JP2011109052A - 薄膜型光吸収層製造方法、これを用いた薄膜太陽電池製造方法、および薄膜太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池の薄膜型光吸収層製造方法を提供する。
【解決手段】光吸収層の製造方法は、CIGS結晶粉末をチャンバの蒸発源に充填させるステップ、CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップ、および蒸発したCIGS結晶粉末を基板に蒸着させてCIGS薄膜を形成するステップを含む。
【選択図】図1
【解決手段】光吸収層の製造方法は、CIGS結晶粉末をチャンバの蒸発源に充填させるステップ、CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップ、および蒸発したCIGS結晶粉末を基板に蒸着させてCIGS薄膜を形成するステップを含む。
【選択図】図1
Description
本実施形態は、薄膜太陽電池技術に関し、より詳しくは、CIGS結晶粉末によって形成される薄膜型光吸収層製造方法、これを用いた薄膜太陽電池製造方法、およびこれによって製造された薄膜太陽電池に関する。
太陽電池技術は、親環境的な新再生エネルギー技術として脚光を浴びており、商業的な電力生産と携帯用またはモバイル型の電子装置のエネルギー源として大きな注目を引いている。
太陽電池には光を吸収するための吸収層が形成され、このような光吸収層は薄膜型で製造される。
薄膜型光吸収層は、太陽電池の光電吸収変換効率を高めるために、銅(CU)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、およびセレン(またはセレニウム)(Se)の組成を有するシーアイジーエス(CIGS)薄膜が用いられていた。これは、CIGSが高い光吸収係数と広いバンドギャップを有することができるため光学的に安全性が高く、高い光電吸収変換効率を示すためである。
従来のCIGS薄膜を用いた光吸収層は、真空蒸着に基づいた蒸着法、例えば、蒸発蒸着法またはスパッタリング蒸着法などを用いてガラス基板に蒸着されることによって形成されていた。
しかしながら、従来技術による蒸発蒸着法を用いた光吸収層の形成は、各蒸発物質の気化温度が異なるために正確な蒸発温度や蒸発速度を制御することが困難であり、蒸発物質が蒸発源から飛び出る現象によってCIGS光吸収層の組成比の制御が困難である。
さらに、従来技術によるスパッタリング蒸着法を用いた光吸収層形成は、CIGSの各元素の組成制御が困難であり、セレニウムの陰イオンによるスパッタリングのために光吸収層に衝撃を与え、多くの欠陥を引き起こすようになる。
したがって、従来の光吸収層形成方法は、製造工程に長時間を必要とするようになり、工程が複雑で組成制御が困難である。
したがって、従来の光吸収層形成方法は、製造工程に長時間を必要とするようになり、工程が複雑で組成制御が困難である。
これにより、本発明が解決しようとする課題は、迅速かつ簡単に高品質のCIGS光吸収層を製造することができる薄膜型光吸収層製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、薄膜型光吸収層製造方法を用いた薄膜太陽電池製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、薄膜型光吸収層を含む薄膜太陽電池を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る薄膜型光吸収層製造方法は、CIGS結晶粉末をチャンバの蒸発源に充填させるステップ、CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップ、および蒸発したCIGS結晶粉末を基板に蒸着させてCIGS薄膜を形成するステップを含む。
前記薄膜型光吸収層製造方法は、前記CIGS薄膜を形成した後にセレニウム金属粉末を蒸発させ、前記CIGS薄膜にセレン化工程を実行するステップをさらに含む。
前記CIGS結晶粉末は、10nm〜2μmの直径を有し、1:(1−x):x:yの銅:インジウム:ガリウム:セレニウムの組成比を有する。ここで、xは0〜1範囲、yは1〜3範囲の陽(+)の実数を示す。
前記CIGS薄膜は、前記基板に100nm〜3μmの厚さで形成される。
前記CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップは、前記チャンバを真空状態で維持させ、前記基板を加熱するステップと、前記蒸発源を加熱して前記CIGS結晶粉末を蒸発させるステップとを含む。前記蒸発源は、1000〜1400℃で加熱される。
前記薄膜型光吸収層製造方法は、前記CIGS薄膜を形成する前に前記基板上に電極層を形成するステップをさらに含み、前記CIGS薄膜は、前記電極層上に形成される。
上述した他の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池製造方法は、基板の一面に背面電極層を形成するステップ、背面電極層上にCIGS結晶粉末を蒸発蒸着させて薄膜型光吸収層を形成するステップ、薄膜型光吸収層上にバッファ層を形成するステップ、およびバッファ層上にウィンドウ層を形成するステップを含む。
前記薄膜太陽電池製造方法は、前記ウィンドウ層上に反射防止層を形成するステップをさらに含む。
前記薄膜太陽電池製造方法は、前記ウィンドウ層上に前面電極層を形成するステップをさらに含む。
上述したさらに他の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池は、基板の一面に形成された背面電極層、背面電極層上にCIGS結晶粉末を蒸発蒸着させて形成された薄膜型光吸収層、薄膜型光吸収層上に形成されたバッファ層、およびバッファ層上に形成されたウィンドウ層を含む。
本発明に係る薄膜型光吸収層製造方法、これを用いた薄膜太陽電池製造方法、および薄膜太陽電池によれば、CIGS結晶粉末を用いた熱蒸発蒸着法で光吸収層を形成することにより、高品質のCIGS薄膜型光吸収層を形成することができる。
また、CIGS結晶粉末は、同時に蒸発させることにより、薄膜型光吸収層を製造する工程時間を短縮させることができ、工程作業の効率を高めることができ、低費用で高品質のCIGS薄膜型光吸収層およびCIGS薄膜太陽電池を製造することができる。
本発明の詳細な説明において引用される図面をより十分に理解するために、各図面の簡単な説明を提供する。
本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の薄膜型光吸収層を形成するためのフローチャートである。
薄膜型光吸収層を形成するための装置を概略的に示す構成図である。
本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図3のフローチャートによる図である。
図3のフローチャートによる図である。
図3のフローチャートによる図である。
図3のフローチャートによる図である。
図3のフローチャートによる図である。
図3のフローチャートによる図である。
薄膜型光吸収層を形成するCIGS結晶粉末のX線結晶構造分析グラフである。
CIGS結晶粉末の結晶粒子を示す図である。
薄膜型光吸収層のX線結晶構造分析グラフである。
薄膜型光吸収層の表面を示す図である。
薄膜型光吸収層の断面を示す図である。
本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施形態によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の実施形態を示す添付の図面および添付の図面に記載された内容を参照しなければならない。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明することによって本発明を詳しく説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明することによって本発明を詳しく説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。
図1は、本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の薄膜型光吸収層を形成するためのフローチャートであり、図2は、薄膜型光吸収層を形成するための装置を概略的に示す構成図である。
図1および図2を参照すれば、薄膜型光吸収層形成装置100は、チャンバ101、第1蒸発源105、第2蒸発源107、および基板固定部103を含むことができる。
チャンバ101は、内部を真空状態で維持させることができる。図に詳細に示してはいないが、チャンバ101は、真空状態を維持させるための真空ポンプ(図示せず)をさらに含むことができる。真空ポンプは、チャンバ101の内部を大略10-6トル(Torr)以下の真空状態で維持させることができる。
基板固定部103は、薄膜型光吸収層が形成される面が下部に位置するように基板10を固定させることができる。換言すれば、基板固定部103は、銅(Cu)−インジウム(In)−ガリウム(Ga)−セレニウム(Se)(以下、CIGS)結晶粉末110が充填される第1蒸発源105と基板10の一面、すなわち、薄膜型光吸収層が形成される一面が対向するように基板10を固定させることができる。
一方、図に詳細に示してはいないが、基板固定部103には、基板10を加熱させることができる加熱部(図示せず)をさらに含むことができる。
加熱部は、基板固定部103に固定された基板10が大略300〜650℃を維持するように加熱することができる。
第1蒸発源105は、基板固定部103と対向して位置することができ、CIGS結晶粉末110を充填して蒸発させることができる。
第1蒸発源105は、モリブデニウム(Mo)またはタングステン(W)などで形成することができ、大略1000〜1400℃で加熱されてCIGS結晶粉末110を蒸発させることができる。
第2蒸発源107は、基板10にセレン化工程を実行するためのセレニウム金属粉末120を充填して蒸発させることができる。第2蒸発源107は、大略100〜200℃で加熱されてセレニウム金属粉末120を蒸発させることができる。
まず、薄膜型光吸収層を形成するために、チャンバ101の基板固定部103に基板10を固定させることができる。
基板10は、ソーダ灰(soda ash)ガラス基板、ステンレス金属基板、またはポリイミドポリマー基板のうちの1つとすることができる。
本発明の他の実施形態によって、基板10の一面にモリブデニウムの電極層が蒸着され、電極層が第1蒸発源105と対向するように固定されることもできる。
基板固定部103に基板10が固定された後、第1蒸発源105にCIGS結晶粉末110を充填させることができる(S10)。
CIGS結晶粉末110は、黄銅鉱(chalcopyrite)結晶構造を有することができ、結晶粉末自体が純粋なCIGS構造でなされているため、薄膜型光吸収層の組成制御が容易であり、均質度が高いという特徴がある。
また、CIGS結晶粉末110は、1:(1−x):x:yの銅:インジウム:ガリウム:セレニウムの組成比を有することができる。ここで、xは0〜1の範囲を有する陽(+)の実数であり、yは1〜3の範囲を有する陽の実数であることができる。
本実施形態では、1つの例として、CIGS結晶粉末110が1:(0.8〜0.9):(0.1〜0.4):(1.8〜3)の銅:インジウム:ガリウム:セレニウムの組成比を有することができる。
このようなCIGS結晶粉末110は、図5および図6に示すように、数十ナノ(nm)から数マイクロ(μm)の結晶粒子直径を有することができ、例えば、本実施形態では、1つの例として、CIGS結晶粉末110が10nm〜2μmの結晶粒子直径を有することができる。
第1蒸発源105にCIGS結晶粉末110が充填されれば、チャンバ101は真空状態を維持させることができ、基板固定部103は基板10を所定の温度で加熱することができる。
基板10を加熱することは、後述する第1蒸発源105から蒸発するCIGS結晶粉末110が基板10の表面に均一に蒸着されるようにするためである。
続いて、第1蒸発源105を加熱してCIGS結晶粉末110が加熱されるようにし、これにより、CIGS結晶粉末110は、第1蒸発源105から蒸発(または、気化)することができる(S20)。
第1蒸発源105から蒸発したCIGS結晶粉末110は、基板10に蒸着することができる(S30)。実施形態により、基板10には電極層が先に形成されることができ、CIGS結晶粉末110は蒸発して電極層上に蒸着されることもできる。
蒸発したCIGS結晶粉末110が基板10にCIGS薄膜を形成した後、CIGS薄膜の特性向上のためにセレン化工程を実行することができる(S40)。
セレン化工程は、第2蒸発源107に充填されたセレニウム金属粉末120を蒸発させて実行することができる。
例えば、基板10にCIGS薄膜が形成された後に第2蒸発源107を加熱し、これにより、第2蒸発源107に充填されたセレニウム金属粉末120は蒸発することができる。このように蒸発されたセレニウム金属粉末120を用いてCIGS薄膜にセレン化工程を実行することができる。
例えば、基板10にCIGS薄膜が形成された後に第2蒸発源107を加熱し、これにより、第2蒸発源107に充填されたセレニウム金属粉末120は蒸発することができる。このように蒸発されたセレニウム金属粉末120を用いてCIGS薄膜にセレン化工程を実行することができる。
一方、セレン化工程は、CIGS薄膜が形成される間に実行することもできる。すなわち、第1蒸発源105を加熱してCIGS結晶粉末110を蒸発させながら第2蒸発源107も加熱してセレニウム金属粉末120を蒸発させることもできる。
セレン化工程を実行して完成したCIGS薄膜、すなわち、薄膜型光吸収層は、基板10に大略100nm〜3μmの厚さで形成することができる。このような薄膜型光吸収層は、図7および8に示すように、結晶粒子が緻密であり結晶粒が好適に形成されたCIGS薄膜構造を有することができる。
以上のように、CIGS結晶粉末110を蒸発させる方法を用いて薄膜太陽電池に薄膜型CIGS光吸収層を形成する過程について説明した。以下では、上述した薄膜型光吸収層の形成過程を含む薄膜太陽電池の製造方法について説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法を説明するためのフローチャートであり、図4a〜4fは、図3のフローチャートによる図である。
本実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法は、CIGS結晶粉末を用いた薄膜型光吸収層を形成するステップS200を含む。これは、上述で図1および図2を参照しながら詳しく説明したため、本実施形態における詳細な説明は省略する。
図3および図4aを参照すれば、基板10上に電極層、例えば、背面電極層20を形成することができる(S100)。
基板10は、上述したように、ソーダ灰ガラス基板、ステンレス金属基板、またはポリイミドポリマー基板のうちの1つとすることができる。基板10は、超イオン水(DI water)とアセトン、エタノールなどの溶液で洗浄されて乾燥することができる。
背面電極層20は、基板10の一面に形成されることができる。背面電極層20は、モリブデニウム(Mo)などのような金属物質を基板10の一面にスパッタリング蒸着法を用いて蒸着させることによって形成することができる。
例えば、背面電極層20は、大略1〜10mTorrのアルゴンガスチャンバでモリブデニウムに大略30〜100ワット(watt)のスパッタリング電力を印加するスパッタリング蒸着法で形成することができる。
背面電極層20は、基板10の一面に大略1μmの厚さで蒸着することができる。
図3および図4bを参照すれば、基板10の一面に背面電極層20が形成されれば、上述で図1および図2を参照して説明したように、背面電極層20上に薄膜型光吸収層30を形成することができる(S200)。
薄膜型光吸収層30は、CIGS結晶粉末を蒸発させる蒸発蒸着法を用いて背面電極層20上に形成することができる。
図3および図4cを参照すれば、基板10の一面に背面電極層20と薄膜型光吸収層30が形成されれば、薄膜型光吸収層30上にバッファ層40を形成することができる(S300)。
バッファ層40は、硫化カドミウム(CdS)薄膜を化学蒸着法を用いて薄膜型光吸収層30上に蒸着させることによって形成することができる。
例えば、背面電極層20と薄膜型光吸収層30が形成された基板10を硫酸カドミウム(CdSO4)、水酸化アンモニウム(NH4OH)、塩化アンモニウム(NH4Cl)、チオ尿素(CS(NH2)2)、および超イオン水が混合された混合溶液に沈積させることによって、薄膜型光吸収層30にバッファ層40を蒸着させることができる。
このとき、混合溶液を大略70℃で加熱してバッファ層40を蒸着させることができ、バッファ層40は、薄膜型光吸収層30上に大略50nmの厚さで蒸着することができる。
図3および図4dを参照すれば、背面電極層20、薄膜型光吸収層30、およびバッファ層40が形成されれば、バッファ層40上に第1ウィンドウ層51を形成することができる(S400)。
第1ウィンドウ層51は、酸化亜鉛(ZnO)などの金属をRFスパッタリング蒸着法を用いてバッファ層40上に蒸着させることによって形成することができる。
第1ウィンドウ層51は、バッファ層40上に大略50nmの厚さで蒸着することができる。
図3および図4eを参照すれば、背面電極層20、薄膜型光吸収層30、バッファ層40、および第1ウィンドウ層51が形成されれば、第1ウィンドウ層51上に第2ウィンドウ層55を形成することができる(S400)。
第2ウィンドウ層55は、酸化アルミニウム(Al2O3)がドーピングされた酸化亜鉛(ZnO)をRFスパッタリング蒸着法を用いて第1ウィンドウ層51上に蒸着させることによって形成することができる。
第2ウィンドウ層55は、第1ウィンドウ層51上に大略500nmの厚さで蒸着することができる。
すなわち、ウィンドウ層50は、第1ウィンドウ層51と第2ウィンドウ層55を含むことができ、ターゲットとして用いられる物質、例えば、真性酸化亜鉛または酸化アルミニウムがドーピングされた酸化亜鉛をRFスパッタリング蒸着法を用いて順に蒸着させることによって形成することができる。
一方、図に示してはいないが、ウィンドウ層50上に反射防止層(図示せず)を形成するステップS500をさらに含むことができる。反射防止層は、ウィンドウ層50上にフッ化マグネシウム(MgF2)を蒸着することによって形成することができる。
図3および図4fを参照すれば、背面電極層20、薄膜型光吸収層30、バッファ層40、およびウィンドウ層50が形成されれば、ウィンドウ層50(または、反射防止層)上に前面電極層60を形成することができる(S600)。
前面電極層60は、アルミニウム(Al)をスパッタリング蒸着法を用いてウィンドウ層50上に蒸着させることによって形成することができる。
これにより、基板10の一面に形成された背面電極層20、薄膜型光吸収層30、バッファ層40、ウィンドウ層50、および前面電極層60を含む薄膜太陽電池1を完成することができる。
一方、図には示されているが説明がなされていない図5は、薄膜型光吸収層を形成するCIGS結晶粉末のX線結晶構造分析グラフであり、図6は、CIGS結晶粉末の結晶粒子を示す図である。
また、図7は、薄膜型光吸収層のX線結晶構造分析グラフであり、図8は、薄膜型光吸収層の表面を示す図であり、図9は、薄膜型光吸収層の断面を示す図である。
本発明の内容は、図面に示す一実施形態を参照しながら説明されたが、これらは例示的なものに過ぎず、本技術分野において通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形および均等な他の実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付の特許請求の範囲の技術的思想によって定められなければならない。
10・・・基板
20・・・背面電極層
30・・・薄膜型光吸収層
40・・・バッファ層
50・・・ウィンドウ層
51・・・第1ウィンドウ層
55・・・第2ウィンドウ層
60・・・前面電極層
100・・・薄膜型光吸収層形成装置
101・・・チャンバ
103・・・基板固定部
105・・・第1蒸発源
107・・・第2蒸発源
110・・・CIGS結晶粉末
120・・・セレニウム金属粉末
20・・・背面電極層
30・・・薄膜型光吸収層
40・・・バッファ層
50・・・ウィンドウ層
51・・・第1ウィンドウ層
55・・・第2ウィンドウ層
60・・・前面電極層
100・・・薄膜型光吸収層形成装置
101・・・チャンバ
103・・・基板固定部
105・・・第1蒸発源
107・・・第2蒸発源
110・・・CIGS結晶粉末
120・・・セレニウム金属粉末
Claims (19)
- CIGS結晶粉末をチャンバの蒸発源に充填させるステップ;
前記CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップ;および
蒸発したCIGS結晶粉末を基板に蒸着させてCIGS薄膜を形成するステップを含む薄膜型光吸収層製造方法。 - 前記CIGS薄膜を形成した後、セレニウム金属粉末を蒸発させて前記CIGS薄膜にセレン化工程を実行するステップをさらに含む請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
- 前記CIGS結晶粉末は、10nm〜2μmの直径を有する請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
- 前記CIGS結晶粉末は、1:(1−x):x:yの銅:インジウム:ガリウム:セレニウムの組成比を有する請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
ここで、xは0〜1範囲、yは1〜3範囲の陽(+)の実数を示す。 - 前記CIGS薄膜は、前記基板に100nm〜3μmの厚さで形成される請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
- 前記CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップは、
前記チャンバを真空状態で維持させ、前記基板を加熱するステップ;および
前記蒸発源を加熱して前記CIGS結晶粉末を蒸発させるステップを含む請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。 - 前記蒸発源は、1000〜1400℃で加熱される請求項6に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
- 前記CIGS薄膜を形成する前に前記基板上に電極層を形成するステップをさらに含み、前記CIGS薄膜は前記電極層上に形成される請求項1に記載の薄膜型光吸収層製造方法。
- 基板の一面に背面電極層を形成するステップ;
前記背面電極層上にCIGS結晶粉末を蒸発蒸着させて薄膜型光吸収層を形成するステップ;
前記薄膜型光吸収層上にバッファ層を形成するステップ;および
前記バッファ層上にウィンドウ層を形成するステップを含む薄膜太陽電池製造方法。 - 前記薄膜型光吸収層を形成するステップは、
前記CIGS結晶粉末をチャンバの蒸発源に充填させるステップ;
前記CIGS結晶粉末を同時に蒸発させるステップ;および
蒸発した前記CIGS結晶粉末を前記背面電極層上に蒸着させて前記薄膜型光吸収層を形成するステップを含む請求項9に記載の薄膜太陽電池製造方法。 - 前記薄膜型光吸収層を形成した後、セレニウム金属粉末を蒸発させて前記薄膜型光吸収層にセレン化工程を実行するステップをさらに含む請求項10に記載の薄膜太陽電池製造方法。
- 前記CIGS結晶粉末は、10nm〜2μmの直径を有する請求項10に記載の薄膜太陽電池製造方法。
- 前記CIGS結晶粉末は、1:(1−x):x:yの銅:インジウム:ガリウム:セレニウムの組成比を有する請求項10に記載の薄膜太陽電池製造方法。
ここで、xは0〜1範囲、yは1〜3範囲の陽(+)の実数を示す。 - 前記薄膜型光吸収層は、前記背面電極層上に100nm〜3μmの厚さで形成される請求項10に記載の薄膜太陽電池製造方法。
- 前記ウィンドウ層上に反射防止層を形成するステップをさらに含む請求項9に記載の薄膜太陽電池製造方法。
- 前記ウィンドウ層上に前面電極層を形成するステップをさらに含む請求項9に記載の薄膜太陽電池製造方法。
- 基板の一面に形成された背面電極層;
前記背面電極層上にCIGS結晶粉末を蒸発蒸着させて形成された薄膜型光吸収層;
前記薄膜型光吸収層上に形成されたバッファ層;および
前記バッファ層上に形成されたウィンドウ層を含む薄膜太陽電池。 - 前記ウィンドウ層上に形成された前面電極層をさらに含む請求項17に記載の薄膜太陽電池。
- 前記基板は、ソーダ灰ガラス基板、ステンレス金属基板、またはポリイミドポリマー基板のうちの1つである請求項17に記載の薄膜太陽電池。
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