Environmental harmless kesterite-related materials such as Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) have attracted significant research interest due to their similar properties to Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Earth-abundant and non-toxic zinc and tin metals are the constituents in these materials. Controlled substitution of S with Se allows band gap tuning from approximately 1.5 to 1.0 eV, practically covering the optimal range for photovoltaic absorber similarly to indium-based chalcopyrites. Nowadays, the efficiency of the kesterite-based solar cell devices has reached over 10%, but their efficiencies have not yet reached the efficiency of CIGS (~20%).
One key challenge of deposition processes is preparing single phase films, which is caused by the complex and incompletely understood nature of the multinary Cu-Zn-Sn-Se-S phase diagram. A second challenge of the CZTSe preparation is the process optimization involving the volatility upon heating of Sn materials, which makes composition control a challenge during film fabrication. Despite these challenges, successful film deposition and device fabrication has been demonstrates for the CZTS, CZTSe and CZTSSe absorbers and for vacuum and non-vacuum deposition approaches. The advantages of vacuum deposition methods are the high uniformity, delivery of precisely timed elemental fluxes. However, volatile elements and consequent reevaportaion from deposited films under vacuum conditions cause significant challenge. Non-vacuum deposition methods are particularly attractive for large-scale manufacturing due to their compatibility with high-throughput deposition techniques. However, incorporation of carbon, oxygen, and other impurities from the precursors or starting solution and the need for multistep processing are limitations.
In this thesis, CZTSe thin films were fabricated by vacuum based sputtering and annealing. At first, precursors (Cu, Sn and ZnO) were deposited using sputtering at room temperature. After precursors’ deposition, there were two ways of annealing process; i) annealing under Ar atmosphere, ii) annealing under H2(5%)/Ar atmosphere in only quartz tube, iii) annealing under H2(5%)/Ar atmosphere in graphite box (for higher Se partial pressure). The annealing was at 500 oC for 30 min. CZTSe thin film which was annealed under Ar atmosphere had CZTSe with other binary and ternary phases (e.g. Cu2Se, ZnSe, Cu2SnSe3, etc.) from SEM, EDS, XRD, Raman, and AES analysis. Also, oxygen was remaining and bonded with other metal precursors. Therefore, annealing under H2(5%)/Ar atmosphere was used. Oxygen was eliminated as H2O with H2, and CZTSe thin film was fabricated. CZTSe thin film annealed in graphite box showed far larger and smoother grains compared to that annealed in only quartz tube.
Using this thin film, CZTSe solar cell was fabricated, which had a cell structure of SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Al grid. The best cell fabricated with the CZTSe film annealed H2(5%)/Ar atmosphere in only quartz tube shows a conversion efficiency of 0.75% with an open circuit voltage (Voc) of 0.224 V, a short circuit current density (Jsc) of 11.9 mA/cm2 and a fill factor (FF) of 27.96%. However, the best cell fabricated with the CZTSe film shows a conversion efficiency of 1.44% with an open circuit voltage (Voc) of 0.188 V, a short circuit current density (Jsc) of 19.2 mA/cm2 and a fill factor (FF) of 39.94%. Non-optimized the composition of CZTSe thin film, high Sn ratio near Mo/SLG, rough CZTSe surface and other binary phases decrease the performance of the device. Also, CdS buffer layer and ZnO bilayer have to be solved for the high efficient thin film solar cells.
최근, Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)와 비슷한 특징을 갖는 환경에 무해한 kesterite 구조를 갖는 Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), Cu2ZnSnS4 (CZTS) 그리고 Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)가 연구주제로 각광받고 있다. 이 것은 원재료가 풍부하면서 독성이 덜한 아연과 주석이 이 물질의 구성성분이다. 또한, 황 대신 셀레늄을 조절하여 치환하면 밴드갭을 1.5 eV에서 1.0 eV로 조절할 수 있는데, 이는 인듐을 기초로 하는 황동광의 광흡수층의 범위와 비슷하다. 최근, kesterite 구조의 태양전지의 효율은 10%를 넘겼지만, 20%가 넘는 효율을 보이는 CIGS 태양전지에는 미치지 못하였다.
먼저 이것의 중요한 도전과제는 구리-아연-주석-셀레늄-황의 복잡한 구조와 이것의 상평형도표의 이해부족으로 단일상을 갖는 막을 형성하는 것이 힘들다는 것이다. 두 번째 과제는 Sn이 증발하기 쉬워, CZTSe의 조성조절 최적화가 힘들다는 것이다. 이런 과제들에도, 진공법과 비진공법으로 CZTS, CZTSe 그리고 CZTSSe 막의 성공적인 증착 및 소자 제작이 이루어 졌다. 진공법의 장점은 막의 균일성과 정확한 원료물질의 양 조절이다. 하지만 진공분위기에서는 휘발성이 높은 물질이나 연속적인 재증발이 중요한 문제이다. 비진공법은 빠르면서도 대면적으로 제작하기에 용이한 장점이 있다. 하지만 전구체로부터 탄소나 산소, 또는 다른 불순물들의 오염이 있거나, 공정과정이 복잡한 것이 단점이다.
이 논문에서는, 진공법인 스퍼터링법과 열처리를 통해서 CZTSe 박막을 제작하였다. 먼저 전구체 (구리, 주석, 그리고 산화아연)을 스퍼터링법을 통해서 상온에서 증착시킨다. 전구체 막의 증착 후, 아르곤 분위기에서의 열처리, 석영관을 이용한 수소(5%)/아르곤 분위기에서의 열처리, 또는 흑연상자를 이용한 수소(5%)/아르곤 분위기에서의 열처리(높은 셀레늄 분압을 위해서)를 거친다. 열처리는 500 oC에서 30분 간 진행하였다. 아르곤 분위기에서 열처리한 CZTSe 박막은 다른 이차, 삼차상들이 있음을 SEM, EDS, XRD, Raman 그리고 AES 분석을 통해 확인하였다. 또한, 산소가 다른 금속 전구체들과 반응하여 남아있음을 알 수 있었다. 그러므로 수소(5%)/아르곤 분위기에서 열처리를 하엿다. 산소는 수소와 반응하여 산화수소로 제거되었고, CZTSe 박막이 제작되었다. 흑연상자에서 열처리한 CZTSe 박막은 석영관을 이용해서 열처리한 CZTSe 박막에 비해 크면서도 매끈한 표면의 결정을 가짐을 알 수 있었다.
이 박막을 이용하여 소다석회유리/몰리브덴/CZTSe/황화카드뮴/산화아연이중층/알루미늄전극의 구조를 갖는 태양전지를 제작하였다. 석영관을 이용해 수소(5%)/아르곤 분위기에서 열처리한 태양전지는 최고 0.75%의 효율과 함께 0.224 V의 개방전압, 11.9 mA/cm2의 단락전류, 그리고 27.96%의 충전율을 나타내었다. 하지만 흔연상자에서 열처리한 태양전지는 최고 1.44%의 효율과 함께, 0.188 V의 개방전압, 19.2 mA/cm2의 단락전류, 그리고 39.94%의 충전율을 나타내었다. 조성의 최적화가 되지 않은 CZTSe 박막과 몰리브덴층 주변의 높은 주석 분율, 거친 CZTSe 표면과 각종 이차상들이 효율저하의 원인이라고 생각된다. 또한 황화카드뮴층과 산화아연층의 최적화도, 더 높은 효율을 위해 이루어 져야 한다.
