Zn, Sn, S, Se 원소들의 분포도 고르지 못한 것을 확인 할 수 있다.9, Comparative Example inorganic thin-film solar cell 3 that does not include a Cu-Al oxide intermediate layer not only has Mo(S,Se) 2 or more layers formed thickly, but also Cu, Zn, Sn, S, Se forming a CZTSSe thin film. It can be seen that the distribution of elements is also uneven.

반면에, Cu-Al 산화물 중간층을 포함하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1은 Mo(S,Se)2 이상층의 두께가 줄어들었으며 CZTSSe 박막을 이루는 Cu, Zn, Sn, S, Se 원소들의 분포가 고르게 되어있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 플렉서블 하부전극기판과 흡수층 사이에 Cu-Al 산화물 중간층이 존재하면 Mo(S,Se)2 이상층 뿐만 아니라, 흡수층 내에 형성되는 이차상(Secondary phase) 또한 감소시킨다고 판단되었다. On the other hand, in the flexible CZTSSe thin film solar cell 1 including the Cu-Al oxide intermediate layer, the thickness of the Mo(S,Se) 2 or more layer was reduced, and the distribution of Cu, Zn, Sn, S, and Se elements constituting the CZTSSe thin film was evenly distributed. can confirm that it is. Through this, it was determined that the existence of the Cu—Al oxide intermediate layer between the flexible lower electrode substrate and the absorption layer reduces not only the Mo(S,Se) 2 or more layer, but also the secondary phase formed in the absorption layer.

실험예 9Experimental Example 9

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(NaF/CAO), 비교예2에서 얻어진 비교예무기박막태양전지2(None) 및 비교예3에서 얻어진 비교예무기박막태양전지3(NaF)을 대상으로 전기적 특성을 분석하고 그 결과를 도 10에 나타냈다.Flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (NaF / CAO) obtained in Example 1, Comparative inorganic thin film solar cell 2 (None) obtained in Comparative Example 2, and Comparative inorganic thin film solar cell 3 (NaF) obtained in Comparative Example 3 The electrical properties were analyzed and the results are shown in FIG. 10.

도 10을 참조하면, NaF 도펀트 및 Cu-Al 산화물 중간층이 모두 포함되지 않는 비교예무기박막태양전지2(None)의 전류-전압 특성 인자들은 Voc 467 mV, Jsc 33.70 mA/cm2, FF 50.82%, η 8.00%, Rs 18.37 Ω, Rsh 711.34 Ω임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, the current-voltage characteristic factors of Comparative Inorganic Thin Film Solar Cell 2 (None) containing neither the NaF dopant nor the Cu-Al oxide intermediate layer are V oc 467 mV, J sc 33.70 mA/cm 2 , FF 50.82%, η 8.00%, R s 18.37 Ω, R sh 711.34 Ω.

NaF 도펀트만 포함된 비교예무기박막태양전지3(NaF)의 전류-전압 특성 인자들은 Voc 474 mV, Jsc 33.24 mA/cm2, FF 53.94%, η 8.50%, Rs 13.40 Ω, Rsh 949.68 Ω임을 확인할 수 있다.The current-voltage characteristic factors of the comparative inorganic thin-film solar cell 3 (NaF) containing only NaF dopant were V oc 474 mV, J sc 33.24 mA/cm 2 , FF 53.94%, η 8.50%, R s 13.40 Ω, R sh It can be confirmed that it is 949.68 Ω.

NaF 도펀트 및 Cu-Al 산화물 중간층이 모두 포함된 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(NaF/CAO)의 전류-전압 특성 인자들은 Voc 454 mV, Jsc 32.91 mA/cm2, FF 60.29%, η 9.01%, Rs 9.50 Ω, Rsh 884.65 Ω임을 확인할 수 있다. The current-voltage characteristics of flexible CZTSSe thin-film solar cell 1 (NaF/CAO) containing both NaF dopant and Cu-Al oxide interlayer were V oc 454 mV, J sc 32.91 mA/cm 2 , FF 60.29%, η 9.01% , R s 9.50 Ω, R sh 884.65 Ω.

그 결과, 비교예무기박막태양전지2(None)과 비교하여 도펀트만 포함한 비교예무기박막태양전지3(NaF)도 NaF 도펀트 및 Cu-Al 산화물 중간층이 모두 포함된 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1(NaF/CAO)까지 순차적으로 태양전지의 직렬저항이 크게 감소하고 충진율이 크게 향상됨을 확인하였다. As a result, compared to Comparative Example Inorganic Thin Film Solar Cell 2 (None), Comparative Example Inorganic Thin Film Solar Cell 3 (NaF) containing only dopants also had a flexible CZTSSe thin film solar cell 1 (NaF) containing both a NaF dopant and a Cu-Al oxide intermediate layer. /CAO), it was confirmed that the series resistance of the solar cell was sequentially greatly reduced and the filling factor was greatly improved.

실험예 10Experimental Example 10

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1 소자의 전기적 특성을 다음과 같이 실험하고 그 결과를 도 11에 나타내었다. 소자의 전기적 특성은 solar simulator를 이용하여 측정하였으며, 이는 태양광과 유사한 세기의 인위적인 빛을 태양전지에 조사하여 입사광(100 mW/cm2) 대비 전기 출력의 변환 비율을 측정하는 방식으로 진행되었다. 보다 구체적으로는, 태양전지 소자의 p형 반도체인 광 흡수층과 연결된 후면전극 부분을 +, n형 반도체인 투명전극과 연결된 전면전극 부분을 -에 각각 접촉시켜 측정을 진행한다. 또한, 소자의 온도에 대한 영향을 최대한 배제하기 위하여 온도는 상온(25℃)으로 유지시켰다. 상기 장치를 이용하여 측정할 경우 Voc, Jsc, FF 및 태양전지의 광전 변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 확인할 수 있다. The electrical characteristics of the flexible CZTSSe thin-film solar cell 1 device obtained in Example 1 were tested as follows, and the results are shown in FIG. 11 . The electrical characteristics of the device were measured using a solar simulator, which was conducted by irradiating a solar cell with artificial light with an intensity similar to that of sunlight and measuring the conversion ratio of electrical output to incident light (100 mW/cm 2 ). More specifically, the measurement is performed by contacting the back electrode portion connected to the light absorbing layer, which is a p-type semiconductor, to +, and the front electrode portion connected to the transparent electrode, which is an n-type semiconductor, to -. In addition, the temperature was maintained at room temperature (25 ° C.) in order to maximally exclude the influence of the temperature of the device. When measured using the device, V oc , J sc , FF and photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be confirmed.

도 11에 도시된 바와 같이, 실시예에서 얻어진 무기박막태양전지 소자의 특성인 Voc (Open Circuit Voltage), Jsc (Short Circuit Current Density), FF (Fill Factor) 값이 모두 증가하였음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 11, it can be confirmed that all of the V oc (Open Circuit Voltage), J sc (Short Circuit Current Density), and FF (Fill Factor) values, which are characteristics of the inorganic thin film solar cell device obtained in the example, increased there was.

도 11에서 1차열처리를 진행하여 태양전지를 제조하여 측정한 결과와, 1차열처리를 진행하지 않고 측정한 결과의 차이가 매우 크게 나타남을 확인할 수 있다. 1차열처리를 진행하지 않은 일반의 경우 공동 스퍼터링을 이용하여 증착한 금속 전구체를 S및 Se가 혼합된 분말을 첨가하여 500~600℃에서 바로 2차 열처리를 진행한 것이다. 먼저, 도 11의 Voc의 향상을 확인해 보면, 최대 20mV Voc 향상이 이루어졌다. Voc는 기 출판된 논문 및 문헌에 많이 언급된 바와 같이, 태양전지 광 흡수층에 매우 크게 영향을 받는 요소로, 광 흡수층 내에 이차상(Secondary phase) 및 공공(vacancy), 결함(defect), 결정의 작은 성장 등이 많이 존재할 경우 감소하는 결과가 나타나게 된다. Jsc 상승의 경우, 전하의 분리가 원활하게 되어 태양전지 양 극으로 재결합 없이 이동할수록 높아지게 된다. 재결합은 결정립의 크기와 반비례 하는 경향을 갖는다. FF는 재결합(recombination)에 의한 손실과 저항에 크게 영향을 받는 요소로, 직렬저항(series R)의 감소, 단락저항(Shunt R)의 증가가 크게 나타나 FF의 향상이 이루어졌다. 따라서 상기와 같은 Voc, Jsc, 단락저항의 증가 및 직렬저항의 감소는 사전열처리를 통한 광 흡수층의 막 품질 개선으로 인해 야기된 효과임을 확인하였다. 최종적으로, 사전열처리를 진행할 경우 Voc, Jsc, FF 상승으로 인한 광전변환효율이 상승함을 확인하였다.In FIG. 11 , it can be confirmed that the difference between the measurement result obtained by manufacturing the solar cell by performing the first heat treatment and the measurement result without performing the first heat treatment is very large. In the case of general cases where the first heat treatment is not performed, the second heat treatment is performed immediately at 500 to 600 ° C. by adding powder mixed with S and Se to the metal precursor deposited using joint sputtering. First, looking at the improvement of V oc in FIG. 11, a maximum of 20 mV V oc was improved. As mentioned in many previously published papers and literature, V oc is a factor that is very greatly affected by the light absorption layer of a solar cell, and secondary phase and vacancies, defects, crystals in the light absorption layer If there is a lot of small growth of , the result of decreasing will appear. In the case of rising Jsc, the separation of charges becomes smooth and increases as they move to the anode of the solar cell without recombination. Recombination tends to be inversely proportional to grain size. FF is an element that is greatly affected by loss and resistance due to recombination, and FF was improved by a decrease in series resistance (series R) and an increase in shunt resistance (Shunt R). Therefore, it was confirmed that the increase in V oc , J sc , short-circuit resistance, and decrease in series resistance were caused by the improvement in film quality of the light absorbing layer through pre-heat treatment. Finally, it was confirmed that the photoelectric conversion efficiency increased due to the increase of V oc , J sc , and FF when the pre-heat treatment was performed.

실험예 11Experimental Example 11

실시예1에서 얻어진 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지1 소자(공동 스퍼터링) 및 비교예1에서 얻어진 비교예무기박막태양전지1 소자(단일 스퍼터링)의 전기적 특성을 다음과 같이 실험하고 그 결과를 도 12a 내지 도 12d에 나타내었다. 상기의 실험예 10과 동일한 방법 및 조건으로 solar simulator를 이용하여 측정을 진행하였다.The electrical characteristics of the flexible CZTSSe thin film solar cell 1 device (joint sputtering) obtained in Example 1 and the comparative inorganic thin film solar cell 1 device (single sputtering) obtained in Comparative Example 1 were tested as follows, and the results are shown in FIGS. 12d. The measurement was performed using a solar simulator in the same manner and conditions as in Experimental Example 10 above.

도 12a 내지 도 12d에 도시된 바와 같이, 공동 스퍼터링으로 제작한 무기박막태양전지 소자에서 Voc (Open Circuit Voltage), Jsc (Short Circuit Current Density), FF (Fill Factor) 값이 모두 증가하였음을 알 수 있다. As shown in FIGS. 12A to 12D , V oc (Open Circuit Voltage), J sc (Short Circuit Current Density), and FF (Fill Factor) values all increased in the inorganic thin film solar cell device manufactured by joint sputtering Able to know.

Voc (Open Circuit Voltage)는 태양전지로부터 얻을 수 있는 최대 전압이고, 전류가 0일 때의 값이다. CZTSSe 박막태양전지에서 Voc 값은 SnS(e)2, ZnS(e), Cu2S(e), Cu2SnS(e)3와 같은 이차상 형성에 의해 달라진다. 이차상 형성이 적을수록 Voc 값이 증가한다. 실시예1과 같이 공동 스퍼터링 및 1차 열처리를 적용할 경우 이성분계 화합물을 잘 형성할 수 있었고 이로 인해 고품질의 CZTSSe 박막을 합성 할 수 있었다. 이는 CZTSSe 박막 합성 과정에서 이차상의 형성을 억제했다고 말할 수 있다. V oc (Open Circuit Voltage) is the maximum voltage that can be obtained from the solar cell, and is the value when the current is zero. In CZTSSe thin-film solar cells, the V oc value is changed by the formation of secondary phases such as SnS(e) 2 , ZnS(e), Cu 2 S(e), and Cu 2 SnS(e) 3 . The smaller the secondary phase formation, the higher the V oc value. When joint sputtering and primary heat treatment were applied as in Example 1, a two-component compound could be formed well, and a high-quality CZTSSe thin film could be synthesized. This can be said to suppress the formation of the secondary phase during the synthesis of the CZTSSe thin film.

Jsc (Short Circuit Current Density)는 태양전지에 걸려있는 전압이 0일 때, 태양전지에 흐르는 전류의 밀도이다. Jsc 값은 태양광 에너지에 의해 생성된 캐리어들의 재결합 유무에 따라 달라진다. 생성된 캐리어들의 재결합이 적을수록 Jsc 값이 증가한다. 공동 스퍼터링을 실시한 실시예1의 CZTSSe 박막에서는 상대적으로 큰 결정을 갖는 것을 확인하였다. 이는 결정립계가 감소했다고 말할 수 있다. 결정립계는 태양광에 의해 생성된 캐리어들이 재결합되는 곳으로, 재결합이 일어날 경우 전하의 원활한 이동이 불가능하다. 이는 태양전지 변환 효율을 감소시키는 원인이 된다. 따라서 실시예1과 같이 공동스퍼터링으로 증착 시 조밀하고, 큰 결정립을 형성하여 결정립계를 줄임으로서 캐리어들의 재결합을 감소시켜 태양전지 변환 효율을 향상할 수 있다.J sc (Short Circuit Current Density) is the density of the current flowing through the solar cell when the voltage across the solar cell is 0. The value of J sc varies depending on the presence or absence of recombination of carriers generated by solar energy. As the recombination of generated carriers decreases, the value of J sc increases. It was confirmed that the CZTSSe thin film of Example 1 subjected to cavity sputtering had relatively large crystals. This can be said to reduce the grain boundary. A grain boundary is a place where carriers generated by sunlight recombine, and when recombination occurs, smooth movement of charges is impossible. This causes a decrease in solar cell conversion efficiency. Therefore, as in Example 1, when depositing by co-sputtering, dense and large crystal grains are formed to reduce grain boundaries, thereby reducing recombination of carriers and improving solar cell conversion efficiency.

FF (Fill Factor)는 태양전지의 최대 출력을 결정하는 인자로 다음과 같이 표시된다.FF (Fill Factor) is a factor that determines the maximum output of a solar cell and is expressed as follows.

FF =

Figure 112021151317702-pat00001
F F =
Figure 112021151317702-pat00001

FF 값은 광 생성 캐리어들의 재결합과 저항에 의한 손실이 적을수록 증가한다. 따라서 사전 열처리 및 공동 스퍼터링 적용 시, 이차상의 형성을 억제, 큰 결정립의 CZTSSe 흡수층 박막을 형성, 흡수층 내부의 공공 형성을 억제하여 FF 값이 향상되었다. The FF value increases as the loss due to recombination and resistance of light-generated carriers decreases. Therefore, when pre-heating and co-sputtering were applied, the formation of secondary phases was suppressed, a large-grained CZTSSe absorber layer was formed, and the formation of vacancies in the absorber layer was suppressed, thereby improving the FF value.

이러한 실험결과는 p형 화합물 반도체층 제조시 본 발명과 같이 공동스퍼터링 및 1차 열처리를 실시하면 Voc (Open Circuit Voltage), Jsc (Short Circuit Current Density), FF (Fill Factor) 값이 증가하여 광전 변환효율이 향상됨을 보여준다. These experimental results show that when co-sputtering and primary heat treatment are performed as in the present invention when manufacturing a p-type compound semiconductor layer, the values of V oc (Open Circuit Voltage), J sc (Short Circuit Current Density), and FF (Fill Factor) increase, It shows that the photoelectric conversion efficiency is improved.

상술된 실험결과들로부터 본 발명과 같이 플렉서블 하부전극기판을 포함하는 CZTSSe 박막 태양전지에서 플렉서블 하부전극기판과 흡수층 사이에 Cu-Al 산화물 중간층이 형성되면 Mo(S,Se)2 이상층의 두께를 감소시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 흡수층인 CZTSSe 박막을 이루는 원소들의 분포를 더욱 고르게 만들고 최종적으로는 CZTSSe 박막 태양전지의 Rs 값을 상당히 낮추며, FF 값을 향상시켜 태양전지의 전기적 특성 향상을 이루고, 궁극적으로 플렉서블 CZTSSe 태양전지의 변환효율 향상에 효과가 있음을 알 수 있다.From the above experimental results, when the Cu-Al oxide intermediate layer is formed between the flexible lower electrode substrate and the absorption layer in the CZTSSe thin film solar cell including the flexible lower electrode substrate as in the present invention, the thickness of the Mo (S, Se) 2 or more layer reduction can be seen. In addition, the distribution of the elements constituting the CZTSSe thin film, which is the absorption layer, is made more even, and finally, the R s value of the CZTSSe thin film solar cell is significantly lowered, and the FF value is improved to achieve improved electrical characteristics of the solar cell, and ultimately, the flexible CZTSSe solar cell It can be seen that there is an effect of improving the conversion efficiency.

또한, 도펀트층을 통한 도펀트의 첨가가 플렉서블 CZTSSe 태양전지CZTSSe 박막 태양전지의 결정 품질을 향상시키고 충진율(FF)을 증가시켜 태양전지의 변환 효율 향상에 효과가 있음을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the addition of the dopant through the dopant layer improves the crystal quality of the flexible CZTSSe solar cell and CZTSSe thin-film solar cell and increases the fill factor (FF), thereby improving the conversion efficiency of the solar cell.

따라서, 본 발명은 p형 화합물 반도체층을 공동스퍼터링 및 1차 열처리를 포함하여 제조하는 것을 물론 도펀트와 Cu-Al 산화물 중간층을 플렉서블 CZTSSe 태양전지에 동시 적용함으로써 태양전지의 전기적 특성을 향상시켜 태양전지의 변환효율 향상에 크게 기여하였음을 알 수 있다.Therefore, the present invention improves the electrical characteristics of a solar cell by simultaneously applying a dopant and a Cu-Al oxide intermediate layer to a flexible CZTSSe solar cell, as well as manufacturing a p-type compound semiconductor layer by co-sputtering and primary heat treatment. It can be seen that it greatly contributed to the improvement of conversion efficiency.

더욱이, 상술한 바와 같이 본 발명의 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법에서 Cu-Al 산화물 중간층은 동시진공증발법을 통해 제조되어 제조 공정을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 저렴한 물질을 이용하여, 얇은 두께로도 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지의 소자 특성 향상에 기여하는 신규하고 진보된 계면 및 흡수층 품질 제어 방법이라 할 수 있을 것이다.Moreover, as described above, in the flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method of the present invention, the Cu-Al oxide intermediate layer is manufactured through a co-vacuum evaporation method, which not only simplifies the manufacturing process, but also uses relatively inexpensive materials, It can be said that it is a novel and advanced interface and absorption layer quality control method that contributes to the improvement of device characteristics of flexible CZTSSe thin film solar cells even with thickness.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments, and to those skilled in the art within the scope of not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

10: 플렉서블 하부전극기판 20: Cu-Al 산화물 중간층
30: p형 화합물 반도체층 40: n형 화합물 반도체층
50: 투명전극층 60: 상부전극층
10: flexible lower electrode substrate 20: Cu-Al oxide intermediate layer
30: p-type compound semiconductor layer 40: n-type compound semiconductor layer
50: transparent electrode layer 60: upper electrode layer

Claims (22)

플렉서블 하부전극 기판 상에 Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al 혼합층을 산화시켜 Cu-Al산화물(CuAlO2) 중간층을 형성하는 단계; 상기 Cu-Al산화물 중간층상에 도펀트층을 형성하는 단계; 상기 도펀트층 상에 CZTSSe 박막으로 이루어진 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 화합물 반도체층 상에 n형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 화합물 반도체층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 투명전극층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는데,
상기 p형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는
상기 도펀트층 상에 Zn 및 Cu 또는 Sn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Zn 또는 Cu-Sn이 혼합된 제1금속혼합층을 형성하는 단계;
상기 제1금속혼합층 상에 Sn 및 Cu 또는 Zn 및 Cu를 공동스퍼터링으로 증착하여 Cu-Sn 또는 Cu-Zn이 혼합된 제2금속혼합층을 형성하는 단계;
상기 제1금속혼합층은 Cu-Zn합금 또는 Cu-Sn합금으로 구성된 제1합금층을 형성하고, 상기 제2금속혼합층은 Cu-Sn합금 또는 Cu-Zn합금으로 구성된 제2합금층을 형성하도록 상기 제1 및 제2 금속혼합층을 1차 열처리하는 제1 및 제2합금층 형성단계; 및
상기 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 2차 열처리하는 단계를 포함하는 CZTSSe 박막 형성단계;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
Forming a Cu-Al mixed layer on a flexible lower electrode substrate; oxidizing the Cu-Al mixed layer to form a Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) intermediate layer; forming a dopant layer on the Cu-Al oxide intermediate layer; forming a p-type compound semiconductor layer made of a CZTSSe thin film on the dopant layer; forming an n-type compound semiconductor layer on the p-type compound semiconductor layer; forming a transparent electrode layer on the n-type compound semiconductor layer; and forming an upper electrode on the transparent electrode layer.
Forming the p-type compound semiconductor layer
depositing Zn and Cu or Sn and Cu on the dopant layer by co-sputtering to form a first metal mixed layer in which Cu-Zn or Cu-Sn is mixed;
depositing Sn and Cu or Zn and Cu on the first metal mixture layer by co-sputtering to form a second metal mixture layer in which Cu-Sn or Cu-Zn are mixed;
The first metal mixed layer forms a first alloy layer composed of a Cu-Zn alloy or a Cu-Sn alloy, and the second metal mixed layer forms a second alloy layer composed of a Cu-Sn alloy or a Cu-Zn alloy. forming first and second alloy layers by performing a primary heat treatment on the first and second metal mixed layers; and
A flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that it is formed by including;
제 1 항에 있어서,
상기 Cu-Al 혼합층을 형성하는 단계는 동시진공증발법을 이용하여 Cu 대 Al의 원자비율이 40 : 60 내지 60 : 40이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The forming of the Cu-Al mixed layer is performed using a co-vacuum evaporation method so that the atomic ratio of Cu to Al is 40: 60 to 60: 40.
제 2 항에 있어서,
상기 Cu-Al 혼합층은 5 nm 내지 25 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 2,
The Cu-Al mixed layer is a flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that formed to a thickness of 5 nm to 25 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 Cu-Al산화물중간층을 형성하는 단계는 산소 분위기로 300℃ 내지 500℃ 온도조건에서 1시간 내지 2시간 동안 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The step of forming the Cu-Al oxide intermediate layer is a flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that carried out by heat treatment for 1 hour to 2 hours at a temperature condition of 300 ℃ to 500 ℃ in an oxygen atmosphere.
제 4 항에 있어서,
상기 Cu-Al산화물 중간층을 형성하는 Cu-Al산화물(CuAlO2)의 원소 조성비가 Al2O3 : Cu2O = 1 : 1 at% 인 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 4,
A flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that the elemental composition ratio of Cu-Al oxide (CuAlO 2 ) forming the Cu-Al oxide intermediate layer is Al 2 O 3 : Cu 2 O = 1: 1 at%.
제 1 항에 있어서,
상기 도펀트층을 형성하는 단계는 진공증발법을 이용하여 5 nm 내지 20 nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The step of forming the dopant layer is a flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that formed to 5 nm to 20 nm using a vacuum evaporation method.
제 6 항에 있어서,
상기 도펀트층은 플루오린화 소듐(NaF), 플루오린화 포타슘(KF), 플루오린화 루비듐(RbF) 및 플루오린화 세슘(CsF)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 6,
The dopant layer is made of one selected from the group consisting of sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF) and cesium fluoride (CsF) Manufacturing a flexible CZTSSe thin film solar cell, characterized in that method.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제1금속혼합층 또는 제2금속혼합층을 형성하는 단계는
Zn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 20 내지 40 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 900-1100초 동안 동시에 증착시켜 수행되거나,
Sn은 60 내지 80 W의 직류전원, Cu는 35 내지 55 W의 직류전원을 가하고, 7-9 mTorr의 공정압력 조건에서 1400-1600초 동안 동시에 증착시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
Forming the first metal mixed layer or the second metal mixed layer
Zn is applied with a DC power of 60 to 80 W and Cu is applied with a DC power of 20 to 40 W, and simultaneously deposited for 900 to 1100 seconds under a process pressure condition of 7-9 mTorr, or
Flexible CZTSSe thin film solar cell characterized by applying DC power of 60 to 80 W for Sn and DC power of 35 to 55 W for Cu, and simultaneously depositing for 1400-1600 seconds under process pressure conditions of 7-9 mTorr manufacturing method.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2합금층 형성단계는 상기 제1 및 제2 금속혼합층을 Ar 또는 N2의 대기압 분위기 및 200-400℃의 온도 조건에서 80-100분 동안 1차 열처리하는 단계 및 150분 내지 210분 동안 자연냉각시키는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The first and second alloy layer forming steps include first heat-treating the first and second metal mixed layers in an Ar or N 2 atmospheric pressure atmosphere and a temperature condition of 200-400 ° C for 80-100 minutes and 150 minutes to Flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that carried out including the step of natural cooling for 210 minutes.
제 1 항에 있어서,
상기 CZTSSe 박막 형성단계는 상기 제1 및 제2 합금층을 S 및 Se 분말과 함께 Ar 분위기, 450 - 550 Torr의 압력 및 500-600℃의 온도 조건에서 5분 - 10분 동안 2차 열처리하는 단계; 및 상온까지 자연냉각시키는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
In the CZTSSe thin film forming step, the first and second alloy layers are subjected to secondary heat treatment for 5 minutes to 10 minutes in an Ar atmosphere, a pressure of 450 to 550 Torr, and a temperature of 500 to 600 ° C together with S and Se powder. ; and naturally cooling to room temperature.
제 11 항에 있어서,
상기 2차열처리는 상기 제1 및 제2 합금층과 S 및 Se 분말을 흑연상자에 넣어 수행되는데, 상기 S 및 Se 분말은 1:90 내지 1:120의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 11,
The secondary heat treatment is performed by putting the first and second alloy layers and S and Se powders in a graphite box, wherein the S and Se powders are included in a weight ratio of 1:90 to 1:120 Flexible CZTSSe Method for manufacturing thin-film solar cells.
제 1 항에 있어서,
상기 Cu-Zn합금은 Cu6Zn8을 포함하고, 상기 Cu-Sn합금은 Cu3Sn 및 Cu6Sn5을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The Cu-Zn alloy includes Cu 6 Zn 8 , and the Cu-Sn alloy includes Cu 3 Sn and Cu 6 Sn 5 .
제 1 항에 있어서,
상기 CZTSSe 박막은 SnS(e)2, ZnS(e), Cu2S(e), Cu2SnS(e)3를 포함하는 이차상이 억제되고 Cu2ZnSn(S,Se)4 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
According to claim 1,
The CZTSSe thin film is characterized in that the secondary phase including SnS(e) 2 , ZnS(e), Cu 2 S(e), Cu 2 SnS(e) 3 is suppressed and composed of Cu 2 ZnSn(S,Se) 4 Flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method.
제 1 항 내지 제 7 항, 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플렉서블 하부전극 기판은 금속 박판 또는 전도성 폴리머 박판인 것을 특징으로 하는 플렉서블 CZTSSe 박막 태양전지 제조방법.
The method according to any one of claims 1 to 7 and 9 to 14,
The flexible CZTSSe thin film solar cell manufacturing method, characterized in that the flexible lower electrode substrate is a metal thin plate or a conductive polymer thin plate.
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