KR101403288B1 - 태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템 - Google Patents

태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지용 박막 열처리 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양 전지용 박막 열처리 시스템은 수용공간을 형성하는 챔버;와 기판이 배치되는 밀폐공간을 형성하는 케이싱;과 기판에 열을 가하는 램프;와 밀폐공간에 반응가스를 분사하는 분사부;를 포함하되, 챔버는 상부챔버; 상부챔버와 개폐가능하게 결합되는 하부챔버;를 포함하고, 케이싱은 챔버와 연동하여 개폐되는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 밀폐공간에 균일하게 반응가스를 분사하고 균일하게 열을 가함으로써, 셀레늄 및 반응가스의 확산을 통한 손실이 최소화되는 태양 전지용 박막 열처리 시스템이 제공된다.

Description

태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템{SYSTEM FOR RAPID THERMAL PROCESS OF SOLAR CELL FILMS}
본 발명은 태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 열처리 공정 중 기판에 반응가스를 분사하는 과정에서 낭비되었던 반응가스를 낭비하지 않도록 하는 급속 열처리 시스템을 제공하도록 함에 있다.
태양전지는 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 실리콘 태양전지 같은 경우 실리콘의 공급부족으로 가격이 급등하면서 박막형 태양전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 박막형 태양전지의 재료로는 비정질 실리콘과 텔루륨화카드뮴(CdTe), 구리, 인듐, 셀레나이드를 포함하는 CIS 또는 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 박막에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이 중에서 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 박막형 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 4가지 원소가 합쳐져서 구성되는 화합물 박막으로서 태양열을 받아 전류로 전환시켜주는 pn 혼합 접합구조와 박막태양전지의 특징인 집적구조를 띄고 있다. 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 태양전지는 유리기판/몰리브데넘층(MO층)/구리 인듐 갈륨 디셀레나이드층(CIGS층)/황화카드뮴(CdS)/투명전도성산화물(TCO) 투명전극층 산화아연(ZnO), 인듐, 주석 산화물(ITO)층으로 구성된다.
구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 박막형 태양전지는 우선 유리기판을 습식 세정한 후에 스퍼터링 증착으로 몰리브데넘(Mo)층을 형성한다. 이후 레이저패터닝 공정을 통해 패턴을 형성하고 그 위에 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS)층을 열증착 기술로 증착한다. 그리고 CSD(Chemical Surface Deposition)기술로 황화카드뮴(CdS)층을 성장 성막한 후 다시 기계적 패터닝 공정을 수행한다. 이후 스퍼터링 증착기술을 사용하여 투명전극 층을 증착하고 기계적 패터닝 공정을 통해 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 태양전지의 판넬이 완성된다. 순도가 높은 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 태양전지의 제조공정은 주로 클라스 10,000의 클린룸에서 수행된다.
구리-인듐-갈륨-셀레늄(Cu-In-Ga-Se)태양전지의 광흡수층의 제조방법으로는 동시증발법과 2단계공정법으로 크게 구별할 수 있다.
먼저 동시증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원을 이용해 동시에 증발시켜 고온 기판에 박막을 형성하는 방법인데 각 증발원을 독립적으로 사용하기 때문에 원소의 조성 제어가 용이해 지금까지 최고의 효율은 이 방법을 통해 만들어지고 있다. 산업화 모듈 양산에서는 박막의 대면화가 필수적인데 동시증발법은 증발원이 대면적 박막을 만들기에는 박막의 불균일도 확보문제, 기판의 처짐문제, 원소들 간의 오염문제, 증발원과 기판사이의 거리가 매우 길기 때문에 원소들의 소모량 특히, 희귀금속인 인듐(In) 소모량이 크다는 여러 가지 산업화로 진행하기에는 커다란 어려움을 가지고 있다.
다음은 프리커서(Presursor) 화학반응으로 알려진 2단계 공정법은 스퍼터링(Sputtering)을 이용하여 구리(Cu),인듐(In), 갈륨(Ga) 금속박막을 순차적으로 진공 증착한 다음 셀레늄(Se)을 진공증착한 다음 고온에서 셀레늄화수소(H2Se)가스나 황화수소(H2S)가스 분위기에서 열처리(RTP : rapid thermal process)를 함으로써 화학조성을 완성하는 것이다.
이는 셀렌화(selenization) 혹은 황화(sulfurization)라 부르며, 때로는 두 가지가 동시에 사용되기도 한다.
하지만, 종래의 태양 전지용 광흡수층 박막 급속 열처리 시스템은 증발원과 기판사이의 거리 때문에 원소들이 확산되는 범위가 넓어져 셀레늄 물질의 확산 및 반응가스의 확산을 통한 손실이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 밀폐공간의 기판에 반응가스 분사시 기판 전체에 균일하게 분사하여 기판에 반응가스를 분사하는 과정에서 낭비되었던 반응가스를 낭비하지 않는 급속 열처리 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템에 있어서, 챔버;와 상기 챔버와 기판 사이에 밀폐공간을 마련하는 케이싱;과 상기 기판에 열을 가하는 램프;와 상기 밀폐공간에 반응가스를 분사하는 분사부;를 포함하되, 상기 챔버는 상부챔버; 상기 상부챔버와 개폐가능하게 결합되는 하부챔버;를 포함하고, 상기 케이싱은 상기 챔버와 연동하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 태양 전지용 박막 열처리 시스템에 의해 달성된다.
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또한, 상기 케이싱은 상부 챔버에 결합되어 상기 상부챔버와 연동하여 동작하는 상부케이싱, 상기 상부케이싱과 대향되며, 상기 기판을 지지하는 하부케이싱, 상기 상부케이싱과 하부케이싱의 테두리를 상호 연결하며 상기 기판과 상기 상부케이싱을 이격시키는 측면케이싱을 포함하며 상기 챔버와 연동하여 개폐되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부케이싱과 상기 하부케이싱은 광투과성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 램프는 한쌍이 상기 케이싱의 상부 및 하부로부터 각각 이격되게 배치되며, 상기 밀폐공간에 배치되는 상기 기판측으로 광을 균일하게 조사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분사부는 상기 반응가스가 상기 밀폐공간 내에 균일하게 분사되도록 복수개가 측면케이싱을 따라 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 반응가스가 밀폐공간내에 균일하게 분사되도록 복수개가 측면케이싱을 따라 형성되는 분사부 및 한 쌍이 케이싱의 상부 및 하부로부터 각각 이격되게 배치되고 상기 밀폐공간에 배치되는 기판측으로 광을 균일하게 조사하는 램프에 의하여, 급속으로 온도가 상승 될 때 CIGS의 물질 중 셀레늄 물질의 확산 및 반응가스의 확산을 통한 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 기판측으로 광을 균일하게 조사하여 기판을 균일하게 열처리함으로써, CIGS 박막 성장에 필요한 요소 중 열공정의 균일성을 제공한다.
또한, 측면케이싱에 의하여, 상부케이싱과 기판을 이격시켜 기판의 변형이나 오염을 예방할 수 있다.
또한, 황(S)분위기에서 열처리를 병행하여, 표면의 밴드갭 에너지를 선택적으로 증가시켜 태양전지의 특성을 향상시킬 수 있는 태양 전지용 박막 급속 열처리 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 박막 열처리 시스템의 단면도이고,
도 2는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템에서 케이싱의 요부를 절단한 것을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 챔버가 분리된 상태를 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 챔버가 결합된 상태를 도시한 것이고,
도 5는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 분사부가 반응가스를 분사하는 것을 도시한 것이고,
도 6은 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템에서 반응가스가 분포된 밀폐공간에 램프가 광을 조사하는 것을 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 박막 열처리 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지용 박막 열처리 시스템의 단면도이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지용 박막 열처리 시스템은 수용공간을 형성하는 챔버(110)와, 기판(1)이 배치되는 밀폐공간(124)을 형성하는 케이싱(120)과, 광을 발생시켜 기판(1)에 열을 가하는 램프(130)와, 밀폐공간(124)에 반응가스를 분사하는 분사부(140)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 상방으로 개방되는 상부챔버(111)와 상부챔버(111)가 하방으로 폐쇄될 때 수용공간을 마감하는 하부챔버(112)가 개폐가능하게 결합되며, 후술할 케이싱(120), 분사부(140), 램프(130)가 마련되는 수용공간을 형성하는 부재이다.
챔버(110)는 최적의 공정조건을 유지하도록 구성되며 형태는 사각형 또는 원형의 형태로 제조될 수 있다. 또한, 챔버(110)는 반응가스의 공급을 위한 파이프가 연결되며 밀봉을 위한 구조를 가지고 있다. 또한, 챔버(110)는 스테인리스인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 상부챔버(111)는 공정진행시 하부챔버(112)의 상부에 마련되며 하부챔버(112)의 상부면에 밀착되어 공정공간을 외부로부터 폐쇄한다. 다만, 챔버의 내부를 유지보수하는 등의 경우 하부챔버(112)의 상부로부터 이탈할 수 있다.
상기 하부챔버(112)는 상부챔버(112)의 하부에 마련되며, 하부에는 지지대가 챔버(110) 내측으로 형성된다. 또한, 상기 상부챔버(112)의 하부면에 밀착되어 공정공간을 외부로부터 폐쇄한다.
도 2는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템에서 케이싱의 요부를 절단한 것을 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 케이싱(120)은 챔버(110)의 수용공간 내부에 배치되며, 밀폐공간(124)을 형성한다. 이러한 밀폐공간(124)은 공정이 수행되는 동안 내부 공간이 밀폐되도록 구성되며, 셀렌화 또는 황화 처리의 대상인 기판(1)이 배치된다. 또한, 상부케이싱(121)과 하부케이싱(122)과 측면케이싱(123)을 포함한다.
또한, 상기 케이싱(120)은 기판(1)의 파손이 방지되는 최소한의 밀폐공간(124)을 형성하며, 상술한 바와 같은 밀폐공간(124)에서 공정이 수행됨으로써, 셀레늄 및 반응가스의 확산을 통한 손실을 최소화한다.
상기 상부케이싱(121)은 상부챔버(111)와 결합되어 설치됨으로써, 상부챔버(111)가 하방으로 폐쇄되어 상부챔버(111)와 하부챔버(112)에 의해 공정이 수행되는 동안 챔버(110)와 밀폐되는 밀폐공간(124)이 형성된다.
상기 하부케이싱(122)은 상부케이싱(121)과 대향되며, 기판(1)을 지지하여 기판(1)을 상기 밀폐공간(124) 내에 배치하는 부재이다. 또한, 하부케이싱(122)의 하측에는 하부케이싱을 지지하는 지지대가 마련된다.
상기 측면케이싱(123)은 상부케이싱(121) 및 하부케이싱(122)의 테두리를 상호 연결하며 기판(1)과 상부케이싱(121)을 이격시켜 밀폐공간(124)을 마감한다. 또한, 후술한 분사부(140)가 관통되어 형성된다. 또한, 측면케이싱(123)은 스테인리스 소재로 형성될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 측면케이싱(123)을 스테인리스소재로 한정하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 상부케이싱(121) 및 하부케이싱(122)은 후술할 램프(130)에서 발산하는 광을 용이하게 투과할 수 있도록 세라믹 또는 석영 등으로 구성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 광투과성을 갖는 소재로 형성되는 것이 가능하다.
상기 램프(130)는 상기 수용공간내에 한쌍이 케이싱(120)의 상부 및 하부로부터 각각 이격되게 배치되며, 셀렌화 또는 황화 공정을 실시할 때에 기판에 균일하게 광을 조사한다. 즉, 도 5에 나타난 바와 같이, 램프(130)에서 발산하는 광이 광투과성 소재로 이루어진 케이싱(120)을 투과해 기판(1)에 열을 가함으로써 셀레늄 및 황을 증착 및 결정화시킨다. 한편, 본 실시예에서는 램프(130)를 할로겐(Halogen)으로 한정하였으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분사부(140)는 복수개가 측면케이싱(123)을 따라 형성되며, 도 1에 도시된 가스공급부를 통해 케이싱(120) 내부의 밀폐공간(124)으로 반응가스를 균일하게 공급하는 부재이다. 또한, 분사부(140)는 가스 공급 라인을 통해 가스공급부와 연결된다.
상기와 같이 구성된 본 발명태양전지용 박막 열처리 시스템의 작동에 대해 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 챔버가 분리된 상태 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 챔버(110) 내부에 제공되는 수용공간에 수용되어있는 하부케이싱(122)의 하단에 챔버(110) 내측으로 형성되는 지지대에 기판(1)을 배치한다.
여기서, 상기 기판(1)은 배면전극이 형성된 후 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 셀레늄(Se) 등을 스퍼터링(sputtring)법으로 동시에 증착하여 전구체가 형성된 기판(1)인 것이 바람직하다.
도 4는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 챔버가 결합된 상태를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 상부챔버(111)의 하면와 하부챔버(112)의 상면이 밀착되어 폐쇄되는 수용공간을 형성하고, 상부챔버(111)에 결합되는 상부케이싱(121)이 상기 상부챔버(111)와 연동하여 동작하여 상부케이싱(121)과 하부케이싱(122) 및 측면케이싱(123)에 의해 밀폐공간(124)이 형성된다.
또한, 밀폐공간(124)은 진공상태인 것이 바람직하며, 상기 상부케이싱(121)과 상기 하부케이싱(122)은 광투과성 소재로 형성된다.
또한, 밀폐공간(124)은 상부케이싱(121)과 하부케이싱(122)의 테두리를 상호 연결하는 측면케이싱(123)에 의해, 기판(1)과 상부케이싱(121) 사이가 이격되어 기판(1)의 파손 및 오염이 방지되는 최소한의 밀폐공간(124)이 형성된다.
도 5는 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템의 분사부가 반응가스를 분사하는 것을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 분사부(140)는 분사되는 반응가스를 밀폐공간(124)에 분사하며, 측면케이싱(123)을 따라 복수개로 관통되어 형성되어, 케이싱(120)의 내부에 기판이 파손되지 않는 최소한의 밀폐공간(124)에 반응가스를 균일하게 분포한다.
즉, 측면케이싱(123)을 따라 형성되어, 케이싱(120) 내부에 마련되는 기판이 파손되지 않는 최소한의 밀폐공간에(124)에 가스공급부로부터 공급되는 반응가스를 균일하게 분포함으로써, 반응가스의 확산을 통한 불필요한 손실이 최소화된다.
또한, 챔버(110)의 일측부 또는 양측부의 개폐장치(미도시)에 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 반응가스는 황화수소(H2S)가스 이며, 황(S)분위기에서 열처리 되는 것이 바람직하다.
6은 도 1의 태양전지용 박막 열처리 시스템에서 반응가스가 분포된 밀폐공간에 램프가 광을 조사하는 것을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 램프(130)는 밀폐공간(124)에 배치되는 기판측으로 광을 조사하고, 상부케이싱(121) 및 하부케이싱(122)이 광을 투과하여 기판(1)에 열을 가하게 된다.
여기서, 상기 기판(1)에 균일하게 열처리하여 구리, 인듐, 갈륨, 디셀레나이드(CIGS) 박막 성장에 필요한 요소중 열공정의 균일성을 제공한다
이때, 기판(1)에 증착된 셀레늄(Se)은 가해진 열에 의해 결정화된다.
따라서, 상술한 바와 같이 기판이 파손되지 않는 최소한의 밀폐공간(124)에 균일하게 반응가스를 분사하고 균일하게 열을 가함으로써, 셀레늄 및 반응가스의 확산을 통한 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1: 기판 110: 챔버
111: 상부챔버 112: 하부챔버
120: 케이싱 121: 상부케이싱
122: 하부케이싱 123: 측면케이싱
124: 밀폐공간 130: 램프
140: 분사부

Claims (5)

  1. 기판을 열처리하기 위한 시스템에 있어서,
    수용공간을 형성하는 챔버;
    상기 수용공간 내에 수용되며, 상기 챔버의 수용공간으로부터 밀폐되며, 상기 기판이 배치되는 밀폐공간을 형성하는 케이싱;
    상기 수용공간내에 마련되며 광을 발생시켜 상기 기판에 열을 가하는 램프;
    상기 밀폐공간에 반응가스를 분사하는 분사부;를 포함하되,
    상기 챔버는 상부챔버; 상기 상부챔버와 개폐가능하게 결합되는 하부챔버;를 포함하고, 상기 케이싱은 상기 챔버와 연동하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 태양 전지용 박막 열처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 케이싱은 상부 챔버에 결합되어 상기 상부챔버와 연동하여 동작하는 상부 케이싱; 상기 상부케이싱과 대향되며, 상기 기판을 지지하는 하부케이싱; 상기 상부케이싱과 상기 하부케이싱의 테두리를 상호 연결하며 상기 기판과 상기 상부케이싱을 이격시키는 측면케이싱;을 포함하는 태양 전지용 박막 열처리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상부케이싱과 상기 하부케이싱은 광투과성 소재로 이루어지고,
    상기 램프는 한쌍이 상기 케이싱의 상부 및 하부로부터 각각 이격되게 배치되며, 상기 밀폐공간에 배치되는 상기 기판측으로 광을 균일하게 조사하는 것을 포함하는 태양 전지용 박막 열처리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 분사부는 반응가스가 상기 밀폐공간 내에 균일하게 분사되도록 복수개가 측면케이싱을 따라 형성되는 것을 포함하는 태양 전지용 박막 열처리 시스템.
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