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초저가 다이오드 레이저 (408 nm)를 이용한 Cu₂ZnSnS₄ 박막 결정화 연구
김홍탁(Hong Tak Kim),이형락(Hyeong-Rag Lee),박종구(Jong-Goo Bhak),이성엽(Sung-Youp Lee) 한국물리학회 2022 새물리 Vol.72 No.5
본 연구는 용액 공정과 레이저 소성 공정을 이용하여 Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) 박막을 제작하고 레이저 소성 시간에 따른 박박의 형태 및 결정성을 포함하는 구조적 변화와 광학적 특성 변화를 조사하였다. 분산액은 염화계 금속 (CuCl₂, ZnCl₂, SnCl₂)과 티오요소 (thiourea)를 전구체로 사용하였고, 용매는 2-메톡시에탄올 (2-mthoxyethanol), 안정제로는 에탄올아민 (ethanolamine)을 사용하였다. CZTS 박막은 분무 증착법으로 유리기판 위에 형성한 뒤, 진공 조건에서 다이오드 레이저 (408 nm, 500 mW)를 이용하여 스캔 방식 (spot 당 처리시간: 50, 100, 500 ms)으로 소성하였다. 최종 제작된 박막은 케스테라이트 구조의 높은 결정성을 가진 CZTS 상을 나타내며, 밴드갭은 0.99 – 1.11 eV이었다. 그러나, 처리시간이 500 ms인 박막에서는 이차 결정상이 발견되며, 이는 레이저 처리 시간의 최적화가 필요함을 의미한다. 결론적으로, 레이저 소성 공정을 적용한 용액 공정은 진공 공정을 사용하지 않고도 높은 품질의 박막을 제작할 수 있는 기술임을 확인하였고, 제작된 CZTS 박막의 경우 고효율 태양전지 제작에 적용될 수 있을 것으로 판단된다. In this study, Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) thin films were fabricated using a solution process and a laser annealing process. The physical properties, including morphology and crystallinity, and optical properties of the films were investigated according to laser treatment time. The precursors (CuCl₂, ZnCl₂, SnCl₂, and thiourea), solvent (2-methoxyethanol), and stabilizer (ethanolamine) were used to prepare the CZTS solution. The CZTS films were fabricated on glass substrates using the spray deposition method and annealed using a diode laser (408 nm, 500 mW) under vacuum conditions. The laser-annealed CZTS films had a kesterite structure with good crystallinity, and the optical bandgaps of the CZTS thin films were 0.99 – 1.11 eV. However, secondary crystalline phases were found in the thin film with a processing time of 500 ms. These results meant that optimization of the laser processing time was necessary. In conclusion, the laser annealing process had the potential to fabricate high-quality thin films without using a vacuum process, and laser-annealed CZTS thin films could be applied to high-efficiency solar cells.
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