CdTe 박막 태양전지는 일반적으로 다결정 박막의 구조 및 표면 형태 (Surface morphology)에 기인한 불균일성에 영향을 받는 것으로 알려져 있 다[62]. 따라서 고효율 태양광 소자의 제작을 위해서는 CdTe 박막의 증착방법 및 공정조건이 매우 중요하다. 결정성과 전하의 이동도가 우수한 CdTe는 1.5~6㎛정도의 두께로 증착하며, 스퍼터링법(Sputtering), 진공증발법 (Vacuum evaporation), 스크린 프린팅법(Screen printing), 기상수송증착법 (Vapor transport deposition, VTD), 물리기상증착법(Physical vapor deposition), 금속 유기 화학기상증착법(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation:CSS, close-spaced vapor transport:CSVT), 전착법(Electrodeposition) 등이 이용 되고 있다.
현재 CdTe 박막 태양전지의 최고효율을 나타내었던 미국의 NREL에서는 근접승화법으로 증착한 박막 태양전지를 제작하여 16.5%의 효율을 달성하였 다[77]. 근접승화법이 장치가 간단하고 유지보수가 수월하며, 증착하고자 하는 시료와 기판과의 간격이 매우 좁아 빠른 증착속도를 가지고 있어 대면적 태 양전지를 제조하는데 적합한 방법으로 알려져 있다.
그러나 근접승화법은 붕소산염 유리를 사용해야 고효율의 박막을 증착할 수 있다는 문제점이 보고되었기 때문에 저비용 대량생산 및 대면적 적용이 가능한 증착 방법으로는 스퍼터링 방법이 주목을 받고 있다.
그림 11과 그림 12에서 볼 수 있듯 스퍼터링법은 불활성 가스(Inert gas) 를 진공분위기의 챔버(Chamber) 내로 주입하여 플라즈마(Plasma)를 생성시 킨 후 성막하고자 하는 타겟(Target) 물질과 충돌시켜 이를 기판(Substrate) 에 증착시키는 방법이다. 불활성가스로는 주로 아르곤(Ar)을 사용한다.
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스퍼터링 장치의 시스템은 성막하고자 하는 타겟을 (-)극으로 하고 기판을 (+)극으로 사용하며, 주입된 Ar 가스는 (-)극 쪽에서 방출된 전자와 충돌하고 여기(Excitation)되어 Ar+가 되고, 여기된 가스는 (-)극의 타겟과 질량과 속도 를 가지고 충돌한다. 이때, 여기된 가스는 hʋ 만큼의 에너지를 가지고 있으 며, 충돌시 에너지는 타겟 쪽으로 전이되며, 이때 타겟을 이루고 있는 원소의 결합력과 격자의 일함수(Work function)를 극복할 수 있을 때 타겟으로부터 원자와 분자가 떨어져 나오게 된다. 떨어져 나온 타겟의 원자와 분자는 평균 자유행정거리(Mean free path)만큼 부상하고 타겟과 기판과의 거리가 자유행 정거리 이하일 때 성막된다.
따라서 스퍼터링을 실시할 시에 기판과 타겟과의 거리는 중요한 인자가 된 다. 인가된 전원이 직류(DC)일 경우 직류 스퍼터링법(DC sputtering method)이라 하며, 일반적으로 전도체의 스퍼터링에 사용되며, 절연체와 같 은 부도체는 교류 전원을 사용하여 박막을 제조한다.
이때 교류전원은 13.56 MHz의 주파수를 가지며 이를 RF라 한다. 이러한 교 류 전원을 인가전원으로 사용하는 스퍼터링법을 RF 스퍼터링(RF sputtering) 법이라 한다.
Fig. 10 Principle of RF sputtering
RF 스퍼터링 법은 다른 디지털 회로에 노이즈의 발생 원인이 될 수 있으므 로 시스템적으로 노이즈 필터나 절연체에 의한 차폐와 접지가 중요하다.
마그네트론 스퍼터링(Magnetron sputtering)이란 생성되는 플라즈마를 영 구자석에서 발생하는 자속에 의해 구속 시키는 방법이다. 마그네트론 스퍼터 링을 적용할 경우 플라즈마는 균일하게 되어 대면적의 기판에 균일한 박막두 께로 증착이 가능하며, 높은 증착속도를 가지며, 박막 두께 조절이 비교적 용 이하고 근접승화법에 비하여 보다 정확한 합금 성분 조절이 가능한 장점이 있다. 따라서 대면적의 균일한 CdTe 박막증착을 위해서는 스퍼터링 공정기 술의 적용이 적절할 것으로 판단된다.
CdTe 박막 태양전지를 제작하기 위하여 코닝 유리(Corning glass) 기판 (Substrate)을 2×2cm2로 제작하여 증류수(Distilled water)에 초음파 세정작 업을 실시하였고, 대기에서 건조하였다.
Table 3 Process parameters of RF sputtering Substrate 2×2 cm2 Corning glass Ar gas flow rate 20 sccm
Pre-sputtering 3 minutes (180 sec) Sputtering time 6 minutes (360 sec)
RF power 35 watt
Vacuum level 7.5×10-3 torr Substrate temperature Room temperature
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박막을 증착하기 위한 스퍼터링 장비로는 그림 13의 Vacuum Science Co.의 장비를 사용하였고, RF 마크네트론 스퍼터링법(RF magnetron sputtering)을 이용하여 CdTe 박막을 증착하였다. CdTe 타겟은 상업용으로 판매되는 LTS Chemical Inc.사(USA)의 타겟(Purity:99.9999%
Diameter:2-inch)을 사용하였으며, 타겟의 불순물 등을 제거하기 위하여 초 기 스퍼터링(Pre-sputtering)을 3분간 실시하였다. 차후 공정조건에 따라 RF 스퍼터링을 실시하여 CdTe 박막을 600nm로 증착하였다. 이때 공정변수 (Process parameters)로는 20sccm의 Ar 기압, 1.0×10-5Torr의 초기 진공, 타겟과 기판간 거리 5cm, 35watt의 RF 스퍼터링 파워, 7.5×10-3Torr의 진공 으로 상온에서 6분간 증착하였다. 이상의 실험조건을 표 3에 나타내었다.
Fig. 11 Sputtering equipment