KR101384294B1 - 태양 전지 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 칼코겐화 반응성을 증가시켜 용이하여 광흡수층을 연속적으로 형성할 수 있는 태양 전지 제조 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 제조 장치는, 대상체를 로딩하는 대상체 로딩부; 로딩부에서 이송된 대상체 상에 칼코겐 소스를 위치시키고, 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재를 대상체와 칼코겐 소스 사이에 개재시키는 칼코겐 소스 제공부; 칼코겐 소스 제공부에서 이송된 칼코겐 소스를 가열하여, 칼코겐 소스가 미세 기공체 부재의 미세 기공을 통하여 대상체에 도달하여 칼코겐화 반응함으로써, 칼코겐화된 대상체를 형성하는 칼코겐화 형성부; 칼코겐화 형성부에서 이송된 칼코겐화된 대상체를 언로딩하는 대상체 언로딩부; 및 대상체를 대상체 로딩부, 칼코겐 소스 제공부, 칼코겐화 형성부, 및 대상체 언로딩부에 순차적으로 이송하는 이송수단;을 포함한다.

Description

태양 전지 제조 장치{Apparatus of manufacturing photovoltaic cell}
본 발명의 기술적 사상은 태양 전지 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 칼코겐 물질을 포함하는 태양 전지를 연속으로 제조할 수 있는 태양 전지 제조 장치에 관한 것이다.
석유 자원의 고갈에 대비하기 위하여, 대체 에너지 자원 개발이 활발하게 이루어 지고 있고, 특히 태양 에너지 자원 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 태양 에너지 자원 개발은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 태양광 발전으로 주로 이루어 지고 있으며, 고효율의 태양 전지의 개발에 연구가 집중되고 있다.
태양 전지는 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층이 접합된 p-n 접합을 가지며, 상기 p-n 접합에 태양광이 도달하여 광기전력을 발생시켜 전기 에너지를 생성한다. 현재 1세대 태양 전지인 실리콘 반도체계 태양 전지가 주로 사용되고 있으나, 경박단소화, 경제성, 생산성, 제품 적용성 등을 이유로 2세대 태양 전지인 화합물 박막 태양 전지의 개발이 이루어 지고 있다.
화합물 박막 태양 전지에서의 광흡수층으로 사용되기 위한 물질로서 황동석(Chalcopyrite)계 화합물 반도체 물질이 있으며 예를 들어 CuInSe2 이 있다. 이러한 황동석계 화합물 반도체 물질은 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지고, 광흡수계수가 1×105 ㎝-1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1 ㎛ 내지 2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양 전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로서 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)으로, 셀레늄(Se)의 일부를 황(S)으로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다. 따라서, 구리-인듐-갈륨-셀레륨을 포함하는 사원 화합물을 CIGS로 지칭하고, 구리- 인듐-갈륨-셀레륨-황을 포함하는 물질을 CIGSS로 지칭하기도 한다.
그러나, 이러한 CIGS 또는 CIGSS는 다원 화합물이기 때문에, 이러한 물질을 사용한 광흡수층의 제조는 매우 어렵다. 또한, 특히 광흡수층의 제조 공정 중에 수행되는 셀렌화는 유독성과 부식성이 높은 H2Se가스를 사용하므로, 사용상 주의가 요구되며, 특수한 폐가스 처리장치 설치에 따른 추가비용이 발생하는 단점을 안고 있다. 또한, 셀레늄은, 증착이나 증발에 의한 셀레늄 층을 형성할 때에, 높은 분자량의 기체를 형성하는 경향이 크고, 챔버 내의 작은 온도 구배에도 불균일한 고상화가 빠르게 발생하므로, 광흡수층이 불균일한 셀레늄 농도 구배를 가질 수 있고, 이에 따라 칼코겐화 반응성이 저하되고 표면 거칠기가 큰 광츱수층을 형성시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 태양 전지의 효율을 감소시킬 우려가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 칼코겐화 반응성을 증가시켜 용이하여 광흡수층을 연속적으로 형성할 수 있는 태양 전지 제조 장치를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치는, 대상체를 로딩하는 대상체 로딩부; 상기 로딩부에서 이송된 상기 대상체 상에 칼코겐 소스를 위치시키고, 상기 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재를 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스 사이에 개재시키는 칼코겐 소스 제공부; 상기 칼코겐 소스 제공부에서 이송된 상기 칼코겐 소스를 가열하여, 상기 칼코겐 소스가 상기 미세 기공체 부재의 상기 미세 기공을 통하여 상기 대상체에 도달하여 칼코겐화 반응함으로써, 칼코겐화된 대상체를 형성하는 칼코겐화 형성부; 상기 칼코겐화 형성부에서 이송된 상기 칼코겐화된 대상체를 언로딩하는 대상체 언로딩부; 및 상기 대상체를 상기 대상체 로딩부, 상기 칼코겐 소스 제공부, 상기 칼코겐화 형성부, 및 상기 대상체 언로딩부에 순차적으로 이송하는 이송수단;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 칼코겐 소스 제공부는 제1 칼코겐 소스를 제공하는 제1 칼코겐 소스 제공부와 제2 칼코겐 소스를 제공하는 제2 칼코겐 소스 제공부를 포함할 수 있다. 상기 칼코겐화 형성부는 제1 칼코겐화 형성부와 제2 칼코겐화 형성부를 포함할 수 있다. 상기 이송 수단은 상기 대상체를 상기 제1 칼코겐 소스 제공부, 상기 제1 칼코겐화 형성부, 상기 제2 칼코겐 소스 제공부, 및 상기 제2 칼코겐화 형성부에 순차적으로 이송할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 칼코겐 소스는 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 상기 제2 칼코겐 소스는 황(Se)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 태양 전지 제조 장치는, 상기 칼코겐 소스 제공부와 상기 칼코겐화 형성부 사이에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스가 불활성 가스 분위기에 위치하도록, 불활성 가스 분위기 형성하는 불활성 가스 분위기 형성부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재는 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연을 포함하거나 또는 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재에 포함된 상기 미세 기공은 상기 칼코겐 소스로부터 액상화된 칼코겐 액체는 차단하고, 상기 칼코겐 소스로부터 기상화된 칼코겐 기체는 통과시키는 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재에 포함된 상기 미세 기공은, 하기의 식에 따른 반경을 가질 수 있다.
Figure 112012050051794-pat00001
(여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.)
본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치는 미세 기공체를 통하여 칼코겐 물질을 칼코겐화 반응이 수행되는 대상체에 인입시킨다. 따라서, 칼코겐화 반응을 위하여 최적량의 칼코겐 소스를 사용할 수 있으므로, 칼코겐 물질 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 칼코겐 소스로서 H2Se, H2S와 같은 유독성 및 부식성 물질을 사용하지 않으므로 안정성과 장치 보호를 최대화 할 수 있다. 또한, 칼코겐 물질이 미세 기공체를 통하여 대상체에 직접적으로 공급되므로, 챔버 내의 오염을 최소화할 수 있고, 장비의 사용 시간을 최대화할 수 있고, 또는 장비 유지 및 보수 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치는 대상체를 이송 수단을 이용하여 이송하면서, 광흡수층을 위한 칼코겐화된 대상체를 연속적 공정으로 형성할 수 있으므로, 공정 시간을 단축하고 작업 효율을 증가시킬 수 있으며, 대량 생산을 가능하게 할 수 있다.
이러한 효과는 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성한 태양 전지를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 공정 별로 설명하는 개략적인 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치에 포함되는 미세 기공체 부재의 기능을 설명하는 개략도이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치에 포함되는 미세 기공체 부재의 일실시예들을 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성된 CIGS층의 단면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성된 CIGS층의 상면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성한 태양 전지(1)를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지(1)는 기판(2) 상에 순차적으로 위치하는 하부 전극(3), 광흡수층(4), 버퍼층(5), 및 상부 전극(6)을 포함한다. 상부 전극(6)의 일부 영역 상에 그리드 전극(7)이 위치할 수 있다. 또한, 선택적으로(optionally), 상부 전극(6) 상에 반사 방지층(8)이 위치할 수 있다.
예를 들어, 하부 전극(3)은 약 0.5 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 광흡수층(4)은 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 버퍼층(5)은 약 0.05 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 상부 전극(6)은 약 0.5 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 두께는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(2)은 유리 기판으로 구성될 수 있고, 예를 들어 소다회 유리(Sodalime glass) 기판으로 구성될 수 있다. 또한, 기판(2)은 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속 기판, 또는 폴리머 기판으로 구성될 수 있다. 또한, 기판(2)은 폴리이미드(polyimide)와 같은 유연성 있는 고분자 물질로 구성되거나 스테인레스 박판으로 구성될 수 있다.
하부 전극(3)은 기판(2) 상에 위치할 수 있다. 하부 전극(3)이 전극으로서 사용되기 위하여 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 기판(2)으로부터 박리되지 않도록 기판(2)에의 점착성이 우수하여야 한다. 하부 전극(3)은, 예를 들어 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다. 하부 전극(3)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 특히, 하부 전극(3)이 몰리브덴을 포함하는 경우에는, 몰리브덴의 높은 전기전도도, 광흡수층(4)에 대한 우수한 오믹 접합(Ohmic contact), 셀레늄(Se) 분위기 공정에서의 고온 안정성 등과 같은 우수한 특성을 가질 수 있다.
광흡수층(4)은 하부 전극(3)의 일부 영역 상에 위치할 수 있다. 광흡수층(4)이 위치하지 않는 하부 전극(3)의 노출 영역(3a)은 외부로의 전기적 콘택을 제공할 수 있다. 광흡수층(4)은 태양 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 물질을 포함할 수 있고, p-형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 광흡수층(4)은, 예를 들어 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 광흡수층(4)은 칼코겐(chalcogen)계 물질을 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 셀레늄(Se), 황(S), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(4)은 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)의 4원계 물질을 포함하거나 또는 구리-인듐-갈륨-셀레늄-황(CIGSS)의 5원계 물질을 포함할 수 있다. 광흡수층(4)의 제조 방법에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
버퍼층(5)은 광흡수층(4) 상에 위치할 수 있다. 버퍼층(5)은 광흡수층(4)과 상부 전극(6) 사이의 격자 상수 차이와 에너지 밴드갭 차이를 감소시켜 우수한 p-n 접합을 구현하는 기능을 수행할 수 있다. 경우에 따라서는, 버퍼층(5)은 생략될 수 있다. 버퍼층(5)은 n-형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 불순물을 도핑하여 저항값을 변화시킬 수 있고, 예를 들어 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 저항값을 낮출 수 있다. 버퍼층(5)은 황화카드뮴(CdS) 또는 인듐-셀레늄(InxSey)을 포함할 수 있다. 버퍼층(5)이 황화카드뮴(CdS)을 포함하는 경우에는, CBD(Chemical bath deposition) 방법을 이용하여 황화카드뮴(CdS) 막을 형성할 수 있다. 반면, 버퍼층(5)이 인듐-셀레늄을 포함하는 경우에는 황화카드뮴이 가지는 독성을 방지할 수 있고, 황화카드뮴의 형성을 위한 습식공정의 번거로움을 제거할 수 있다.
상부 전극(6)은 버퍼층(5) 상에 위치할 수 있다. 대안적으로, 상부 전극(6)은 광흡수층(4) 상에 위치할 수 있다. 상부 전극(6)은 n-형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 전극(6)은 광흡수층(4)과 직접 접촉하여 p-n 접합을 형성할 수 있다. 또는, 광흡수층(4)에 직접 접촉하는 버퍼층(5)과 함께, p-n 접합을 형성할 수 있다. 상부 전극(6)은 전기전도성이 우수함과 동시에 광투과율이 높은 것이 바람직하며, 투명 전극으로 지칭될 수 있다. 상부 전극(6)은 아연 산화물(ZnO), 인듐-주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 아연 산화물(ZnO)은 에너지 밴드갭이 약 3.3 eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한, 상부 전극(6)은 알루미늄(Al)이나 붕소(B) 등과 같은 불순물 원소를 도핑하여 약 10-4 ohm cm 이하의 낮은 비저항값을 가지게 할 수 있다. 특히, 상부 전극(6)에 붕소(B)를 도핑하는 경우에는, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락 전류를 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 상부 전극(6)이 아연 산화물(ZnO)로 구성되는 경우에는, 상부 전극(6)은 아연 산화물(ZnO) 타겟을 이용한 RF 스퍼터링 방법, 아연 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 또는 유기금속화학증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 상부 전극(6)은 복수의 층이 적층된 복합층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(6)은 아연 산화물(ZnO) 박막 상에 인듐-주석 산화물(ITO) 박막이 형성된 복합층으로 구성되거나, 진성 반도체 형의 아연 산화물(ZnO) 박막 상에 n-형 아연 산화물(ZnO) 박막이 형성된 복합층으로 구성될 수 있다. 이러한 복합 구조의 상부 전극(6)은 태양 전지(1)의 효율을 개선할 수 있다.
선택적으로, 반사 방지층(8)이 상부 전극(6) 상에 위치할 수 있다. 반사 방지층(8)은 입사되는 태양광의 반사 손실을 감소시킬 수 있고, 또한 내부에서 반사되어 추출되는 태양광을 내부로 재반사할 수 있고, 이에 따라 태양 전지(1)의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층(8)은 태양 전지의 효율을 약 1% 정도 증가시킬 수 있다. 반사 방지층(8)은, 예를 들어 불화마그네슘(MgF2 )을 포함할 수 있고, 예를 들어 전자빔 증발법을 이용하여 형성될 수 있다.
그리드 전극(7)은 상부 전극(6)의 일부 영역에 위치할 수 있고, 상부 전극(6)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리드 전극(7)은 하부 전극(3)과 짝을 이루어 태양 전지(1) 표면에서 전류를 수집할 수 있다. 그리드 전극(7)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있고, 단일층으로 구성되거나 또는 니켈/알루미늄(Ni/Al)과 같은 다층 구조로 구성될 수 있다. 그리드 전극(7)이 차지하는 영역은 불투명한 영역이므로 태양광이 태양 전지(1)의 내부로 흡수되지 않으며, 따라서 그리드 전극(7)의 차지하는 면적을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(10)를 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 3 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(10)를 공정 별로 설명하는 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 태양 전지 제조 장치(10)는 이송 수단(20)을 포함하고, 이송 수단(20)에 의하여 단위 공정들을 순차적으로 이송하면서 태양 전지를 제조할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치(10)는 이송 수단(20)을 이용하여 대상체(170, 도 3 참조)가 대상체 로딩부(11)로부터 대상체 언로딩부(19)에 이르기까지 순차적으로 및/또는 연속적으로 이송하면서 각 단위공정을 수행하는 것에 발명의 일 기술적 특징이 있다. 이송 수단(20)은 단위 공정의 수행 중에 이송 동작이 정지되고 수행을 종료하면 이송 동작을 하는 단속 이송 수단 및/또는 단위 공정의 수행 중에도 정지하지 않고 이송 동작을 하는 연속 이송 수단을 포함하여 구성될 수 있고, 예를 들어 로보트 아암(robot arm) 및/또는 컨베이어 벨트를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 태양 전지 제조 장치(10)는 제1 챔버(30)와 제2 챔버(40)를 더 포함할 수 있다. 제1 챔버(30)는 제1 진공 형성 수단(32) 및 제1 불활성 가스 공급 수단(34)과 연결될 수 있다. 제2 챔버(40)는 제2 진공 형성 수단(42) 및 제2 불활성 가스 공급 수단(44)과 연결될 수 있다.
태양 전지 제조 장치(10)는 대상체 로딩부(11), 제1 칼코겐 소스 제공부(12), 제1 불활성 가스 분위기 형성부(13), 제1 칼코겐화 형성부(14), 분리부(15), 제2 칼코겐 소스 제공부(16), 제2 불활성 가스 분위기 형성부(17), 제2 칼코겐화 형성부(18), 및 대상체 언로딩부(19)를 포함할 수 있다. 이송 수단(20)은 대상체를 대상체 로딩부(11), 제1 칼코겐 소스 제공부(12), 제1 불활성 가스 분위기 형성부(13), 제1 칼코겐화 형성부(14), 및 분리부(15)에 순차적으로 이송할 수 있다. 또한, 이송 수단(20)은 상기 대상체를 분리부(15), 제2 칼코겐 소스 제공부(16), 제2 불활성 가스 분위기 형성부(17), 제2 칼코겐화 형성부(18), 및 대상체 언로딩부(19)에 순차적으로 이송할 수 있다.
제1 칼코겐화 형성부(14)에서는 태양 전지를 위한 대상체가 제1 칼코겐화 처리될 수 있고, 예를 들어 상기 대상체가 셀렌화 처리될 수 있다. 또한, 제2 칼코겐화 형성부(18)에서는 상기 대상체가 제2 칼코겐화 처리될 수 있고, 예를 들어 셀렌화 처리된 상기 대상체가 황화 처리될 수 있다.
태양 전지 제조 장치(10)의 각 구성 부분은 각각 별개의 장치로 구현되어 서로 연결될 수도 있고, 또는 태양 전지 제조 장치(10)가 하나의 장치로서 구현될 수도 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 대상체 로딩부(11)에서는, 이송 수단(20) 상에 대상체(170)를 로딩한다. 대상체(170)는 대상체 지지 부재(122)에 수용되어 지지될 수 있다. 대상체 지지 부재(122)는, 예를 들어 탄화규소 피복흑연을 포함하는 서셉터(Susceptor)로 구성될 수 있다. 대상체 지지 부재(122)는 제1 칼코겐화 형성부(14) 및 제2 칼코겐화 형성부(18)에서 열을 대상체(170)에 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
대상체(170)는 태양 전지 제조 장치(10)에 의하여 요구되는 층이 형성되는 구조체로서, 기판(2, 도 1 참조)에 상응할 수 있거나, 또는 다양한 층들이 기판(2, 도 1 참조) 상에 형성된 구조체일 수 있다. 예를 들어, 대상체(170)는 기판(2, 도 1 참조) 상에 구리, 인듐, 갈륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적어도 하나의 층이 형성된 구조체이거나, 구리층, 인듐층, 및 갈륨층으로 이루어진 복합층이 형성된 구조체일 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 몰리브덴 등으로 형성된 하부 전극(3, 도 1 참조)이 기판(2, 도 1 참조)의 직접적으로 상에 위치할 수 있다. 상술한 바와 같은 구리층, 인듐층, 및 갈륨층은 각각 별개의 공정으로 형성될 수 있고, 별도의 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 또한, 구리층, 인듐층, 및 갈륨층의 적층 순서는 다양하게 변화될 수 있다. 대안적으로, 대상체(170)은 기판(2, 도 1 참조) 상에 하나의 구리-인듐-갈륨 층이 위치하는 구조체일 수 있다. 이러한 구리-인듐-갈륨 층은 동시에 구리, 인듐 및 갈륨을 기판 상에 스퍼터링하여 형성될 수 있다.
도 2, 도 4, 및 도 5를 참조하면, 대상체(170)가 수용된 대상체 지지 부재(122)가 이송 수단(20)에 의하여 대상체 로딩부(11)로부터 제1 칼코겐 소스 제공부(12)로 이송된다.
제1 칼코겐 소스 제공부(12)에서는, 대상체(170) 상에 제1 칼코겐 소스(180)를 위치시킨다. 대상체(170)와 제1 칼코겐 소스(180) 사이에는 미세 기공체 부재(124)가 개재될 수 있다. 미세 기공체 부재(124)는 제1 칼코겐 소스(180)가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 칼코겐 소스 제공부(12)에서는, 대상체(170)가 수용된 대상체 지지 부재(122)와 제1 칼코겐 소스(180)가 수용된 칼코겐 소스 수용 부재(123)가 위치할 수 있고, 대상체 지지 부재(122)와 칼코겐 소스 수용 부재(123)를 결합시켜 도 5의 층 형성 부재(120)를 완성한다. 칼코겐 소스 수용 부재(123)는 클램프나 진공 흡착 방법을 이용하여 대상체 지지 부재(122) 상으로 이송되어 대상체 지지 부재(122)와 결합될 수 있다.
칼코겐 소스 수용 부재(123)는 제1 칼코겐 소스(180)를 지지하는 미세 기공체 부재(124), 제1 칼코겐 소스(180)를 덮는 윈도우 부재(126), 및 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126)를 고정하는 고정 부재(128)를 포함한다.
미세 기공체 부재(124)는 대상체(170)를 덮도록 위치할 수 있다. 또한, 미세 기공체 부재(124)와 대상체(170)가 접촉하지 않도록 이격 간격(G)을 가질 수 있다. 미세 기공체 부재(124)에는 제1 칼코겐 소스(180)가 탑재될 수 있고, 미세 기공체 부재(124)는 제1 칼코겐 소스(180)를 지지할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)는 그 내부에 복수의 미세 기공을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 흑연(graphite)를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공을 통하여 기상화된 제1 칼코겐 소스(180)가 통과할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)를 통과한 제1 칼코겐 소스(180)는 대상체(170) 상에 제1 칼코겐 층을 형성하거나 또는 대상체(170) 내에 포함된 물질과 반응할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)의 기능에 대하여는 도 14를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 미세 기공체 부재(124)는 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는, 자신의 하측에 대상체(170)를 위치시키고, 자신의 상측에 제1 칼코겐 소스(180)를 위치시킬 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는 제1 칼코겐 소스(180)로부터 기상화된 제1 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 제1 지지요소(124b) 및 제2 지지요소(124c)는, 미세 기공체 부재(124)가 대상체(170)로부터 이격되어 위치하도록, 미세 기공체 부재(124)를 지지할 수 있다. 제3 지지요소(124d)는 제1 칼코겐 소스(180)가 위치하는 공간을 제공할 수 있다. 제3 지지요소(124d)는, 미세 기공체 요소(124a)가 윈도우 부재(126)로부터 이격되도록, 윈도우 부재(126)를 지지할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 일체형 구조체(one-body structure)로서 형성되어 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다.
대안적으로, 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)가 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들의 조립에 의하여 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다. 이러한 경우에는, 미세 기공체 요소(124a)는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 이와 같은, 미세 기공체 부재(124)의 실시예들은 도 15 내지 도 18을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
미세 기공체 요소(124a)는 대상체(170)로부터 이격 간격(G)으로 이격되어 위치할 수 있다. 이격 간격(G)은, 예를 들어 약 0.5 mm 내지 약 3 mm 의 범위일 수 있고, 예를 들어 약 1 mm 일 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)의 두께(P)를 조절함에 따라, 미세 기공체 요소(124a)를 통과하는 제1 칼코겐 물질의 플럭스를 변경시킬 수 있다.
제1 칼코겐 소스(180)는 칼코겐 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 제1 칼코겐 소스(180)는 상온에서는 고상일 수 있으며, 가열에 의하여 액상 또는 기상으로 변화할 수 있다. 제1 칼코겐 소스(180)의 두께(S)를 조절함에 따라, 대상체(170)로의 제1 칼로겐 물질의 인입량을 변경할 수 있다.
윈도우 부재(126)는 미세 기공체 부재(124)의 상측에 위치할 수 있고, 미세 기공체 부재(124)의 제3 지지요소(124d)에 의하여 지지될 수 있다. 윈도우 부재(126)는 석영, 강화 유리, 또는 사파이어 등으로 구성될 수 있다. 윈도우 부재(126)는 제1 칼코겐화 형성부(14)에서 제공되는 열을 제1 칼코겐 소스(180)에 용이하게 전달되는 기능을 가질 수 있고, 또한 액상화 또는 기상화된 제1 칼코겐 소스(180)가 층 형성 부재(120)의 외측으로 방출되는 것을 방지하는 기능을 가질 수 있다.
고정 부재(128)는 미세 기공체 부재(124) 상에 위치하고, 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126)를 서로 고정시킬 수 있다. 또한, 고정 부재(128)는 미세 기공체 부재(124)와 대상체 지지 부재(122)를 서로 고정시킬 수 있다. 고정 부재(128)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 대상체(170)와 제1 칼코겐 소스(180)가 수용된 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제1 칼코겐 소스 제공부(12)로부터 제1 불활성 가스 분위기 형성부(13)로 이송된다.
제1 불활성 가스 분위기 형성부(13)에서는, 층 형성 부재(120)가 제1 챔버(30) 내에 장입된다. 제1 챔버(30)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속, 강화 유리, 석영, 또는 흑연으로 구성될 수 있다. 제1 챔버(30)가 강화 유리나 석영과 같은 투명한 물질로 구성되는 경우에는 급속 열처리가 용이하게 수행될 수 있다.
제1 챔버(30)는 제1 진공 형성 수단(32) 및 제1 불활성 가스 공급 수단(34)과 연결될 수 있다. 제1 진공 형성 수단(32)은 제1 챔버(30) 내를 진공으로 형성할 수 있고, 예를 들어 진공 펌프로 구성될 수 있다. 제1 진공 형성 수단(32)은 선택적 구성요소로서 생략될 수 있다. 제1 불활성 가스 공급 수단(34)은 진공이 된 제1 챔버(30) 내에 헬륨, 아르곤, 질소과 같은 불활성 가스를 공급할 수 있다. 제1 불활성 가스 공급 수단(34)은 예를 들어 제1 챔버(30) 내의 압력이 원하는 기압이 되도록, 예를 들어 약 1 기압이 되도록, 상기 불활성 가스를 제1 챔버(30) 내로 공급할 수 있다. 제1 불활성 가스 공급 수단(34)은 선택적 구성요소로서 생략될 수 있다. 제1 진공 형성 수단(32)과 제1 불활성 가스 공급 수단(34)은 순차적으로 작동하거나 또는 동시에 작동할 수 있다.
제1 진공 형성 수단(32)과 제1 불활성 가스 공급 수단(34)에 의하여, 층 형성 부재(120) 내부가 상기 불활성 가스로 충전될 수 있다. 즉, 대상체(170)가 위치하는 대상체 지지 부재(122) 내의 공간이 상기 불활성 가스로 충전될 수 있고, 또한, 제1 칼코겐 소스(180)가 위치하는 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126) 사이의 공간이 상기 불활성 가스로 충전될 수 있다.
제1 챔버(30)는 층 형성 부재(120)가 제1 챔버(30) 내로 장입되는 부분에 제1 인입구(36)를 가질 수 있다. 제1 인입구(36)는 제1 챔버(30) 내를 진공 분위기 및/또는 불활성 가스 분위기로 유지하도록 제1 챔버(30)를 밀봉시키거나 가스 흐름을 차단하는 구조를 가질 수 있다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 대상체(170)와 제1 칼코겐 소스(180)가 수용된 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제1 불활성 가스 분위기 형성부(13)로부터 제1 칼코겐화 형성부(14)로 이송된다.
제1 칼코겐화 형성부(14)에서는, 층 형성 부재(120)가 제1 챔버(30) 내에서 이송 수단(20)에 의하여 이송된다. 제1 칼코겐화 형성부(14)는 제1 챔버(30) 내에 위치할 수 있고, 이에 따라 제1 진공 형성 수단(32) 및 제1 불활성 가스 공급 수단(34)에 의하여 상기 불활성 가스 분위기를 가질 수 있다.
제1 칼코겐화 형성부(14)에서는, 층 형성 부재(120)를 가열하는 제1 가열 부재(39)가 위치할 수 있다. 제1 가열 부재(39)는 제1 칼코겐 소스(180)를 가열하여 액상화하거나 또는 기상화할 수 있다. 또한, 제1 가열 부재(39)는 대상체(170)를 함께 가열하여 열처리할 수 있다. 액상화되거나 또는 기상화된 제1 칼코겐 소스(180)는 미세 기공체 부재(124)를 통과하여 대상체(170)에 도달할 수 있고, 대상체(170)를 제1 칼코겐화하여 제1 칼코겐화된 대상체(171)를 형성할 수 있다. 경우에 따라서는, 제1 칼코겐화 형성부(14)에서 제1 칼코겐 소스(180)는 완전히 소모되어 사라질 수 있다. 상기 대상체(170)의 칼코겐화에 의한 제1 칼코겐화된 대상체(171)의 형성에 대하여는 도 14를 참조하여 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
제1 가열 부재(39)는 제1 챔버(30)의 외측에 위치하거나 또는 제1 챔버(30)의 내부에 위치할 수 있다. 층 형성 부재(120)의 온도 구배가 최소화되고, 대상체(170)의 표면의 온도가 균일하게 가열되도록, 제1 가열 부재(39)가 배치될 수 있다. 제1 칼코겐 소스(180)를 가열하는 온도를 보다 균일하게 유지하기 위하여, 제1 가열 부재(39)는 코일형 형상을 가질 수 있다. 제1 가열 부재(39)는 열선 또는 적외선 램프로 구성될 수 있다. 제1 가열 부재(39)가 적외선 램프로 구성되는 경우에는, 대상체(170) 및 제1 칼코겐 소스(180)의 급속 열처리를 수행할 수 있다. 특히, 제1 챔버(30)가 강화 유리나 석영과 같은 투명한 물질로 구성되는 경우에는 이러한 급속 열처리가 용이하게 수행될 수 있다.
제1 가열 부재(39)에 의한 가열은, 예를 들어 220℃ 내지 680℃ 사이의 온도로 수행될 수 있고, 예를 들어 1초 내지 60분 범위 동안 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄인 경우에는, 예를 들어 400℃ 내지 500℃ 사이의 온도에서 1분 내지 20분 범위 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 약 460℃의 온도에서 약 10분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 칼코겐 소스(180)가 황(S)인 경우에는, 예를 들어 500℃ 내지 600℃ 사이의 온도에서 10초 내지 10분 범위 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 약 530℃의 온도에서 약 1분 동안 수행될 수 있다.
또한, 제1 가열 부재(39)에 의한 가열에 의하여, 대상체(170) 내에 포함된 층들의 열처리가 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 대상체(170)가 구리, 인듐, 및 갈륨을 각각 포함하는 복수층으로 구성된 경우에, 가열에 의하여 서로 확산됨으로서 하나의 층을 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄인 경우에는, 대상체(170)는 셀렌화 반응이 발생되어 셀렌화된 대상체를 형성할 수 있고, 이에 따라 상술한 바와 같은 CIGS층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 칼코겐 소스(180)가 황인 경우에는, 대상체(170)는 황화 반응이 발생되어 황화된 대상체를 형성할 수 있고, 이에 따라 상술한 바와 같은 CIGSS층이 형성될 수 있다.
또한, 제1 챔버(30)는 층 형성 부재(120)가 제1 챔버(30)로부터 배출되는 부분에 제1 배출구(38)를 가질 수 있다. 제1 배출구(38)는 제1 챔버(30) 내를 진공 분위기 및/또는 불활성 가스 분위기로 유지하도록 제1 챔버(30)를 밀봉시키거나 가스 흐름을 차단하는 구조를 가질 수 있다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제1 칼코겐화 형성부(14)로부터 분리부(15)로 이송된다.
분리부(15)에서는, 층 형성 부재(120)로부터 칼코겐 소스 수용 부재(123)를 분리하여 제거하고, 이에 따라 제1 칼코겐화된 대상체(171)를 수용하는 대상체 지지 부재(122)가 이송 수단(20)에 의하여 이송된다. 대안적으로, 분리부(15)에서 제1 칼코겐화된 대상체(171) 및 대상체 지지 부재(122)가 태양 전지 제조 장치(10)로부터 언로딩될 수 있다.
여기에서, 제1 칼코겐화된 대상체(171)는 예를 들어 셀렌화 처리되어 있을 수 있다.
도 2, 도 9, 도 10을 참조하면, 제1 칼코겐화된 대상체(171)가 수용된 대상체 지지 부재(122)가 이송 수단(20)에 의하여 분리부(15)로부터 제2 칼코겐 소스 제공부(16)로 이송된다.
제2 칼코겐 소스 제공부(16)에서는, 제1 칼코겐화된 대상체(171) 상에 제2 칼코겐 소스(190)를 위치시킨다. 제1 칼코겐화된 대상체(171)와 제2 칼코겐 소스(190) 사이에는 미세 기공체 부재(124)가 개재될 수 있다. 미세 기공체 부재(124)는 제2 칼코겐 소스(190)가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 칼코겐 소스 제공부(16)에서는, 제1 칼코겐화된 대상체(171)가 수용된 대상체 지지 부재(122) 상에 제2 칼코겐 소스(190)가 수용된 칼코겐 소스 수용 부재(123)가 위치할 수 있고, 대상체 지지 부재(122)와 칼코겐 소스 수용 부재(123)를 결합시켜 도 10의 층 형성 부재(120)를 완성한다. 칼코겐 소스 수용 부재(123), 미세 기공체 부재(124), 윈도우 부재(126), 고정 부재(128) 등은 도 4 및 도 5를 참조하여 상술한 바와 같다.
제2 칼코겐 소스(190)는 칼코겐 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 황(S)을 포함할 수 있다. 제2 칼코겐 소스(190)는 상온에서는 고상일 수 있으며, 가열에 의하여 액상 또는 기상으로 변화할 수 있다. 제2 칼코겐 소스(190)의 두께를 조절함에 따라, 제1 칼코겐화된 대상체(171)로의 제2 칼로겐 물질의 인입량을 변경할 수 있다.
대안적으로, 제1 칼코겐 소스(180)와 제2 칼코겐 소스(190)는 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 칼코겐 소스(180)와 제2 칼코겐 소스(190)는 모두 셀레늄을 포함하고, 제1 칼코겐 소스(180)와 제2 칼코겐 소스(190)를 이용하여 대상체(170)의 셀렌화 처리를 반복하여 수행할 수 있다. 또는, 제1 칼코겐 소스(180)와 제2 칼코겐 소스(190)는 모두 황을 포함하고, 제1 칼코겐 소스(180)와 제2 칼코겐 소스(190)를 이용하여 대상체(170)의 황화 처리를 반복하여 수행할 수 있다.
도 2 및 도 11을 참조하면, 제1 칼코겐화된 대상체(171)와 제2 칼코겐 소스(190)가 수용된 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제2 칼코겐 소스 제공부(16)로부터 제2 불활성 가스 분위기 형성부(17)로 이송된다.
제2 불활성 가스 분위기 형성부(17)에서는, 층 형성 부재(120)가 제2 챔버(40) 내에 장입된다. 제2 챔버(40)는 제2 진공 형성 수단(42) 및 제2 불활성 가스 공급 수단(44)과 연결될 수 있다. 제2 진공 형성 수단(42)은 제2 챔버(40) 내를 진공으로 형성할 수 있다. 제2 불활성 가스 공급 수단(44)은 진공이 된 제2 챔버(40) 내에 헬륨, 아르곤, 질소과 같은 불활성 가스를 공급할 수 있다. 제2 챔버(40)는 상술한 제1 챔버(30)와 유사할 수 있고, 제2 진공 형성 수단(42) 및 제2 불활성 가스 공급 수단(44)는 각각 상술한 제1 진공 형성 수단(32) 및 제1 불활성 가스 공급 수단(34)과 유사할 수 있다.
제2 진공 형성 수단(42)과 제2 불활성 가스 공급 수단(44)에 의하여, 층 형성 부재(120) 내부가 상기 불활성 가스로 충전될 수 있다. 즉, 제1 칼코겐화된 대상체(171)가 위치하는 대상체 지지 부재(122) 내의 공간이 상기 불활성 가스로 충전될 수 있고, 또한, 제2 칼코겐 소스(190)가 위치하는 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126) 사이의 공간이 상기 불활성 가스로 충전될 수 있다.
제2 챔버(40)는 층 형성 부재(120)가 제2 챔버(40) 내로 장입되는 부분에 제2 인입구(46)를 가질 수 있다. 제2 인입구(46)는 제2 챔버(40) 내를 진공 분위기 및/또는 불활성 가스 분위기로 유지하도록 제2 챔버(40)를 밀봉시키거나 가스 흐름을 차단하는 구조를 가질 수 있다.
도 2 및 도 12를 참조하면, 제1 칼코겐화된 대상체(171)와 제2 칼코겐 소스(190)가 수용된 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제2 불활성 가스 분위기 형성부(17)로부터 제2 칼코겐화 형성부(18)로 이송된다.
제2 칼코겐화 형성부(18)에서는, 층 형성 부재(120)가 제2 챔버(40) 내에서 이송 수단(20)에 의하여 이송된다. 제2 칼코겐화 형성부(18)는 제2 챔버(40) 내에 위치할 수 있고, 이에 따라 제2 진공 형성 수단(42) 및 제2 불활성 가스 공급 수단(44)에 의하여 상기 불활성 가스 분위기를 가질 수 있다.
제2 칼코겐화 형성부(18)에서는, 층 형성 부재(120)를 가열하는 제2 가열 부재(49)가 위치할 수 있다. 제2 가열 부재(49)는 상술한 제1 가열 부재(39)와 유사할 수 있다.
제2 가열 부재(49)는 제2 칼코겐 소스(190)를 가열하여 액상화하거나 또는 기상화할 수 있다. 또한, 제2 가열 부재(49)는 제1 칼코겐화된 대상체(171)를 함께 가열하여 열처리할 수 있다. 액상화되거나 또는 기상화된 제2 칼코겐 소스(190)는 미세 기공체 부재(124)를 통과하여 제1 칼코겐화된 대상체(171)에 도달할 수 있고, 제1 칼코겐화된 대상체(171)를 제2 칼코겐화하여 제2 칼코겐화된 대상체(172)를 형성할 수 있다. 경우에 따라서는, 제2 칼코겐화 형성부(18)에서 제2 칼코겐 소스(190)는 완전히 소모되어 사라질 수 있다.
또한, 제2 챔버(40)는 층 형성 부재(120)가 제2 챔버(40)로부터 배출되는 부분에 제2 배출구(48)를 가질 수 있다. 제2 배출구(48)는 제2 챔버(40) 내를 진공 분위기 및/또는 불활성 가스 분위기로 유지하도록 제2 챔버(40)를 밀봉시키거나 가스 흐름을 차단하는 구조를 가질 수 있다.
도 2 및 도 13을 참조하면, 층 형성 부재(120)가 이송 수단(20)에 의하여 제2 칼코겐화 형성부(18)로부터 대상체 언로딩부(19)로 이송된다.
대상체 언로딩부(19)에서는, 층 형성 부재(120)로부터 칼코겐 소스 수용 부재(123)를 분리하여 제거하고, 이에 따라 제2 칼코겐화된 대상체(172)를 수용하는 대상체 지지 부재(122)가 이송 수단(20)에 의하여 이송되어 태양 전지 제조 장치(10)로부터 언로딩될 수 있다.
여기에서, 제2 칼코겐화된 대상체(172)는 예를 들어 셀렌화 처리 및 황화 처리되어 있을 수 있다. 제2 칼코겐화된 대상체(172)는 도 1의 광흡수층(4)에 상응할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(10)에 포함되는 미세 기공체 부재(124)의 기능을 설명하는 개략도이다.
도 14를 참조하면, 미세 기공체 부재(124)는 복수의 미세 기공(129)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 미세 기공체 부재(124)는 흑연으로 형성될 수 있고, 예를 들어 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연으로 형성될 수 있다. 또는, 예를 들어 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 가지는 흑연으로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 밀도와 기공도는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
미세 기공(129)은 액상화 또는 기상화된 제1 칼코겐 소스(180)가 통과하는 크기를 가질 수 있다. 미세 기공(129)의 크기는 다양하게 변화할 수 있고, 예를 들어 수 십 nm 내지 수 십 ㎛ 의 범위를 가질 수 있다. 또한, 미세 기공(129)의 크기는, 예를 들어 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)로부터 산출될 수 있다. 이러한 미세 기공(129)은 미세 기공체 부재(124)를 구성하는 물질의 결정립계를 따라서 형성될 수 있다.
이하에서는, 미세 기공(129)이 칼코겐 액체(182)는 통과시키지 않고, 칼코겐 기체(184)는 통과시키는 경우에 대하여 설명하기로 한다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되지 않으며, 칼코겐 액체(182)가 미세 기공(129)을 통과하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
제1 가열 부재(39, 도 7 참조)에 의하여 제1 칼코겐 소스(180)가 가열되면, 제1 칼코겐 소스(180)는 칼코겐 액체(182)로 변화될 수 있다. 예를 들어 제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄으로 구성되는 경우에는, 제1 가열 부재(39)는 셀레늄의 녹는점인 220℃ 이상 셀레늄의 끓는점인 685℃ 사이의 온도로 제1 칼코겐 소스(180)를 가열할 수 있다. 칼코겐 액체(182)는 미세 기공체 부재(124) 내의 미세 기공(129) 내로 인입될 수 있다. 그러나, 미세 기공(129)은 칼코겐 액체(182)을 통과시키지 않고, 칼코겐 액체(182)로부터 배출되는 칼코겐 기체(184)를 통과시키는 크기를 가질 수 있다. 미세 기공(129)의 반경은 기공률 원리에 의하여 구할 수 있으며, 예를 들어, 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112012050051794-pat00002
여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.
미세 기공(129)을 통과한 칼코겐 기체(184)는 대상체(170)에 접촉할 수 있고, 대상체(170) 상에 층을 형성하거나 또는 대상체(170) 내부로 확산될 수 있다. 이에 따라 제1 칼코겐 소스(180)와 대상체(170)가 제1 칼코겐 반응하여, 제1 칼코겐화된 대상체(171)가 형성될 수 있다.
제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄인 경우, 셀레늄은 단원자 기체가 아닌 2원자 기체(Se2), 4원자 기체(Se4), 6원자 기체(Se6) 또는 8원자 기체(Se8)와 같이 다원자 기체를 구성하는 경향이 강하여, 반응성이 낮을 뿐만이니라, 높은 분자량으로 인하여 확산이 활발하게 일어나지 않으므로, 이에 따라 균일한 층을 형성하기 어려운 한계가 있다. 특히 대면적 태양 전지 모듈의 제조에 적용하기 거의 불가능한 한계가 있었다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 방법은 미세 기공체 부재(124)를 사용함으로써, 상기 칼코겐 기체가 높은 분자량의 기체를 형성하는 경향을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 칼코겐 기체의 반응성을 증가시킬 수 있다. 또한, 미세 기공체 부재(124) 내의 미세 기공(129)을 통하여 칼코겐 물질을 대상체(170)에 공급하므로, 대상체(170)에 전체적으로 균일하게 상기 칼코겐 물질을 제공할 수 있다. 또한, 대상체(170)와 미세 기공체 부재(124) 사이의 이격 간격(G, 도 5 참조)은 셀레늄을 균일하게 도포할 수 있는 중요한 요소이며, 작을수록 유리하며, 약 1 mm일 수 있다.
예를 들어, 대상체(170)가 구리, 인듐, 및 갈륨을 포함하고, 제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄을 포함하는 경우에는, 제1 칼코겐 소스(180)는 대상체(170)와 셀렌화 반응을 일으킬 수 있고, 이에 따라 CIGS(Copper-Indium-Gallium-Selenium)층을 형성할 수 있다. 또한, 대상체(170)가 CIGS층을 포함하고, 제1 칼코겐 소스(180)가 황을 포함하는 경우에는, 제1 칼코겐 소스(180)는 상기 대상체와 황화 반응을 일으킬 수 있고, 이에 따라 CIGSS(Copper-Indium-Gallium-Selenium-Sulfur)층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 칼코겐 소스(180)가 셀레늄과 황의 혼합물을 포함하고, 제1 칼코겐 소스(180)가 대상체(170)와 셀렌화 반응 및 황화 반응을 동시에 일으키는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 이와 같이 칼코겐화 반응이 일어난 대상체(170)는 도 1의 광흡수층(4)으로서 사용될 수 있다.
상술한 미세 기공체 부재(124)는 제2 칼코겐 소스(190)에 대하여도 적용될 수 있다. 즉, 제2 칼코겐 소스(190)가 제2 가열 부재(49, 도 12 참조)에 의하여 액상화 및/또는 기상화되고, 미세 기공체 부재(124)의 미세 기공(129)을 통과하여, 제2 칼코겐 소스(190)와 제1 칼코겐화된 대상체(171)가 제2 칼코겐 반응하여, 제2 칼코겐화된 대상체(172)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 칼코겐화된 대상체(172)는, 예를 들어 셀렌화 처리 및 황화 처리되어 있을 수 있다. 제2 칼코겐 소스(190)가 황을 포함하는 경우에는, 미세 기공체 부재(124)의 미세 기공(129)의 반경이 상기 수학식 1에 따라 변경될 수 있다.
도 15 내지 도 18는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(10)에 포함되는 미세 기공체 부재의 일실시예들을 도시한다.
도 15를 참조하면, 미세 기공체 부재(124)는 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는 칼코겐 소스(190, 도 2 참조)로부터 기상화된 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 상기 미세 기공은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다. 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 지지 기능을 수행할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 일체형 구조체(one-body structure)로서 형성되어 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다. 이러한 경우에는, 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 모두 동일한 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 미세 기공을 포함하는 흑연으로 구성될 수 있다. 또한, 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)가 탄화 규소와 같은 물질로 피복되고, 미세 기공체 요소(124a)는 상기 물질로 피복되지 않을 수 있다.
도 16을 참조하면, 미세 기공체 부재(224)는 미세 기공체 요소(224a), 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)는 칼코겐 소스(190, 도 2 참조)로부터 기상화된 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(224a), 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(224)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 미세 기공체 요소(224a)는 돌출부(225a)를 가지고, 제2 지지요소(224c)는 돌출부(225a)가 삽입되어 결착되는 제1 홈(225c1)을 가질 수 있다. 제2 지지요소(224c)가 돌출부(225a)를 포함하고, 미세 기공체 요소(224a)가 제1 홈(225c1)을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 제2 지지요소(224c)는 하부에 제2 홈(225c2)을 포함할 수 있다. 제2 홈(225c2)에는 제1 지지요소(224b)가 삽입되어 결착될 수 있다. 제2 지지요소(224c)는 상부에 제3 홈(225c3)을 포함할 수 있다. 제3 홈(225c3)에는 제3 지지요소(224d)가 삽입되어 결착될 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 17을 참조하면, 미세 기공체 부재(324)는 미세 기공체 요소(324a), 제1 지지요소(324b), 제2 지지요소(324c), 및 제3 지지요소(324d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(324a)와 제2 지지요소(324c)는 일체형 구조체로 구성될 수 있다. 반면, 미세 기공체 요소(324a), 제1 지지요소(324b), 및 제3 지지요소(324d)는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(324)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 제2 지지요소(324c)는 하부에 제2 홈(325c2)을 포함할 수 있다. 제2 홈(325c2)에는 제1 지지요소(324b)가 삽입되어 결착될 수 있다. 제2 지지요소(324c)는 상부에 제3 홈(325c3)을 포함할 수 있다. 제3 홈(325c3)에는 제3 지지요소(324d)가 삽입되어 결착될 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)와 제2 지지요소(324c)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b)와 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 18을 참조하면, 미세 기공체 부재(424)는 미세 기공체 요소(424a), 제1 지지요소(424b), 제2 지지요소(424c), 및 제3 지지요소(424d)를 포함할 수 있다. 제1 지지요소(424b), 제2 지지요소(424c), 및 제3 지지요소(424d)는 일체형 구조체로 구성될 수 있다. 반면, 미세 기공체 요소(424a)와 상기 일체형 구조체는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(424)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 미세 기공체 요소(424a)는 돌출부(425a)를 가지고, 제2 지지요소(424c)는 돌출부(425a)가 삽입되어 결착되는 제1 홈(425c1)을 가질 수 있다. 제2 지지요소(424c)가 돌출부(425a)를 포함하고, 미세 기공체 요소(424a)가 제1 홈(425c1)을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 미세 기공체 요소(224a)와 제2 지지요소(424c)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b)와 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성된 CIGS층의 단면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성된 CIGS층의 상면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 유리(glass) 기판 상에 몰리브덴(Mo) 층을 형성하고, 상기 몰리브덴 층 상에 형성된 CIGS층을 나타낸다. 상기 CIGS층은 약 460℃에서 20분간 열처리를 수행한 후의 결과이다.
종래의 방법에 의하여 CIGS층을 형성하는 경우에는, 표면이 매우 거칠고, 미세 결정립들을 포함하고, CIGS층과 몰리브덴(Mo) 층 사이의 계면에 큰 보이드들이 형성되는 등 열악한 특성을 가지는 CIGS층이 형성되는 것이 일반적이었다.
그러나, 본 발명에 따라 제조된 CIGS층은 매우 평평한 표면을 가지고 CIGS층과 몰리브덴(Mo) 층 사이의 계면에 보이드가 거의 없으며, 조대한 결정립을 포함하는 등 우수한 특성을 가지는 CIGS층이 형성됨을 확인하였다. 이러한 구조상의 특징들은 CIGS층 전체적으로 균일하게 나타났다.
표면이 평평하고 균일한 CIGS층은 이후 형성되는 버퍼층(5, 도 1 참조)이나 상부 전극(6, 도 1 참조)과의 접촉성을 개선하여, 층 도포성을 증가시키고 및 접촉 저항을 감소시키는 등 특성을 개선할 수 있다. 또한, 입사된 태양 광의 내부로부터의 방출을 방지하거나 최소화할 수 있으므로, 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 태양 전지, 2: 기판, 3: 하부 전극, 4: 광흡수층, 5: 버퍼층,
6: 상부 전극, 7: 그리드 전극, 8: 반사 방지층,
10: 태양 전지 제조 장치, 11: 대상체 로딩부,
12: 제1 칼코겐 소스 제공부, 13: 제1 불활성 가스 분위기 형성부,
14: 제1 칼코겐화 형성부, 15: 분리부, 16: 제2 칼코겐 소스 제공부,
17: 제2 불활성 가스 분위기 형성부, 18: 제2 칼코겐화 형성부,
19: 대상체 언로딩부, 20: 이송 수단, 30: 제1 챔버,
32: 제1 진공 형성 수단, 34: 제1 불활성 가스 공급 수단,
36: 제1 인입구, 38: 제1 배출구, 39: 제1 가열 부재, 40: 제2 챔버,
42: 제2 진공 형성 수단, 44: 제2 불활성 가스 공급 수단,
46: 제2 인입구, 48: 제2 배출구, 49: 제2 가열 부재,
120: 층 형성 부재, 122: 대상체 지지 부재,
123: 칼코겐 소스 수용 부재, 124: 미세 기공체 부재,
124a: 미세 기공체 요소, 124b: 제1 지지요소, 124c: 제2 지지요소,
124d: 제3 지지요소, 126: 윈도우 부재, 128: 고정 부재,
129: 미세 기공, 170: 대상체, 171: 제1 칼코겐화된 대상체,
172: 제2 칼코겐화된 대상체, 180: 제1 칼코겐 소스,
190: 제2 칼코겐 소스

Claims (7)

  1. 대상체를 로딩하는 대상체 로딩부;
    상기 로딩부에서 이송된 상기 대상체 상에 칼코겐 소스를 위치시키고, 상기 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재를 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스 사이에 개재시키는 칼코겐 소스 제공부;
    상기 칼코겐 소스 제공부에서 이송된 상기 칼코겐 소스를 가열하여, 상기 칼코겐 소스가 상기 미세 기공체 부재의 상기 미세 기공을 통하여 상기 대상체에 도달하여 칼코겐화 반응함으로써, 칼코겐화된 대상체를 형성하는 칼코겐화 형성부;
    상기 칼코겐화 형성부에서 이송된 상기 칼코겐화된 대상체를 언로딩하는 대상체 언로딩부; 및
    상기 대상체를 상기 대상체 로딩부, 상기 칼코겐 소스 제공부, 상기 칼코겐화 형성부, 및 상기 대상체 언로딩부에 순차적으로 이송하는 이송수단;
    을 포함하고,
    상기 미세 기공체 부재에 포함된 상기 미세 기공은, 액상의 칼코겐 소스는 통과시키지 않고 기상의 칼코겐 소스는 통과시키는 크기를 가지는, 태양 전지 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼코겐 소스 제공부는 제1 칼코겐 소스를 제공하는 제1 칼코겐 소스 제공부와 제2 칼코겐 소스를 제공하는 제2 칼코겐 소스 제공부를 포함하고,
    상기 칼코겐화 형성부는 제1 칼코겐화 형성부와 제2 칼코겐화 형성부를 포함하고,
    상기 이송 수단은 상기 대상체를 상기 제1 칼코겐 소스 제공부, 상기 제1 칼코겐화 형성부, 상기 제2 칼코겐 소스 제공부, 및 상기 제2 칼코겐화 형성부에 순차적으로 이송하는, 태양 전지 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 칼코겐 소스는 셀레늄(Se)을 포함하고,
    상기 제2 칼코겐 소스는 황(Se)을 포함하는, 태양 전지 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼코겐 소스 제공부와 상기 칼코겐화 형성부 사이에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스가 불활성 가스 분위기에 위치하도록, 불활성 가스 분위기 형성하는 불활성 가스 분위기 형성부;
    를 더 포함하는, 하는 태양 전지 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재는 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연을 포함하거나 또는 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 흑연을 포함하는, 태양 전지 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재에 포함된 상기 미세 기공은, 하기의 식에 따른 반경을 가지는, 태양 전지 제조 장치.
    Figure 112013119332614-pat00003

    (여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.)
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KR20080104696A (ko) * 2007-05-29 2008-12-03 주성엔지니어링(주) 고효율 태양전지와 그 제조방법 및 이를 위한 태양전지제조장치

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