KR101439240B1 - Fabrication Method of Thin Absorber Layer of Solar Cell at Low Temperature. - Google Patents
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Abstract
Description
태양전지의 광흡수층에 있어서, PLD(Pulsed Laser Deposition) 또는 PED(Pulsed Electron Deposition) 공정을 사용하여 박막 광흡수층을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a thin film light absorbing layer using a PLD (Pulsed Laser Deposition) or PED (Pulsed Electron Deposition) process in a light absorbing layer of a solar cell.
태양전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.Solar cell is a device that converts light energy into electrical energy using the properties of semiconductor. A solar cell has a PN junction structure in which a positive (P) type semiconductor and a negative (N) type semiconductor are bonded to each other. When solar light is incident on such a solar cell, Holes and electrons are generated. At this time, the holes move toward the P-type semiconductor due to the electric field generated at the PN junction, and the electrons move toward the N-type semiconductor, and a potential is generated.
태양전지에는 크게 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다. 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양전지를 제조한 것이다. 최근 몇 년 사이에 CuInSe2로 대표되는 반도체 화합물이 현재 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 새로운 고효율의 태양전지 소재로 부각되고 있다. 여기서, CuInSe2인 반도체 화합물을 포함하는 박막 태양전지를 CuInSe2 박막 태양전지라 한다. 그리고, CuInSe2는 칼코파이라이트 (Chalcopyrite) 구조를 갖는다. CuInSe2 박막 태양전지는 밴드갭이 1.04 eV로, 태양광의 흡수에 이상적인 밴드갭인 1.4 eV보다 작다. CuInSe2 박막 태양전지의 밴드갭을 넓히기 위해, CuInSe2에 들어있는 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 한다. Solar cells can be broadly divided into substrate-type solar cells and thin-film solar cells. A substrate type solar cell is a solar cell using a semiconductor material itself such as silicon as a substrate, and a thin film type solar cell is a solar cell by forming a semiconductor layer in the form of a thin film on a substrate such as glass. In recent years, semiconductor compounds represented by CuInSe2 have emerged as new high-efficiency solar cell materials that can replace crystalline silicon solar cells currently in use. Here, a thin film solar cell including a semiconductor compound of CuInSe2 is referred to as a CuInSe2 thin film solar cell. And CuInSe2 has a chalcopyrite structure. The CuInSe2 thin film solar cell has a band gap of 1.04 eV, which is smaller than 1.4 eV, which is an ideal bandgap for solar absorption. In order to widen the bandgap of the CuInSe2 thin film solar cell, a part of In contained in CuInSe2 is replaced with Ga, and a part of Se is replaced with S.
CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조 공정이 매우 까다롭다. 물리적인 박막 제조 방법으로 동시증착법 (Coevaporation), 스퍼터링법 (Sputtering) 등이 있다. 전기화학적인 방법으로 전착법 (Electrodeposition) 등이 있다. 이 중에서 동시증착법과 스퍼터링법은 이미 상용화되어 있다. 동시증착법은 진공 챔버 내부에 각 원소를 넣고, 시료를 저항 가열하여 기판에 진공 증착시켜 CIGS박막을 제조하는 기술이다. 동시증착법은 장치 구조가 간단하여 오래 전부터 실험실에서 폭넓게 사용되어 오던 방법이다. 하지만, 동시증착법은 대면적화가 어렵고, 진공장치 내부오염이 심각하여 양질의 박막 제작이 용이하지 않은 단점이 있다.Since the CIGS thin film is a multi-component compound, the manufacturing process is very difficult. Physical thin film manufacturing methods include coevaporation, sputtering, and the like. Electrodeposition is an electrochemical method. Among these, the simultaneous vapor deposition method and the sputtering method are already commercialized. Simultaneous vapor deposition is a technique in which each element is placed in a vacuum chamber and the sample is subjected to resistance heating and vacuum evaporation on a substrate to produce a CIGS thin film. The co-deposition method has been widely used in the laboratory for a long time because of its simple structure. However, the simultaneous vapor deposition method has a disadvantage in that it is difficult to make a large area, and the contamination inside the vacuum apparatus is serious, so that it is not easy to produce a good thin film.
한편, 스퍼터링법은 비교적 장치가 간단하며 손쉽게 금속 또는 절연체를 증착할 수 있어 연구 용도뿐만 아니라 생산용으로 폭넓게 활용되고 있는 기술이다. 특히 스퍼터링법은 아르곤과 다른 혼합가스를 사용함으로써 반응이 수반되는 화합물의 증착이 가능하여 산화물 박막이나 질화물 박막등의 제작에 유용하게 사용되고 있다. 스퍼터링법은 넓은 면적의 박막을 제작할 수 있어 CIGS 태양전지 상용화에 적합한 기술로 평가되고 있다. 스퍼터링법은 상대적으로 대면적화가 용이하다는 장점은 있다. 그러나, 스퍼터링법은 양질의 박막 제작이 어려워 실제 얻어지는 에너지 변환효율의 최대값은 동시증착법에 미치지 못하고 있다.
On the other hand, the sputtering method is a relatively simple apparatus and can easily deposit a metal or an insulator, which is widely used not only for research but also for production. Particularly, the sputtering method is capable of depositing a compound accompanied by a reaction by using a mixed gas of argon and other gases, and thus is useful for manufacturing an oxide thin film or a nitride thin film. The sputtering method can be used to produce a thin film of a large area and is evaluated as a technology suitable for commercialization of CIGS solar cells. The sputtering method has an advantage in that it is relatively easy to increase the area. However, the sputtering method is difficult to produce a thin film of good quality, and the maximum value of the energy conversion efficiency actually obtained does not reach the co-deposition method.
고효율의 태양전지를 제조하기 위해서는 광흡수층의 조성을 조절하는 것이 중요하다. 하지만 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조 공정이 매우 까다롭다. 즉, 박막을 구성하는 Cu, In, Ga, Se, S의 조성을 원하는 비율로 광흡수층을 제조하는 것이 어렵다. 또한 종래의 광흡수층 제조공정은 고온의 공정을 필요로 하고 있다. 따라서 고효율을 낼 수 있는 광흡수층을 저온에서 제조하기 위해서는 열에너지 이외의 에너지원을 박막표면에 공급하는 것과 광흡수층이 목표로 하는 조성치를 갖도록 하는 제조방법이 요구된다.
In order to produce a solar cell with high efficiency, it is important to control the composition of the light absorption layer. However, since the CIGS thin film is a multi-component compound, the manufacturing process is very difficult. That is, it is difficult to produce a light absorbing layer at a desired ratio of Cu, In, Ga, Se, and S constituting the thin film. Further, the conventional process of manufacturing a light absorbing layer requires a high temperature process. Therefore, in order to produce a light absorbing layer capable of achieving high efficiency at a low temperature, it is required to supply an energy source other than thermal energy to the surface of the thin film and a manufacturing method for achieving a target composition value of the light absorbing layer.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 최종적으로 만들고 싶은 박막조성의 비율에 맞추어 타겟을 만들게 된다. 타겟은 Cu, In, Ga, Se, S 중 각각의 원소들의 혼합물, 2원계 화합물들의 혼합물, 3원계 화합물들의 혼합물, Cu-In-Ga-Se의 4원계 화합물, Cu-In-Ga-Se-S의 5원계 화합물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성할 수 있고, 조성비의 조절이 가능하게 된다. 타겟은 화합물들을 밀링 및 소결하는 방법을 사용하여 제작할 수 있고, 원하는 형태로 제작하는 것이 가능하다. In order to solve the above problems, the present invention forms a target according to the ratio of the thin film composition to be finally made. The target is a mixture of elements of Cu, In, Ga, Se and S, a mixture of binary compounds, a mixture of ternary compounds, a quaternary compound of Cu-In-Ga- S, and it is possible to control the composition ratio. The target can be produced using a method of milling and sintering the compounds, and can be manufactured in a desired shape.
원하는 조성비로 제작된 타겟에 레이저 또는 전자빔을 조사하게 되면 플라즈마가 생성되는데 레이저 또는 전자빔이 지속적으로 조사될 경우, 플라즈마와 레이저 또는 플라즈마와 전자간의 상호작용이 있을 수 있기 때문에 펄스 형태를 주로 사용하게 된다. When a laser or an electron beam is irradiated to a target having a desired composition ratio, a plasma is generated. When a laser or an electron beam is continuously irradiated, a pulse type is mainly used because plasma or laser or plasma and electrons may interact with each other .
타겟의 구성 물질들이 플라즈마화되어 이를 기판에 증착시킴으로써, 종래의 기술에 비해 상대적으로 저온에서도 타겟의 조성 그대로 기판에 CIGS 광흡수층을 증착할 수 있게 된다.The CIGS light absorbing layer can be deposited on the substrate with the target composition at a relatively low temperature as compared with the conventional technique by plasma-forming the target constituent materials and depositing the plasma on the substrate.
또한 광흡수층의 효율을 향상시키기 위해서 셀렌화 또는 황화 공정을 광흡수층 증착 공정과 동시에 또는 광흡수층 증착 공정 이후에 추가적으로 수행할 수도 있다.Further, in order to improve the efficiency of the light absorbing layer, a selenization or sulfiding step may be further performed simultaneously with the photoabsorption layer deposition process or after the photoabsorption layer deposition process.
또한 복수개의 타겟을 사용함으로써 광흡수층 내에서의 조성비를 조절할 수 있다.
Also, by using a plurality of targets, the composition ratio in the light absorbing layer can be controlled.
기판에의 왜곡 또는 변경없이 저온의 기판에서 원하는 조성비를 갖는 CIGS 광흡수층의 제조가 가능하고, 제조 공정이 간단하며, 이를 통한 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다. 또한 복수개의 타겟을 사용함으로써 광흡수층 내에서 높이에 따른 조성비를 조절하는 것이 가능하다.
It is possible to manufacture a CIGS light absorbing layer having a desired composition ratio at a low temperature substrate without distorting or changing the substrate, and the manufacturing process is simple and it is possible to increase the efficiency of the solar cell through the CIGS light absorbing layer. Also, by using a plurality of targets, it is possible to control the composition ratio according to the height in the light absorbing layer.
도 1은 본 발명인 광흡수층의 제조방법의 원리를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명인 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 3은 셀렌화 또는 황화 공정이 더 추가된 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 4는 복수개의 타겟을 사용하는 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명인 광흡수층 제조방법을 사용하여 제작하게 되는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 6은 태양전지의 구성도이다.1 is a schematic view showing a principle of a method of manufacturing a light absorbing layer of the present invention.
2 is a flowchart showing the steps of the method of manufacturing the light absorbing layer of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing steps of a method of manufacturing a light absorbing layer to which a selenization or sulfidation process is further added.
4 is a flowchart showing steps of a method of manufacturing a light absorbing layer using a plurality of targets.
5 is a flowchart showing steps of a method of manufacturing a solar cell to be manufactured using the method of manufacturing a light absorbing layer according to the present invention.
6 is a configuration diagram of a solar cell.
본 발명인 광흡수층 및 태양전지의 제조방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION One embodiment of a method of manufacturing a light absorbing layer and a solar cell according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명인 광흡수층의 제조방법의 원리를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic view showing a principle of a method of manufacturing a light absorbing layer of the present invention.
펄스화된 레이저 또는 전자빔을 타겟에 조사하였을 때 레이저의 에너지가 타겟 표면에 전달되어 타겟의 표면이 순간적으로 녹으면서 타겟의 구성 물질들이 플라즈마를 형성하게 되는데, 이를 기판에 증착시킴으로써 광흡수층을 기판에 증착하게 된다.When a pulsed laser or an electron beam is irradiated onto the target, the energy of the laser is transmitted to the target surface, and the surface of the target instantly melts, so that the constituent materials of the target form a plasma. By depositing the plasma on the substrate, Respectively.
이때, 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 사용하는 것은 타겟의 표면만 녹이고 타겟 전체의 온도를 높이지 않기 위해서, 그리고 타겟의 직각 방향으로 타원 모양의 플라즈마가 생성되는데 레이저 또는 전자빔이 펄스 형태가 아니라 지속적으로 조사될 경우, 플라즈마와의 상호작용이 있을 수 있기 때문에 펄스 형태를 주로 사용하게 된다. 타겟은 레이저 또는 전자빔 조사에 의해 조금씩 증발되기 때문에 타겟이 전체적으로 균일하게 증발되도록 하기 위해서 회전 또는 스캔이 가능하도록 되어 있다. 히터는 기판 뒤쪽에서 기판을 가열하여 반응온도를 컨트롤하게 된다. 그리고 진공챔버 내에 분위기 가스 또는 반응가스를 넣어 반응 압력을 컨트롤하게 된다. At this time, using pulsed laser or electron beam dissolves only the surface of the target and does not raise the temperature of the entire target, and an elliptical plasma is generated in the direction perpendicular to the target. The laser or electron beam is not pulsed, When irradiated, the pulse shape is mainly used because there is an interaction with the plasma. Since the target is evaporated gradually by laser or electron beam irradiation, rotation or scanning is possible so that the target is uniformly evaporated as a whole. The heater heats the substrate behind the substrate to control the reaction temperature. Then, the atmospheric gas or the reaction gas is introduced into the vacuum chamber to control the reaction pressure.
도 2는 본 발명인 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다. 광흡수층의 제조방법은 타겟을 준비하는 단계; 광흡수층을 증착할 기판을 준비하는 단계; 윈도우, 히터를 포함하여 구성되는 챔버에 상기 타겟과 상기 기판을 위치시키는 단계; 상기 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 상기 챔버 내부에 플라즈마 상태를 형성하는 단계; 상기 타겟의 이온을 기판 위에 증착하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.2 is a flowchart showing the steps of the method of manufacturing the light absorbing layer of the present invention. A method of manufacturing a light absorbing layer includes: preparing a target; Preparing a substrate on which a light absorption layer is to be deposited; Placing the target and the substrate in a chamber comprising a heater, a window, and a heater; Irradiating the target with a pulsed laser or electron beam to form a plasma state within the chamber; And depositing ions of the target on the substrate to form a light absorbing layer.
이때 타겟은 원하는 박막조성의 비율에 맞추어 제조하게 된다. 타겟은 Cu, In, Ga, Se, S 중 각각 원소들의 혼합물, 2원계 화합물들의 혼합물, 3원계 화합물들의 혼합물, Cu-In-Ga-Se의 4원계 화합물, Cu-In-Ga-Se-S의 5원계 화합물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 타겟 화합물을 밀링 및 소결하여 타겟을 제작할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 상기 타겟 화합물은 상기 In, Ga, Se은 휘발성이 높아 광흡수층에서의 함량이 낮아지는 것을 방지하기 위해서, Cu, In, Ga, Se, S의 각각의 원소 또는 그 화합물들이 목표로 하는 조성보다 더 함유되거나 덜 함유되도록 타겟을 제조할 수 있다. Se, In, Ga 등의 원소 또는 그 화합물이 높은 휘발성 때문에 박막의 온도가 높을 때 증발하여 박막에서의 함량이 낮아질 수 있기 때문에, 타겟을 제작할 때 Se, In, Ga 등의 원소 또는 그 화합물들이 더 함유된 타겟을 만들어 사용할 수 있으나, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.At this time, the target is prepared according to the ratio of the desired thin film composition. The target is a mixture of elements of Cu, In, Ga, Se and S, a mixture of binary compounds, a mixture of ternary compounds, a quaternary compound of Cu-In-Ga-Se, And a quaternary compound of the following formula (1). The target can be produced by milling and sintering the target compound, but the present invention is not limited thereto. In order to prevent the content of In, Ga, and Se in the light absorbing layer from being low due to high volatility, each of the elements of Cu, In, Ga, Se and S, Or less of the target. The element such as Se, In, Ga or the like or its compound is evaporated when the temperature of the thin film is high due to high volatility, so that the content in the thin film may be lowered. Therefore, It is needless to say that the present invention is not limited to this.
레이저는 자외선(UV)을 사용할 수 있고, 바람직하게는 266nm 이하의 파장을 가진 레이저로 증착시 박막특성이 좋아지게 되나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 단파장일수록 장파장에 비해 타겟에서 침투깊이가 작아지기 때문에, 타겟에 열을 적게 주면서도 표면만을 순간적으로 증발시킬 수 있게 되고, 단위 체적당 높은 밀도의 에너지를 공급할 수 있어서 다양한 원소들을 균일하게 증발시킬 수 있어서, 더 좋은 박막 특성을 얻을 수 있게 된다.The laser can use ultraviolet rays (UV), and preferably, the thin film characteristics are improved upon deposition with a laser having a wavelength of 266 nm or less, but it goes without saying that the present invention is not limited to this embodiment. Since the penetration depth of the target is smaller than that of the longer wavelength, the shorter the wavelength, the less the heat is applied to the target, the only the surface can be evaporated instantaneously, the higher density energy per unit volume can be supplied and the various elements can be uniformly evaporated , It is possible to obtain better thin film characteristics.
기판은 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머, 유리, 세라믹 중에서 어느 하나로 구성되는 하부기판; 니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 어느 하나를 포함하여 구성되고, 상기 하부기판 위에 스퍼터링 공정으로 형성되는 후면전극;을 포함할 수도 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.The substrate is made of any one of stainless steel, titanium, polymer, glass, and ceramic; Nickel, copper, and molybdenum, and a rear electrode formed on the lower substrate by a sputtering process. However, the present invention is not limited thereto.
챔버의 반응온도는 기존 CIGS 증착공정에 비하여 저온인 150 ~ 450℃, 압력은 0 mTorr ~ 수 Torr인 상태에서 광흡수층을 증착할 수 있다. 따라서 기판에의 왜곡 또는 변경없이 저온의 기판에서 원하는 조성비를 갖는 CIGS 광흡수층의 제조가 가능한 장점이 있다.The reaction temperature of the chamber can be lower than that of the conventional CIGS deposition process at a low temperature of 150 to 450 ° C. and a pressure of 0 mTorr to several Torr. Therefore, there is an advantage that a CIGS light absorbing layer having a desired composition ratio can be produced in a low-temperature substrate without distortion or alteration of the substrate.
타겟의 전면적에 걸쳐 균일하게 스퍼터(sputter)되도록 상기 레이저 또는 전자빔의 입사위치를 변화시키거나 또는 상기 타겟을 회전 또는 스캐닝 이동하여 광흡수층을 증착할 수 있다.The light absorption layer can be deposited by changing the incident position of the laser or the electron beam so as to be uniformly sputtered over the entire surface of the target or by rotating or scanning the target.
도 3은 셀렌화 또는 황화 공정이 더 추가된 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다. FIG. 3 is a flowchart showing steps of a method of manufacturing a light absorbing layer to which a selenization or sulfidation process is further added.
도 3a에서처럼, 타겟의 플라즈마가 기판에 증착되는 공정과 동시에 Se 또는 S을 중에서 적어도 어느 하나를 상기 기판에 추가로 공급하는 공정을 동시에 진행할 수 있다. 이때, Se을 추가로 공급하는 공정은 Se을 이용한 에퓨젼 셀(effusion cell), H2Se 가스, Se을 공급할 수 있는 여러 가지 MO(Metal Organic) 소스들 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 통해 상기 기판에 Se을 추가로 공급할 수 있다. S을 추가로 공급하는 공정은 S을 이용한 에퓨젼 셀, H2S 가스, S를 공급할 수 있는 여러 가지 MO(Metal Organic) 소스들 (예: Diethyl Sulfide(DES), CS2, Carbonyl sulfide(OCS), Thiophene, Propylene Sulfide(C3H6S), tert-butyl disulfide) 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 통해 상기 기판에 S을 추가로 공급할 수 있다.3A, at the same time as the step of depositing the plasma of the target on the substrate, at least one of Se and S may be simultaneously supplied to the substrate. At this time, the step of further supplying Se may be performed by using at least one of MOs (Metal Organic) sources capable of supplying an effusion cell using Se, H 2 Se gas, Se, Se can be additionally supplied. S can be supplied by a variety of MO (Metal Organic) sources (eg, Diethyl Sulfide (DES), CS 2 , Carbonyl sulfide (OCS), etc.) capable of supplying an effusion cell, H 2 S gas, ), Thiophene, Propylene Sulfide (C 3 H 6 S), and tert-butyl disulfide.
도 3b에서처럼 타겟의 플라즈마가 기판에 증착되는 공정을 마친 이후에 셀렌화 또는 황화 공정을 추가로 하여 광흡수층을 제조할 수 있다. As shown in FIG. 3B, after the process of depositing the plasma of the target on the substrate is completed, a light absorbing layer can be manufactured by further adding a selenization or sulfidation process.
상기 타겟은 Cu, In, Ga을 포함하여 구성되고, 상기 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 Cu, In, Ga을 기판에 증착시키고, 상기 셀렌화 또는 황화하는 공정으로 Se 또는 S을 상기 Cu, In, Ga이 증착된 층에 추가로 공급하여 광흡수층을 제조할 수도 있으나, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.The target includes Cu, In, and Ga. The target is irradiated with a pulsed laser or an electron beam to deposit Cu, In, or Ga on the substrate, and Se or S is removed from the target by selenizing or sulfiding. Cu, In, and Ga may be additionally supplied to the deposited layer to form the light absorbing layer. However, the present invention is not limited thereto.
도 4는 복수개의 타겟을 사용하는 광흡수층의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 광흡수층의 제조방법은 증착할 순서를 정하여 복수개의 타겟을 준비하는 단계; 광흡수층을 증착할 기판을 준비하는 단계; 윈도우, 히터를 포함하여 구성되는 챔버에 상기 타겟과 상기 기판을 위치시키는 단계; 정해진 순서에 따라 순차적으로 상기 복수개의 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 상기 챔버 내부에 플라즈마 상태를 형성하는 단계; 상기 각각의 타겟의 원소 또는 원소들을 기판 위에 순차적으로 증착하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지게 된다. FIG. 4 is a flowchart showing a step of manufacturing a light absorbing layer using a plurality of targets. In the method of manufacturing a light absorbing layer, a plurality of targets are prepared by determining a deposition order. Preparing a substrate on which a light absorption layer is to be deposited; Placing the target and the substrate in a chamber comprising a heater, a window, and a heater; Forming a plasma state inside the chamber by sequentially irradiating pulsed laser or electron beams to the plurality of targets in a predetermined order; And sequentially depositing the elements or elements of the target on the substrate to form a light absorbing layer.
이때, 상기 복수개의 타겟의 조성과 양을 조절하여 상기 광흡수층의 증착되는 높이에 따라 물질의 조성을 조절할 수 있게 된다. 복수개의 타겟에 있어 타겟의 갯수에는 제한이 없고, 목적에 맞게 원하는 수의 타겟을 목표로 하는 광흡수층의 조성비에 맞게 그 화합물의 조성과 양을 조절할 수 있고, 타겟을 순차적으로 기판 위에 증착시킴으로써 광흡수층이 목표로 하는 화합물 조성을 갖도록 할 수 있다. At this time, the composition and amount of the plurality of targets may be controlled to control the composition of the material according to the height of the light absorption layer. There is no limitation on the number of targets for a plurality of targets, and the composition and amount of the compound can be adjusted in accordance with the composition ratio of the light absorbing layer aimed at a desired number of targets in accordance with the purpose. By sequentially depositing the target on the substrate, The absorption layer can have a target compound composition.
복수개의 타겟은 제 2 타겟보다 Ga이 많은 제 1 타겟, 제 1 타겟보다 Ga이 적은 제 2 타겟, 제 2 타겟보다 Ga이 많은 제 3 타겟을 포함하여 구성될 수 있고, 제 1 타겟, 제 2 타겟, 제 3 타겟의 순서로 상기 타겟에 레이저 또는 전자빔을 조사하여 상기 타겟의 이온을 순차적으로 기판 위에 증착시킴으로써 광흡수층 내에 Ga 그레이딩(grading)을 줄 수 있게 된다.The plurality of targets may be configured to include a first target having Ga more than the second target, a second target having Ga less than the first target, and a third target having Ga more than the second target, The target is sequentially deposited on the substrate by irradiating the target with a laser or an electron beam in the order of the target and the third target so that Ga grading can be performed in the light absorbing layer.
본발명으로 광흡수층을 제조하게 되면, 상기 타겟의 조성과 오차범위 15% 이하의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층을 제조할 수 있게 된다.When the light absorbing layer is produced according to the present invention, it is possible to produce a CIGS light absorbing layer having a composition of the target and an error range of 15% or less.
도 5는 본 발명인 광흡수층 제조방법을 사용하여 제작하게 되는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도로서, 태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 기판 위에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 위에 본발명인 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 타겟의 이온이 증착되는 방법을 사용하여 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 전면전극을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다. 이때, 기판은 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머, 유리, 세라믹 중에서 어느 하나로 구성되는 기판을 사용할 수 있다. FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell to be manufactured using the method of manufacturing a light absorbing layer according to the present invention. Forming a back electrode on the substrate; Forming a light absorbing layer on the rear electrode by irradiating a pulsed laser or an electron beam onto the target of the present invention to deposit ions of the target; Forming a buffer layer on the light absorption layer; And forming a front electrode on the buffer layer. At this time, the substrate may be a substrate made of any one of stainless steel, titanium, polymer, glass, and ceramic.
후면전극은 니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 어느 하나를 포함하여 구성되고, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 전착법(Electrodeposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.The rear electrode includes any one of nickel, copper, and molybdenum. The rear electrode may be formed by any one of sputtering, thermal evaporation, E-beam evaporation, and electrodeposition. .
버퍼층은 ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, CdS, CdZnS, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고, 용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.The buffer layer is made of ZnS, ZnS, O, ZnS, ZnS, ZnSe, ZnSe, ZnMgO, ZnSe, ZnS, CdS, CdZnS, InSe, (CBD), an electrodeposition method, a coevaporation method, and the like, which are formed of at least one of InOH, In (OH, S), In (OOH, Atomic Layer Deposition, Chemical Vapor Deposition (CVD), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Molecular Beam Growth (MBE), Spraying, Sputtering, Atomic Layer Epitaxy, Atomic Layer Deposition And may be formed by at least one of spray pyrolysis, ILGAR (Ion Layer Gas Reaction), and laser deposition (Pulsed Laser Deposition).
전면전극은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법 (Evaporation), 전자선증착법 (E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성할 수 있다.The front electrode includes at least one of zinc oxide, gallium oxide, aluminum oxide, indium oxide, lead oxide, copper oxide, titanium oxide, tin oxide, iron oxide, tin dioxide and indium tin oxide, and is formed by RF sputtering, reactive sputtering Evaporation evaporation, E-beam evaporation, MOCVD, atomic layer epitaxy, atomic layer deposition, molecular beam epitaxy (MBE) And may be formed using any one of electrodeposition methods.
도 6는 태양전지의 구성도로서, 태양전지는 기판(100); 상기 기판(100) 위에 형성된 후면전극(200); 상기 후면전극(200) 위에 형성된 본발명인 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 타겟의 이온을 증착하는 방법을 사용하여 제조된 CIGS 광흡수층(300); 상기 광흡수층(300) 위에 형성된 버퍼층(400); 상기 버퍼층(400) 위에 형성된 전면전극(500);을 포함하여 구성하게 된다. 원하는 광흡수층(300)의 조성비를 갖는 타겟을 제작하고, 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하게 되어 발생하게 되는 플라즈마가 기판에 증착되는 원리를 사용하여 광흡수층을 제조하게 됨으로써 원하는 물질 조성의 광흡수층을 갖는 태양전지를 제작할 수 있게 된다. 태양전지의 효율은 광흡수층의 물질 조성에 따라 다르게 나타나는데, 광흡수층의 물질 조성비를 원하는 비율로 제작하게 됨으로써, 이를 통한 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.6 is a schematic view of a solar cell, which includes a
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it should be understood that various changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. Obviously, the invention is not limited to the embodiments described above. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas which fall within the scope of equivalence by alteration, substitution, substitution, Range. In addition, it should be clarified that some configurations of the drawings are intended to explain the configuration more clearly and are provided in an exaggerated or reduced size than the actual configuration.
100: 기판 200: 후면전극
300: 광흡수층 400: 버퍼층
500: 전면전극100: substrate 200: rear electrode
300: light absorbing layer 400: buffer layer
500: front electrode
Claims (22)
(i) 증착할 순서를 정하여 복수개의 타겟을 준비하는 단계;
(ii) 광흡수층을 증착할 기판을 준비하는 단계;
(iii) 윈도우, 히터를 포함하여 구성되는 챔버에 상기 타겟과 상기 기판을 위치시키는 단계;
(iv) 상기 (i) 단계의 정해진 순서에 따라 순차적으로 상기 복수개의 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 상기 챔버 내부에 플라즈마 상태를 형성하는 단계;
(v) 상기 각각의 타겟의 원소들을 기판 위에 순차적으로 증착하여 광흡수층을 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 (i) 단계의 타겟은 Cu, In, Ga, Se, S 중 각각 원소들의 혼합물, 2원계 화합물들의 혼합물, 3원계 화합물들의 혼합물, Cu-In-Ga-Se의 4원계 화합물, Cu-In-Ga-Se-S의 5원계 화합물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 타겟은 상기 In, Ga, Se의 휘발성이 높아 증착중 광흡수층에서의 함량이 낮아지는 것을 방지하기 위해서, Cu, In, Ga, Se, S의 각각의 원소 또는 그 화합물들이 목표로 하는 조성보다 더 함유되거나 덜 함유되며,
상기 복수개의 타겟은 제 2 타겟보다 Ga이 많은 제 1 타겟,
제 1 타겟보다 Ga이 적은 제 2 타겟,
제 2 타겟보다 Ga이 많은 제 3 타겟을 포함하여 구성되고,
제 1 타겟, 제 2 타겟, 제 3 타겟의 순서로 상기 타겟에 레이저 또는 전자빔을 조사하여 상기 타겟의 이온을 순차적으로 기판 위에 증착시킴으로써 광흡수층 내에 Ga 그레이딩(grading)을 주며,
상기 (iv) 단계의 레이저는 자외선(UV)인 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
In the method of manufacturing the light absorbing layer,
(i) preparing a plurality of targets by determining a deposition order;
(ii) preparing a substrate on which a light absorption layer is to be deposited;
(iii) positioning the target and the substrate in a chamber comprising a window and a heater;
(iv) sequentially irradiating pulsed laser or electron beams to the plurality of targets in accordance with the predetermined order of step (i) to form a plasma state inside the chamber;
(v) sequentially depositing the elements of the target on a substrate to form a light absorbing layer;
/ RTI >
The target of step (i) is a mixture of elements of Cu, In, Ga, Se and S, a mixture of binary compounds, a mixture of ternary compounds, a quaternary compound of Cu-In- -Ga-Se-S < / RTI >
In order to prevent the content of In, Ga, and Se in the target from being lowered in the light absorption layer during the deposition due to the high volatility of the In, Ga, and Se, each target element of Cu, In, Ga, Se, More or less contained,
Wherein the plurality of targets include a first target having a Ga larger than a second target,
A second target having Ga less than the first target,
And a third target having a larger Ga than the second target,
The method includes the steps of: irradiating the target with a laser or an electron beam in the order of a first target, a second target, and a third target to sequentially deposit ions of the target onto the substrate, thereby imparting Ga grading in the light-
Wherein the laser in step (iv) is ultraviolet (UV) light.
상기 기판은 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머, 유리, 세라믹 중에서 어느 하나로 구성되는 하부기판;
니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 어느 하나를 포함하여 구성되고, 상기 하부기판 위에 스퍼터링 공정으로 형성되는 후면전극;을 포함하고,
상기 후면전극 위에 광흡수층을 증착하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate comprises a lower substrate composed of any one of stainless steel, titanium, polymer, glass, and ceramic;
And a back electrode formed on the lower substrate by sputtering, the back electrode comprising any one of nickel, copper, and molybdenum,
And a light absorbing layer is deposited on the rear electrode.
상기 챔버의 반응온도는 150~450℃인 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction temperature of the chamber is 150 to 450 ° C.
상기 (iv) 단계는 상기 타겟의 전면적에 걸쳐 균일하게 스퍼터(sputter)되도록 상기 레이저 또는 전자빔의 입사위치를 변화시키거나 또는 상기 타겟을 회전 또는 스캐닝 이동하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (iv) comprises changing the incident position of the laser or the electron beam so as to be uniformly sputtered over the entire surface of the target, or rotating or scanning the target.
상기 (v) 단계는 Se 또는 S 중에서 적어도 어느 하나를 상기 기판에 추가로 공급하는 공정을 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (v) further includes a step of simultaneously supplying at least one of Se and S to the substrate at the same time.
상기 Se을 추가로 공급하는 공정은 Se을 이용한 에퓨젼 셀(effusion cell), H2Se 가스, MO(Metal Organic) 소스 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 통해 상기 기판에 Se을 공급하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Se is further supplied to the substrate through at least one of an effusion cell, H 2 Se gas and MO (Metal Organic) source using Se. A method of manufacturing a light absorbing layer.
상기 S을 추가로 공급하는 공정은 S을 이용한 에퓨젼 셀, H2S 가스, MO(Metal Organic) 소스 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 통해 상기 기판에 S을 공급하는 공정인 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of supplying S to the substrate is a step of supplying S to the substrate through at least one of an emulsion cell using S, a H 2 S gas, and a MO (metal organic) source, ≪ / RTI >
상기 (v) 단계 이후에,
상기 기판에 증착된 광흡수층을 셀렌화 또는 황화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
After the step (v)
And selenizing or sulfiding the light absorbing layer deposited on the substrate.
상기 타겟은 Cu, In, Ga을 포함하여 구성되고, 상기 타겟에 펄스화된 레이저 또는 전자빔을 조사하여 타겟의 원소들을 기판에 증착시키고,
상기 셀렌화 또는 황화하는 공정으로 Se 또는 S을 상기 타겟의 원소들이 증착된 층에 추가로 공급하는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The target includes Cu, In, and Ga. The target is irradiated with a pulsed laser or electron beam to deposit the target elements on the substrate,
Wherein Se or S is further supplied to the layer on which the elements of the target are deposited in the step of selenization or sulfiding.
상기 복수개의 타겟의 조성과 양을 조절하여 상기 광흡수층의 증착되는 높이에 따라 물질의 조성을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광흡수층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the composition of the material is adjustable according to the height of the light absorption layer by controlling the composition and amount of the plurality of targets.
(i) 기판을 준비하는 단계;
(ii) 기판 위에 후면전극을 형성하는 단계;
(iii) 상기 후면전극 위에 상기 제 1항, 제 5항 내지 제 12항 및 제 14항 중 어느 하나의 방법으로 광흡수층을 증착하는 단계;
(iv) 상기 광흡수층 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
(v) 상기 버퍼층 위에 전면전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
A method of manufacturing a solar cell,
(i) preparing a substrate;
(ii) forming a back electrode on the substrate;
(iii) depositing a photoabsorption layer on the back electrode by the method of any one of claims 1, 5 to 12, and 14;
(iv) forming a buffer layer on the light absorbing layer;
(v) forming a front electrode on the buffer layer;
And a second electrode formed on the second electrode.
상기 (i) 단계의 기판은 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머, 유리, 세라믹 중에서 어느 하나로 구성되는 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the substrate in step (i) is a substrate made of any one of stainless steel, titanium, polymer, glass, and ceramics.
상기 (ii) 단계의 후면전극은 니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 어느 하나를 포함하여 구성되고,
스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 전착법(Electrodeposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The rear electrode of step (ii) may include any one of nickel, copper, and molybdenum,
Wherein the second electrode is formed by any one of sputtering, thermal evaporation, E-beam evaporation, and electrodeposition.
상기 (iv) 단계의 버퍼층은 ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, CdS, CdZnS, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고,
용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The buffer layer of the step (iv) may be formed of a metal such as ZnS, ZnS, O, ZnS, And at least one of CdS, CdZnS, InSe, InOH, In (OH, S), In (OOH, S)
(CBD), Electrodeposition, Coevaporation, Sputtering, Atomic Layer Epitaxy, Atomic Layer Deposition, Chemical Vapor Deposition (CVD) (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), spray pyrolysis, ILGAR (Ion Layer Gas Reaction), and laser deposition (Pulsed Laser Deposition). Wherein the photovoltaic cell is a solar cell.
상기 (v) 단계의 전면전극은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법 (Evaporation), 전자선증착법 (E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The front electrode of the step (v) may include at least one of zinc oxide, gallium oxide, aluminum oxide, indium oxide, lead oxide, copper oxide, titanium oxide, tin oxide, iron oxide, tin dioxide and indium tin oxide,
(Eg, RF sputtering, reactive sputtering, evaporation, E-beam evaporation, MOCVD, Atomic Layer Epitaxy, Atomic Layer Deposition, A molecular beam epitaxy (MBE) method, and an electrodeposition method.
상기 제 1항, 제 5항 내지 제 12항 및 제 14항 중 어느 하나의 방법으로 제조되고,
상기 타겟의 조성과 오차범위 15% 이하의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 CIGS 광흡수층.
In the light absorbing layer,
14. A process for producing a polyurethane foam, which is produced by the process of any one of claims 1 to 12,
Wherein the CIGS light absorbing layer has a composition of the target and an error range of 15% or less.
기판;
상기 기판 위에 형성된 후면전극;
상기 후면전극 위에 형성된 상기 제 21항의 CIGS 광흡수층;
상기 광흡수층 위에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 전면전극;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.In solar cells,
Board;
A rear electrode formed on the substrate;
The CIGS light absorbing layer of claim 21 formed on the rear electrode;
A buffer layer formed on the light absorbing layer;
A front electrode formed on the buffer layer;
And a second electrode connected to the second electrode.
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