KR101306459B1 - 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지의 제조장치 및 제조방법이 개시된다. 태양전지의 제조장치는 전구체를 포함하는 용액 및 상기 용액 상에 배치되는 기판을 수용하는 챔버; 상기 용액에 인접하고, 상기 용액에 열을 가하는 제 1 히팅부; 및 상기 기판에 인접하는 제 2 히팅부를 포함한다.
Description
실시예는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되된다.
이후, 상기 후면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 용액 성장법(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 형성될 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층이 형성된 후, 상기 기판은 상기 버퍼층을 형성하기 위한 전구체를 포함하는 용액에 담겨진다. 상기 전구체 용액은 카드뮴 이온 및 황 이온을 과량으로 포함할 수 있다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 용이하게 제조하기 위한 제조장치 및 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조장치는 전구체를 포함하는 용액 및 상기 용액 상에 배치되는 기판을 수용하는 챔버; 상기 용액에 인접하고, 상기 용액에 열을 가하는 제 1 히팅부; 및 상기 기판에 인접하는 제 2 히팅부를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 광 흡수층 상에 전구체를 포함하는 용액 입자들을 분사하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조장치는 상기 용액을 가열하여, 기포를 발생시키고, 상기 기포가 폭발할 때 발생되는 용액 입자들을 사용하여, 상기 버퍼층을 형성할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조장치는 상기 기판을 상기 용액에 담그지 않고, 따로 가열시킨다. 이에 따라서, 상기 버퍼층은 상기 용액의 끓는 점보다 더 높은 온도에서 형성될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 미세한 용액 입자들에 의해서 형성되므로, 상기 버퍼층은 균일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 고온에서 형성되므로, 매우 빠르게 형성될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 제조장치 및 제조방법은 향상된 속도로, 용이하게, 상기 버퍼층을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양광 발전장치는 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
특히, 도 4는 버퍼층을 형성하기 위한 증착 장치를 도시한 개략도이다.
특히, 도 4는 버퍼층을 형성하기 위한 증착 장치를 도시한 개략도이다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양광 발전장치는 제조하는 과정을 도시한 도면들이다. 특히, 도 4는 버퍼층을 형성하기 위한 증착 장치를 도시한 개략도이다.
도 1를 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상기 지지기판(100)은 그 위에 형성되는 다른 층들을 지지할 수 있다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CGS계 광 흡수층이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 결정구조를 가진다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)은 CIS계 또는 CGS계 결정 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위한 증착 장치(10)는 챔버(11), 배스(12), 제 1 히팅부(13) 및 제 2 히팅부(14)를 포함한다.
상기 챔버(11)는 상기 배스(12), 상기 제 1 히팅부(13) 및 상기 제 2 히팅부(14)를 수용할 수 있다. 또한, 상기 챔버(11)는 상기 광 흡수층(300)이 형성된 지지기판(100) 및 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위한 용액(20)을 수용할 수 있다.
상기 챔버(11)는 외부와 밀폐될 수 있다. 즉, 상기 챔버(11)의 내부는 대기압보다 낮은 압력으로 감압되거나, 대기압보다 높은 압력을 가질 수 있다. 특히, 상기 챔버(11)에는 상기 챔버(11) 내부의 압력을 낮추고, 상기 챔버(11) 내의 기체를 배출시키기 위한 배큠 펌프(15)가 구비될 수 있다.
상기 배스(12)는 상기 챔버(11) 내에 배치된다. 상기 배스(12)는 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위한 전구체를 포함하는 용액(이하, 전구체 용액, 20)을 수용한다.
상기 제 1 히팅부(13)는 상기 배스(12)에 담겨진 전구체 용액(20)을 가열한다. 상기 제 1 히팅부(13)는 상기 전구체 용액(20)을 끓는 점까지 가열할 수 있다. 이에 따라서, 상기 전구체 용액(20) 내에 기포가 발생될 수 있다.
상기 제 1 히팅부(13)는 상기 배스(12) 아래에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1 히팅부(13)는 상기 챔버(11) 내에 배치될 수 있다.
상기 제 2 히팅부(14)는 상기 지지기판(100)에 인접하여 배치된다. 상기 제 2 히팅부(14)는 상기 지지기판(100)에 열을 가한다. 즉, 상기 제 2 히팅부(14)는 상기 지지기판(100)의 온도를 상승시킨다.
상기 제 1 히팅부(13) 및 상기 제 2 히팅부(14)는 히팅 코일 또는 히팅 램프일 수 있다.
상기 버퍼층(400)이 형성되기 위해서, 상기 지지기판(100)은 뒤집힌 상태로, 상기 챔버(11) 내로 로딩된다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(300)은 상기 전구체 용액(20)과 직접 대향된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)의 상면은 상기 전구체 용액(20)의 수면과 직접 대향된다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 상기 전구체 용액(20)의 상면과 소정의 간격으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 전구체 용액(20) 사이의 거리는 약 5㎜ 내지 약 30㎜일 수 있다.
상기 전구체 용액(20)은 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위한 전구체를 포함한다. 예를 들어, 상기 전구체 수용액(20)은 Cd2 + 및 S2 -를 과포화된 상태로 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 전구체 용액(20)은 카드뮴 아세테이트(cadmium acetate) 및 티오우레아(thiourea)를 포함할 수 있으며, 완충제 및 암모니아 등을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 히팅부(13)에 의해서, 상기 전구체 용액(20)은 끓는 점까지 가열된다. 이에 따라서, 상기 전구체 용액(20) 내부에서 기포가 발생되고, 상기 전구체 용액(20)의 수면에서 기포가 폭발된다.
이와 같이, 기포가 폭발될 때, 미세한 전구체 용액 입자들이 상방으로, 상기 광 흡수층(300)의 상면으로 분사될 수 있다. 이때, 상기 지지기판(100), 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 2 히팅부(14)에 의해서, 매우 높은 온도(예를 들어, 약 150℃ 내지 약 450℃)로 가열되고, 상기 광 흡수층(300) 상에는 매우 빠른 속도로 상기 버퍼층(400)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(300)에는 매우 빠른 속도로, 황화 카드뮴층이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴을 포함한다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 징크 설파이드(ZnS), 인듐 설파이드(InxSy) 또는 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 등과 같은 물질을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전구체 용액은 상기 화합물을 형성하기 위한 전구체를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)이 형성된다.
상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)이 형성된다. 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층되어 형성된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드, 인듐 징크 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드 등을 들 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(600)은 투명하다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면전극층(600)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)이 알루니늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 2.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다. 상기 전면전극층(600)은 도전층이다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 버퍼층 형성장치(10)는 상기 전구체 용액(20)을 가열하여, 기포를 발생시키고, 상기 기포가 폭발할 때 발생되는 전구체 용액 입자들을 사용하여, 상기 버퍼층(400)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층 형성장치(10)는 상기 지지기판(100)을 상기 전구체 용액(20)에 담그지 않고, 따로 가열시킨다. 이에 따라서, 상기 버퍼층(400)은 상기 전구체 용액(20)의 끓는 점보다 더 높은 온도에서 형성될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 미세한 용액 입자들에 의해서 형성되므로, 상기 버퍼층(400)은 균일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 고온에서 형성되므로, 매우 빠르게 형성될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 버퍼층 형성장치(10)를 사용하여 향상된 속도로, 용이하게, 상기 버퍼층(400)을 형성할 수 있다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (9)
- 전구체를 포함하는 용액 및 상기 용액 상에 배치되고 광 흡수층을 포함하는 기판을 수용하는 챔버;
상기 용액에 인접하고, 상기 용액에 열을 가하여, 상기 용액 내에 기포를 발생시키고, 상기 기포에 의해서 형성되는 용액 입자들을 상기 광흡수층 상에 분사하는 제 1 히팅부; 및
상기 기판에 인접하는 제 2 히팅부를 포함하는 태양전지의 제조장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 챔버에 구비되고, 상기 챔버 내의 기체를 배출시키는 배큠을 포함하는 태양전지의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 용액 및 상기 기판은 상기 제 1 히팅부 및 상기 제 2 히팅부 사이에 배치되는 태양전지의 제조장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 용액의 수면과 직접 대향되는 태양전지의 제조장치.
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는,
전구체를 포함하는 용액 상에, 상기 버퍼층이 상기 용액과 대향되도록 상기 기판을 배치시키는 단계, 그리고
상기 용액을 가열하여 상기 용액 내에 기포를 발생시키고, 상기 기포에 의해서 형성되는 용액 입자들을 상기 광 흡수층 상에 분사하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 제 5 항에 있어서, 상기 광 흡수층 상에 분사하는 단계는,
상기 기포에 의해서, 상기 용액 입자들을 상기 버퍼층에 분사하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제 5 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 기판의 온도는 상기 용액의 온도보다 더 높은 태양전지의 제조방법.
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