KR100922890B1 - Ｃｉｇｓ 광흡수층 제조방법 및 ｃｉｇｓ 광흡수층을포함하는 태양전지. - Google Patents
Ｃｉｇｓ 광흡수층 제조방법 및 ｃｉｇｓ 광흡수층을포함하는 태양전지.Info
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Abstract
본 발명은 CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지에 관한 것으로 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 기판의 상부에 증착하여 전구체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 2개의 금속 합금 타겟과 1개의 셀레나이드 화합물 타켓을 동시에 스퍼터링하거나 순차적으로 적층하여 복합 전구체를 형성한 후, 이를 유독성 기체인 셀렌화수소(H2Se)를 사용하지 않고 셀레늄 분위기에서 열처리하여 CIGS 박막을 제조한다.
Description
본 발명은 화합물 태양전지를 제조하는 데 있어서, 유독성 기체를 사용하지 않고, 부피 팽창 문제를 최소화한 CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 진공스퍼터링법을 기반으로 한 CIGS 박막의 제조 공정은 크게 두 가지의 단계를 거친다.
첫 번째 단계로 몰리브덴 전극이 입혀진 소다회 유리 위에 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)의 원소를 적정 비율로 진공스퍼터링하는 전구체 형성과정을 거친다.
두 번째 단계로 이와 같이 증착된 전구체를 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se) 기체를 흘려주면서 기판에 온도를 가하게 되는 셀렌화 공정을 거쳐, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 원소의 적정 조성 비율을 갖는 CIGS 화합물을 만든다.
하지만, 진공스퍼터링법을 이용한 기존의 CIGS 제조 방법은 전구체 형성과정에서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)만을 사용하기 때문에 후속 셀렌화 과정을 거치면서 부피 팽창으로 인한 CIGS 막질의 하락을 가져오는 문제점이 있다.
이는 셀레늄(Se) 원소의 크기가 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 원소의 크기에 비하여 2배 이상 크기 때문에 발생하는 현상으로 셀렌화 과정을 거치면서 금속 전구체 내에 셀레늄(Se) 원소가 침투하게 되면 원소 크기의 차이 때문에 박막 내에서 급속한 부피 팽창이 일어나게 되어 균일하지 못한 박막 형성 및 기판과의 접착 문제에도 악영향을 끼치는 문제점이 발생한다.
또한, 전구체 제조 과정뿐만 아니라 기존의 셀렌화 공정에서도, 공정을 위하여 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se)를 사용함에 따라 안정성의 문제에 의해 안전설비를 갖추기 위해 엄청난 양의 시설비가 전제되어야 하기 때문에 CIGS 광흡수층의 단가가 상승하는 단점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 불편함을 해결하기 위하여 전구체 형성시 셀레늄(Se)이 포함된 셀레나이드 화합물을 금속 합금과 함께 사용함으로써 제조 과정에서 발생하는 부피 팽창 문제를 해결하고, 기존 셀렌화 공정에서 사용하는 유독기체 대신 셀레늄(Se) 원소를 진공증발시킴으로써 유독기체에 의한 문제점을 해결하는 CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지에 있어서, 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa)의 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 진공스퍼터링 방법을 통해 전구체를 형성하거나, 적층구조를 형성하여 전구체를 형성한 후, 셀레늄 분위기에서 열처리한다.
본 발명은 화합물 박막 태양전지의 광흡수층의 제조방법에 관한 것으로 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 기판의 상부에 증착하여 전구체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 구리인듐(CuIn) 금속 합금의 구리(Cu)와 인듐(In)의 혼합비 및 상기 구리갈륨(CuGa) 금속 합금의 구리(Cu)와 갈륨(Ga)의 혼합비는 99:1 ~1:99인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 셀레나이드 화합물은 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링하여 전구체를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 스퍼터링은 1~10 mtorr의 아르곤 분압에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물의 제 1혼합층과 구리인듐(CuIn) 및 셀레나이드 화합물의 제 2혼합층을 적층하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 제 1,2 혼합층의 상하부에 셀레나이드 화합물을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 기판과 전구체 사이에 몰리브덴(Mo)을 성장하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 열처리하는 단계에서는 셀레늄(Se) 원소를 진공증발하고, 400℃ 이상 600℃ 이하의 온도에서 상기 기판을 열처리하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 태양전지는 기판의 상부에 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물로 형성된 전구체를 열처리하여 형성한 CIGS 광흡수층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 혼합 금속 및 셀레나이드 화합물을 함께 사용하여 전구체를 형성함으로써, 셀렌화 공정에서 기판과의 접착 문제를 유발하지 않고 좋은 품질의 CIGS 광흡수층을 형성하는 효과가 있다.
또한, 셀렌화 공정에서 유독 기체 대신 셀레늄(Se) 원소를 진공 증발함으로써 안정 설비에 관한 별도의 공정 및 장치가 불필요함으로 저렴한 CIGS 광흡수층을 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CIGS 광흡수층 제조 방법을 나타낸 플로우 차트.
도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링한 전구체의 단면도 및 미세구조를 나타낸 사진.
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 다른 셀렌화 공정의 시간에 따른 온도 변화 그래프.
도 4a 내지 도 4b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링한 전구체를 셀렌화하여 생성한 CIGS 광흡수층의 미세구조를 나타낸 사진.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4a의 CIGS 광흡수층의 엑스선 결정구조를 나타낸 그래프.
도 6a 내지 도 6c 는 본 발명의 일 실시 에에 따른 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 순차적으로 스퍼터링하여 적층구조를 갖는 전구체를 나타낸 단면도 및 셀렌화 공정 후의 미세구조를 나타낸 사진.
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 6a의 CIGS 광흡수층의 엑스선 결정구조를 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200 : 기판 210 : 전구체
600 : 몰리브덴 610 : 셀레나이드 화합물
620 : 제 1 혼합층
630 : 제 2 혼합층
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CIGS 광흡수층 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 1 을 참조하면, 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 구성(S100)하여 동시에 스퍼터링법을 사용(S110)하여 전구체를 형성(S130)하거나, 금속 합금과 셀레나이드 화합물을 순차적으로 적층(S120)하여 전구체를 형성(S130)한다.
상기 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 구성(S100)하는 단계에서는 금속 합금은 구리인듐(CuIn) 금속 합금 및 구리갈륨(CuGa) 금속 합금을 포함하며, 셀레나이드 화합물은 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 포함한다.
상기 스퍼터링법을 사용(S110)하는 단계는 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa)의 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링하여 전구체를 형성(S130)하는 것을 포함한다.
상기 스퍼터링 법을 사용함에 따라 전구체 내에 이미 부피가 큰 셀레늄(Se) 원소가 들어가 있기 때문에 후속 셀렌화 공정을 거치더라도 부피가 팽창되지 않기 때문에 기존의 CIGS 박막 제조시 나타나는 부피 팽창 문제를 해결할 수 있다.
상기 순차적으로 적층(S120)하는 단계는 기판의 상부에 몰리브덴 전극을 적층한 후, 상기 몰리브덴 전극의 상부에 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 적층한다.
그리고, 그 상부에 구리갈륨(CuGa) 금속합금과 셀레나이드 화합물의 혼합층 및 구리인듐(CuIn) 금속합금과 셀레나이드 화합물의 혼합층을 순차적으로 증착한 후, 그 상부에 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 적층하여 전구체를 형성(S130)한다.
상기와 같이 순차적으로 적층하여 형성된 전구체는 셀렌화 공정을 거친 후 부피 팽창이 일어나지 않아 기판과의 접착문제를 유발하지 않고 양질의 CIGS 박막을 형성할 수 있다.
셀렌화 공정(140)단계에서는 상기의 두 가지 중 하나의 방법으로 형성된 전구체를 셀레늄(Se) 분위기에서 열처리하여 CIGS 박막을 제조(150)한다.
상기 셀렌화 공정(S140)은 셀렌륨(Se) 원소를 진공증발하여 기판의 온도를 400℃ 이상 600℃ 이하로 열처리하며, 바람직하게는 550℃에서 열처리한다.
또한, 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se) 대신 상기 셀렌화(Se) 원소를 진공증발하여 셀렌화 공정을 진행하는데, 이때 증발온도는 230℃이다.
상기 셀렌화 공정을 통해 CIGS 박막을 형성함에 따라 유독 기체에 의한 위험을 방지하고, 유독 기체에 발생에 따른 안전 설비가 불필요함으로 공정의 단가가 저렴해진다.
상기의 방법을 통해 형성된 CIGS박막은 태양전지의 광흡수층으로 사용할 수 있다.
하기의 도면(도 2a 내지 도 7)은 상기의 두 가지 방법에 의해 형성되는 CIGS 광흡수층을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 5 은 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링한 전구체를 사용한 것이며, 도 6a 내지 도 7 은 적층구조에 의한 전구체를 사용한 CIGS 광흡수층에 관한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 합금 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링한 전구체의 단면도 및 미세구조를 나타낸 사진으로, 도 2a를 참조하면, 기판(200) 및 전구체(210)를 포함한다.
상기 기판(200)은 소다회 유리 기판이며, 상기 전구체(210)는 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링하여 형성한다. 이때, 상기 셀레나이드 화합물은 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 나타낸다.
상기 스퍼터링 시 상기 세 타겟을 1~10mtorr의 아르곤 분압에서 증착하며, 바람직하게는 10mtorr의 분압에서 증착한다.
도 2b 및 도 2c 는 상기 도 2a의 전구체의 상부 및 측면에서 촬영한 미세구조에 대한 사진으로 사진을 참조하며, 전구체를 이루는 물질이 조밀하지 못하고 구멍이 많이 존재함을 확인할 수 있다.
상기의 도 2a에서 형성된 전구체는 도 3의 승온 과정을 거쳐 셀렌화 공정이 이루어진다.
도 3 을 참조하면, 상기 전구체가 증착되는 기판의 온도는 400℃~600℃ 사이의 온도, 바람직하게는 550℃의 온도에서 열처리하며, 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se) 없이 셀레늄(Se) 원소의 진공증발을 통해 셀렌화 공정을 진행함으로써 상기 셀레늄(Se) 원소의 증발 온도는 230℃로 이루어진다.
도 4a 및 도 4b 는 상기 도 2a의 전구체를 도 3의 승온과정을 거쳐 셀렌화한 후 형성된 미세구조를 나타낸 사진으로써, 상기 도 2b 및 도 2c의 엉성한 구조의 전구체와는 달리 매우 조밀하고 일정 수준의 결정립이 성장된 결과를 확인할 수 있다.
도 5 는 상기의 도 2a 및 도 3의 과정에서 형성된 CIGS 박막의 엑스선 결정구조를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 CIGS 광흡수층 제조방법에 의해 매우 결정성이 좋은 CIGS 박막을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 7 은 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 순차적으로 적층하여 형성된 전구체를 셀렌화 공정하여 형성한 CIGS 박막을 나타낸 도면 및 사진이다.
도 6a 를 참조하면, 기판(200)의 상부에 몰리브덴(600)을 적층하고, 상기 몰리브덴(600)의 상부에 전구체(210)를 적층한 구조를 나타낸 것으로서, 상기 전구체는 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)으로 형성된 셀레나이드 화합물의 혼합물(610)의 상부에 구리갈륨(CuGa) 금속 합금과 셀레나이드 화합물의 제 1혼합층(620) 및 구리인듐(CuIn) 금속 합금과 셀레나이드 화합물의 제 2 혼합층(630)을 순차적으로 적층한 후, 그 상부에 셀레나이드 화합물(610)을 적층하여 형성하였다.
이때, 상기 제 1혼합층 및 제 2혼합층의 적층 순서는 변동될 수 있으며, 상기 제 1,2혼합층(620, 630)의 상하부에 형성된 셀레나이드 화합물(610)은 생략할 수 있다.
상기의 적층구조를 갖는 전구체(210)를 상기 도 3에서와 같이 셀레늄 분위기에서 열처리하는 셀렌화 공정을 통해 매우 조밀하며 결정립의 크기가 큰 CIGS 박막을 제조한다.(도 6b 및 도 6c 참조)
도 7 은 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa)의 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 스퍼터링하여 상기 도 6a의 적층구조를 갖는 전구체 형성 후, 셀렌화하였을 때의 엑스선 결정구조를 나타낸 그래프로서 매우 우수한 결정성을 갖는 CIGS 박막을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (10)
- 화합물 박막 태양전지의 광흡수층의 제조방법에 있어서,기판의 상부에 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물의 제 1혼합층과 구리인듐(CuIn) 및 셀레나이드 화합물의 제 2혼합층을 적층하여 전구체를 형성하는 단계; 및상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 구리인듐(CuIn) 금속 합금의 구리(Cu)와 인듐(In)의 혼합비 및 상기 구리갈륨(CuGa) 금속 합금의 구리(Cu)와 갈륨(Ga)의 혼합비는 99:1 ~1:99인 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 셀레나이드 화합물은 셀렌화구리(CuSe) 또는 셀렌화동(Cu2Se)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전구체를 형성하는 단계는구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물을 동시에 스퍼터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 스퍼터링은 1~10 mtorr의 아르곤 분압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1,2 혼합층의 상하부에 셀레나이드 화합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판과 전구체 사이에 몰리브덴(Mo)을 성장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열처리하는 단계에서는셀레늄(Se) 원소를 진공증발하고, 400℃ 이상 600℃ 이하의 온도에서 상기 기판을 열처리하는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층 제조방법.
- 삭제
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