KR101081462B1 - 유도가열 방식을 적용한 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 제작 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 분야에서 화합물 반도체 층의 형성시 기판의 온도를 향상시켜 결정성을 향상시켜 소자 효율을 향상시키는 공정에 필요한 방법으로서, 특히 기판의 온도를 올리는 방법에 관한 발명이다.
상기 기판의 온도를 올리기 위해서 기존의 방식은 복사(Radiation)에 의한 가열 방식으로 저항 가열 및 램프 가열의 경우 기판(10) 주변의 기구까지도 복사열이 전달되는 문제와 상기 램프와 저항 가열체의 수명이 짧다는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하고 기판의 온도를 효율적으로 올리기 위해, 본 발명에서는 유도가열 방법을 적용하여, 절연 기판(10)에 형성된 후면 전극(11)을 유도 가열하여 국소적으로 가열할 수 있는 방법을 제공하며, 또한 전도성 기판(10)을 사용하는 태양광 소자 제작 공정에 적용하여 기판의 온도를 효율적으로 향상시켜 태양광 소자의 광변환 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. 또한 상온에서 제작된 상기 태양광 소자의 열처리 공정에도 상기 유도가열 방식을 적용하여 후면 전극만을 가열하여 상기 태양광 소자의 특성을 향상하는 방법에 적용 가능하다.
상기 기판의 온도를 올리기 위해서 기존의 방식은 복사(Radiation)에 의한 가열 방식으로 저항 가열 및 램프 가열의 경우 기판(10) 주변의 기구까지도 복사열이 전달되는 문제와 상기 램프와 저항 가열체의 수명이 짧다는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하고 기판의 온도를 효율적으로 올리기 위해, 본 발명에서는 유도가열 방법을 적용하여, 절연 기판(10)에 형성된 후면 전극(11)을 유도 가열하여 국소적으로 가열할 수 있는 방법을 제공하며, 또한 전도성 기판(10)을 사용하는 태양광 소자 제작 공정에 적용하여 기판의 온도를 효율적으로 향상시켜 태양광 소자의 광변환 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. 또한 상온에서 제작된 상기 태양광 소자의 열처리 공정에도 상기 유도가열 방식을 적용하여 후면 전극만을 가열하여 상기 태양광 소자의 특성을 향상하는 방법에 적용 가능하다.
Description
본 발명은 박막형 화합물 반도체 태양광 소자(Thin film compound semiconductor solar cell)의 제조 공정에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 태양광 소자 제작에 사용되는 기판(10)의 온도를 유도 가열하여 상승시키는 태양광 소자 제작장치 및 제작방법에 관한 발명이다.
고 유가 시대에 접어들면서, 친환경 대체 에너지로 태양 에너지가 주목받고 있다. 태양에너지를 전기에너지로 전환하기 위해서는 태양광 소자(Solar Cell)가 필요하며, 실리콘 웨이퍼를 사용하는 방식과 박막(Thin Film)을 사용하는 박막형 태양광 소자로 나눌 수 있다. 실리콘 웨이퍼를 사용하는 방법은 재료 수급이 원활하지 않고, 가격이 비싸 기존의 발전 방식에 비해 발전원가를 낮추기가 어렵다. 반면, 박막형 태양광 소자는 원자재의 수급이 쉽고, 재료비가 낮아 기존의 발전 방식보다 저렴하게 전기를 생산 가능하다.
박막형 태양광 소자는 실리콘 반도체 박막을 사용하는 태양광 소자와 화합물 반도체를 사용하는 태양광 소자로 나눌 수 있다. 그러나 실리콘(Silicon)을 사용하는 박막형 태양광 소자의 경우 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 효율이 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우보다 나쁘다는 단점이 있으며, 제작 방법으로는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용한다. 상기 화합물 반도체를 사용하는 태양광 소자의 경우 그 효율이 상기 실리콘 웨이퍼를 사용하는 방법과 유사하며 제작 방법으로는 진공 증착 방법을 주로 사용한다.
상기 화합물 반도체를 사용하는 태양광 소자는 기판(10) 위에 후면 전극(11)을 형성하고, 후면 전극을 일정한 간격으로 레이저 혹은 기계적인 방법으로 패턴을 한다. 그리고 후면 전극이 형성된 기판(10) 위에 p형 반도체 층(12)과 n형 반도체 층(13)을 증착하여 pn 접합을 형성하고, 레이저 혹은 기계적인 방법으로 화합물 반도체 층(12, 13)을 패턴하고, 상기 후면 전극(11)과 상기 화합물 반도체 층(12, 13)이 형성된 기판 위에 전면 전극(14)을 형성한다. 전면 전극(14)을 레이저 혹은 기계적인 방법으로 패턴 하여 박막형 화합물 반도체 소자를 제작한다.
상기 화합물 반도체 층(12, 13)의 형성 시 기판의 온도를 500도 이상 상승시켜 유지해야 반도체 층의 결정성을 향상할 수 있다. 상기 반도체 박막의 결정성이 나쁠 경우 상기 태양광 소자의 광 전환 효율이 나빠지는 문제가 있다.
기존의 상기 화합물 반도체를 사용하는 태양광 소자 제작 공정에서;
반도체 층의 결정성을 향상시켜 상기 태양광 소자의 효율을 향상시키기 위해 기판의 온도를 상승시키는 공정에서;
상기 온도 상승공정에서 기존의 방식에서는 기판의 온도를 상승시키기 위해서 저항선을 기판(10) 뒤에 위치시켜 가열하는 방법과 할로겐 램프 등을 태양광 소자가 형성되는 상기 기판(10)의 뒤쪽에 위치시켜 가열하는 방식을 사용한다.
상기 저항선을 사용하는 방법과 램프를 사용하는 방법의 경우 저항선과 램프에서 나오는 복사열을 기판에 전달하여 기판의 온도를 상승시키는 방식이다. 열 전달 효율이 떨어지며 가열하고자 하는 기판(10)뿐만 아니라 기판 주변 장치(미도시)에도 복사열이 전달되는 문제점이 있다. 이러한 이유 때문에 상기 태양광 소자의 제작에 사용되는 장치의 내부 구조물(미도시)이 고온에서 사용가능한 부품을 사용하여 구조물을 형성하여 상기 태양광 소자 제작 장치의 제조 비용이 높아지는 단점이 있다. 또한 이러한 구조 때문에 상기 화합물 반도체 태양광 소자의 제작 시 증착원이 기판의 상측에 위치하고 하향으로 증착 공정을 수행한다. 이 경우 반도체 물질을 증착하기 위한 하향식 증착원이 필요하며, 하향 증착 방식의 경우 파티클(particle)이 상기 기판(10)에 떨어지는 문제 때문에 진공 증착에서는 사용하지 않는 방식이다.
상향식 증착 방식, 즉 상기 태양광 소자가 형성되는 기판면의 하측에 증착원을 위치시켜 증착하는 방식을 사용할 경우 파티클에 의한 소자 불량을 최소화할 수 있다.
상기 기존의 방식으로 기판의 온도를 효율적으로 상승시키는 문제점 때문에 상온에서 상기 반도체 층(12, 13)을 형성하고 열처리 로(Funace)에서 열처리 공정을 수행하기도 한다. 그러나 기판의 온도를 상승시킨 상태에서 증착한 경우보다 상기 태양광 소자의 광 변환 효율이 떨어지는 단점과 기판 전체를 균일하게 가열해야하는 문제가 있다.
본 발명을 통해 상기 기존 방법의 문제점을 해결할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 태양광 소자 제작시 그 특성 향상을 위해 기판의 온도를 효율적으로 상승 유지하는 공정에 필요한 장치 및 방법을 제공하며 이 방법을 적용한 태양광 소자 제작 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 화합물 반도체를 사용하는 태양광 소자 제작 공정에서 화합물 반도체 층의 결정성을 향상시켜 상기 소자의 효율을 향상시키기 위해 기판의 온도를 가열하는 공정에서; 상기 기판 가열 방식 및 이를 이용한 태양광 소자 제작 방법을 새롭게 하였다.
즉, 상기 태양광 소자가 형성되는 기판(10)의 가열에 사용되는 기존의 복사열을 사용하는 저항선 혹은 할로겐 램프 가열 방식의 단점을 유도가열 방식을 적용하여 해결한다.
즉, 상기 태양광 소자가 형성되는 기판(10)의 가열에 사용되는 기존의 복사열을 사용하는 저항선 혹은 할로겐 램프 가열 방식의 단점을 유도가열 방식을 적용하여 해결한다.
삭제
후면 전극(11)이 형성된 기판(10)의 상기 태양광 소자가 형성되는 면의 반대쪽 면에서 유도 가열용 전극을 상기 화화물 반도체 물질이 증착되는 영역에 위치시키고 후면 전극(11)만을 유도가열 하여 온도를 상승하거나, 가열 효율을 높이기 위해 U자형 유도가열 장치(30)를 적용하여 상기 유도가열 장치가 위치한 부분만을 가열하여 상기 화합물 반도체 층(12, 13)의 형성 전 혹은 후에 상기 기판(10)을 가열하여 태양광 소자의 특성을 향상시키면서도 제작 공정의 혁신을 이룬다.
즉, 본 발명은, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 화합물 반도체를 이용한 박막형 태양광 소자를 제작하는데 있어서;
전도체인 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판을 반응 챔버 안에 넣고;
상기 반응 챔버 안에 상기 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측과 하측에 상기 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판과 이격되게, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 배치하고;
상기 유도가열용 기판에 교류 전원을 인가하여 전도체인 후면 전극(11)의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 태양광 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 화합물 반도체를 이용한 박막형 태양광 소자를 제작하는데 있어서;
전도체인 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판을 반응 챔버 안에 넣고;
상기 반응 챔버 안에 상기 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측과 하측에 상기 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판과 이격되게, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 배치하고;
상기 유도가열용 기판에 교류 전원을 인가하여 전도체인 후면 전극(11)의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 태양광 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 절연체 기판을 홀딩하는 장치를 적용하고 절연체 기판을 홀딩하는 장치를 유도가열 하여 기판의 온도를 상승시키는 방법을 적용하여 제조하는 태양광 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치를 2 개 이상 적용하여 상기 후면 전극(11)의 온도를 순차적으로 상승시키고 하강시키는 방법을 적용한 태양광 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치를 반도체 층 형성 공정 후에 적용하여 상기 후면 전극(11)을 유도 가열하여 반도체 층을 열처리하는 방법을 적용하여 제조하는 태양광 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 화합물 반도체 태양광 소자제작 장치를 구성함에 있어서;
반응 챔버 내에, 피가열 전도성 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측 및 하측에 상기 후면 전극을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판과 이격되게 배치되는, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치; 및
상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함한 유도가열장치에 교류 전압을 인가하는 교류 전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 제조 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판의 상측 및 하측에 배치되는 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함한 유도가열 장치는 상기 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판을 둘러싸는 U자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 제조 장치를 제공할 수 있다.
유도 가열 방식을 적용할 경우 기존 방식이 주변 장치(미도시)에 모두 열이 가해지는 문제를 해결할 수 있으며, 상기 태양광 소자의 후면 전극만을 혹은 전도성이 있는 상기 기판(10)을 가열하여 기존 방식으로 가열하는 것보다 효율적으로 기판의 온도를 상승 유지시킬 수 있어 부품의 잦은 교체를 요하지 않고 지속적으로 공정을 진행하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 화합물 태양광 소자 구조의 개략도,
도 2는 유도가열 장치를 적용한 태양광 소자 제작 장치 개념도,
도 3은 유도가열 장치를 적용한 태양광 소자 제작 장치의 또 다른 실시한 예를 나타낸 개념도,
도 4는 도 3의 측면도.
도 2는 유도가열 장치를 적용한 태양광 소자 제작 장치 개념도,
도 3은 유도가열 장치를 적용한 태양광 소자 제작 장치의 또 다른 실시한 예를 나타낸 개념도,
도 4는 도 3의 측면도.
본 발명의 실시 예를 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 화합물 반도체를 이용한 박막형 태양광 소자의 기본 구조를 나타내었다. 기판(10)은 유리 혹은 얇은 스테인리스 스틸이 사용된다. 제조 공정은 다음과 같다. 세척된 유리 기판(10)에 후면 전극(11)을 증착하고, 레이저 혹은 기계적 방법에 의해 일정 모양으로 패턴을 한다. 패턴 후 상기 기판(10) 상측에, 상기 태양광 소자의 특성을 향상하기 위해 기판의 온도를 상승시킨 상태에서 p type 반도체 층(12)을 증착하고 그 위에 n-type 반도체 층(13)을 형성하고 상기 첫 번째 패턴과 동일한 방법으로 두 번째 패턴을 한다. 두번째 패턴이 형성된 상기 기판(10)에 전면 전극(14)을 형성하고 세 번째 패턴을 하면 다수의 직렬 혹은 병렬로 연결된 상기 태양광 소자를 제작할 수 있다.
도 2 내지 도 3에는 상기 기판의 온도를 상승시키는 방법의 실시 예를 도시하였다. 상기 태양광 소자를 제작하기 위한 진공 챔버(미도시)의 상부에 하향식 증착이 가능한 증착원을 위치시키고, 그 아래 쪽에 후면 전극(11)이 형성된 기판을 소자 형성 면이 상기 증착원이 위치한 상측을 향하도록 하여 위치시키고, 상기 기판(10)의 후면에 유도가열 장치(20)를 위치시켜 상기 후면 전극(11)을 유도가열 하여 기판(10)에 형성된 후면전극(11)의 온도를 상승시켜 상기 태양광 소자를 제작하는 것을 그 기술상의 특징으로 한다. 또한 상기 유도가열 장치(20)에 사용되는 전극 구조는 기판의 두께 및 증착영역에 따라 다양한 형태로 제작가능하다.
*상기 유도가열 방법은 전자 유도 현상을 이용한 금속 가열 방법이다. 이 전자 유도는 파라데이(Faraday) 원리를 활용하는 방법으로 유도 가열장치에 고주파 혹은 마이크로 파의 교류 전원(22)을 유도가열 장치(20)에 인가하여 피 가열체에 전류가 유도되고 이 전류와 피 가열체의 전기 저항에 의해 가열되며, 가열되는 온도는 상기 전류의 제곱에 비례하며, 상기 피 가열체의 저항에 비례하여 온도가 상승한다. 유도가열 방법은 짧은 시간에 높은 온도로 상기 피 가열체의 온도를 상승시킬 수 있으며, 전기에너지를 가장 효과적으로 가열하는데 사용할 수 있는 방법이다.
상기 유도가열 장치(20)는 도 2 내지 4에서 보듯이, 유도가열용 기판과 이를 감싸는 코일로 구성할 수 있다.
도 3에는 상기 유도가열 장치(20)를 상기 기판(10)을 감싸는 형태로 제작한 U 자형 유도가열 장치(30)를 적용하여 상기 기판을 가열하는 실시 예를 나타내었다. 도 4에는 도3의 측면도를 나타내었다.
상기 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기 도면이나 실시 예에 한정되지 않는다.
10 : 기판
11 : 후면 전극
12 : p type 반도체
13 : n type 반도체
14 : 전면 전극
20 : 유도가열 장치
21 : 증착원
22 : 교류 전원
30 : U자형 유도가열 장치
11 : 후면 전극
12 : p type 반도체
13 : n type 반도체
14 : 전면 전극
20 : 유도가열 장치
21 : 증착원
22 : 교류 전원
30 : U자형 유도가열 장치
Claims (7)
- 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 화합물 반도체를 이용한 박막형 태양광 소자를 제작하는데 있어서;
전도체인 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판을 반응 챔버 안에 넣고;
상기 반응 챔버 안에 상기 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측과 하측에 상기 후면 전극(11)이 형성된 절연체 기판과 이격되게, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 배치하고;
상기 유도가열용 기판에 교류 전원을 인가하여 전도체인 후면 전극(11)의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 태양광 소자 제조 방법. - 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 화합물 반도체를 이용한 박막형 태양광 소자를 제작하는데 있어서;
전도체인 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판을 반응 챔버 안에 넣고;
상기 반응 챔버 안에 상기 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측과 하측에 상기 후면 전극(11)이 형성된 전도체 기판과 이격되게, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 배치하고;
상기 유도가열용 기판에 교류 전원을 인가하여 전도체인 후면 전극(11)의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 태양광 소자 제조 방법. - 제 1항에 있어서 상기 절연체 기판을 홀딩하는 장치를 적용하고 절연체 기판을 홀딩하는 장치를 유도가열 하여 기판의 온도를 상승시키는 방법을 적용하여 제조하는 태양광 소자 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치를 2 개 이상 적용하여 상기 후면 전극(11)의 온도를 순차적으로 상승시키고 하강시키는 방법을 적용한 태양광 소자 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치를 반도체 층 형성 공정 후에 적용하여 상기 후면 전극(11)을 유도 가열하여 반도체 층을 열처리하는 방법을 적용하여 제조하는 태양광 소자 제조 방법.
- 화합물 반도체 태양광 소자제작 장치를 구성함에 있어서;
반응 챔버 내에, 피가열 전도성 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판의 상측 또는 하측, 또는 상측 및 하측에 상기 후면 전극을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판과 이격되게 배치되는, 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함하는 유도가열 장치; 및
상기 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함한 유도가열장치에 교류 전압을 인가하는 교류 전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 제조 장치. - 제6항에 있어서, 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판의 상측 및 하측에 배치되는 코일이 감긴 유도가열용 기판을 포함한 유도가열 장치는 상기 후면 전극(11)을 포함하는 전도체 또는 절연체 기판을 둘러싸는 U자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 화합물 반도체 태양광 소자 제조 장치.
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