KR101444188B1 - Apparatus for making the photovoltaic absorber layer - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 인체에 위해한 H2Se나 가격이 높은 DESe를 사용하지 않고 순수한 셀레늄 증기를 이용한 셀렌화 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 태양전지 광흡수층 제조장치를 제공하는 것이다
본 발명의 일 관점에 따르면, 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되는 스퍼터링 타겟 및 증발기; 및 기판이 상기 챔버 내부에서 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기의 외측에 위치하도록 장착되고, 상기 기판을 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는 기판홀더를 포함하는, 태양전지 광흡수층 제조장치가 제공된다.An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer capable of efficiently carrying out a selenization process using pure selenium vapor without using H 2 Se or DESe having high price for human body
According to one aspect of the present invention, there is provided a chamber comprising: a chamber; A sputtering target and an evaporator installed inside the chamber; And a substrate holder mounted on the substrate inside the chamber so as to be positioned outside the sputtering target and the evaporator and capable of rotating and transferring the substrate so as to face the sputtering target and the evaporator, Is provided.
Description
본 발명은 태양전지 광흡수층을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 이루어진 금속 전구체에 셀레늄 증기를 공급하여 태양전지 광흡수층을 제조하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer, and more particularly, to a method of manufacturing a solar cell light absorbing layer by supplying selenium vapor to a metal precursor made of copper (Cu), indium (In) .
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI2족 황동석(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1ㅧ105㎝-1로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.In general, I-III-VI 2 group chalcopyrite compound semiconductors typified by CuInSe 2 have a direct transition type energy bandgap and a light absorption coefficient of 1 ㅧ 10 5 cm -1, which is the highest among semiconductors, It is possible to manufacture a solar cell with high efficiency even with a thin film of ~ 2 mu m, and has excellent electro-optical stability over the long term.
이로 인해 황동석계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.As a result, brass-stone compound semiconductors are being replaced by expensive crystalline silicon solar cells, which are currently in use, and they are now attracting attention as low-cost, high-efficiency solar cell materials that can dramatically improve the economics of solar power generation.
또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04eV로서 이상적인 밴드갭 1.4eV를 맞추기 위해 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)으로, 셀레늄(Se)의 일부를 황(S)으로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6eV, CuGaS2는 2.5eV이다.CuInSe 2 has a band gap of 1.04 eV and substitutes a part of indium (In) with gallium (Ga) and a part of selenium (Se) with sulfur (S) in order to match an ideal band gap of 1.4 eV. the band gap of CuGaSe 2 is 1.6eV, CuGaS 2 is 2.5eV.
인듐의 일부를 갈륨으로 대체한 사원화합물을 CIGS로 표기하며, 셀레늄의 일부를 황으로 대체한 오원화합물은 CIGSS[Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기하는데, 이하에서는 사원화합물을 CIGS로 정의한다.The pentavalent compound in which a part of indium is replaced with gallium is denoted by CIGS and the pentavalent compound in which a part of selenium is replaced by sulfur is represented by CIGSS [Cu (In x Ga 1-x ) (Se y S 1-y ) 2 ] Hereinafter, the temple compound is defined as CIGS.
CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성은 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 입증된 바 있다.Long-term reliability, one of the advantages of solar cells using CIGS as a light absorbing layer, has been proven to be unchanged after 10 years of long-term outdoor testing of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) in the United States,
초기에 광흡수층으로 사용된 삼원화합물인 CuInSe2는 에너지 밴드갭이 1.04 eV로 단락전류는 높으나, 개방전압이 낮아 높은 효율을 얻을 수 없었다. 따라서, 현재에는 개방전압을 높이기 위해 CuInSe2의 인듐 일부를 갈륨으로 대치하거나 셀레늄를 황으로 대치하는 방법을 사용하고 있다. CuGaSe2는 밴드갭이 약 1.5eV로 갈륨이 첨가된 Cu(InxGa1-x)Se2 화합물 반도체의 밴드갭은 갈륨 첨가량에 따라 조절이 가능하다.Initially, CuInSe 2, which is a trivalent compound used as a light absorbing layer, had an energy band gap of 1.04 eV and a short circuit current, but the open circuit voltage was low and high efficiency could not be obtained. Therefore, in order to increase the open-circuit voltage, a method in which a part of indium of CuInSe 2 is replaced with gallium or a method of replacing selenium with sulfur is used. CuGaSe 2 has a bandgap of about 1.5 eV and the band gap of gallium-doped Cu (In x Ga 1-x ) Se 2 compound semiconductor can be controlled by the amount of gallium added.
그러나 광흡수층의 에너지 밴드갭이 클 경우 개방전압은 증가하지만, 오히려 단락전류가 감소하므로 갈륨의 적정한 함량조절이 필요하다. 이와 같이 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다.However, when the energy bandgap of the light absorbing layer is large, the open-circuit voltage is increased, but the short-circuit current is reduced. Since the CIGS thin film is a multi-component compound, the manufacturing process is very difficult.
광흡수층인 CIGS 박막의 물리적인 제조방법으로는 증발법, 스퍼터링 후 셀렌화하는 방법(스퍼터링+셀렌화 방법)이 있으며, 화학적인 방법으로는 전기도금 등이 있고, 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다. 이 밖에도 기존의 물리적 및 화학적 박막 제조법과는 달리 몰리브덴(Mo) 기판 위에 나노 크기의 입자(분말, 콜로이드 등)를 합성하고 이를 용매와 혼합하여 스크린프린팅, 반응소결시켜 광흡수층을 제조하는 공정도 사용할 수 있다. As physical methods for producing the CIGS thin film as the light absorbing layer, there are evaporation method and selenization method after sputtering (sputtering + selenization method), and chemical methods include electroplating and the like. , A binary compound, etc.). In addition, unlike conventional physical and chemical thin film fabrication methods, nano-sized particles (powders, colloids, etc.) are synthesized on molybdenum (Mo) substrate and mixed with solvent, screen printing, reaction sintering .
스퍼터링+셀렌화 방법은 스퍼터링법으로 구리, 인듐 및 갈륨으로 이루어진 금속전구체 박막을 형성한 후 셀레늄 분위기 하에서 열처리를 수행하여 방법이다. 이때, 셀렌화를 위한 열처리는 일반적으로 희석된 H2Se 가스를 사용하여 450~500℃의 온도에서 이루어진다. 이때, 셀렌화를 위한 열처리 방법은 일반적으로 희석된 H2Se가스를 사용하여 450~500℃의 온도에서 이루어진다. In the sputtering + selenization method, a metal precursor thin film composed of copper, indium, and gallium is formed by a sputtering method, and then heat treatment is performed in a selenium atmosphere. At this time, the heat treatment for selenization is generally performed at a temperature of 450 to 500 ° C using diluted H 2 Se gas. At this time, the heat treatment method for selenization is generally carried out at a temperature of 450 to 500 ° C using diluted H 2 Se gas.
종래의 셀렌화를 위한 열처리 방법은 H2Se의 유독성 및 부식성으로 인해 사용상 주의가 요구되며, 특수한 폐가스 처리장치 설치에 따른 추가비용이 발생하는 단점을 안고 있다. H2Se를 대체할 수 있는 셀레늄 공급원으로는 순수한 셀레늄 증기, 다이에틸셀레나이드(diethylselenide, DESe)를 사용할 수도 있으나, 셀레늄 증기는 매우 낮은 반응성으로 인해 높은 셀렌화 온도를 필요로 하는 단점을 지니고 있고, DESe는 H2Se보다 우수한 반응성을 가지고 있으나, 아직까지는 연구개발용에 한정되어 있으며, 인체유해성에 대한 논란이 아직 검증되지 않고 있다. 따라서 보다 안전하고 효율적인 CIGS 박막 제조방법의 개발이 절실한 실정이다. Conventional heat treatment methods for selenization are required to pay attention to use due to toxicity and corrosiveness of H 2 Se, and there is a disadvantage that additional expenses are incurred due to installation of a special waste gas treatment device. Pure selenium vapor, diethylselenide (DESe), may be used as a selenium source that can replace H 2 Se, but selenium vapor has a disadvantage of requiring a high selenization temperature due to its very low reactivity , DESe has better reactivity than H 2 Se, but it is still limited to research and development, and the controversy over human hazards has not yet been verified. Therefore, it is inevitable to develop a more safe and efficient CIGS thin film manufacturing method.
본 발명의 목적은 인체에 위해한 H2Se나 가격이 높은 DESe를 사용하지 않고 순수한 셀레늄 증기를 이용한 셀렌화 공정을 효율적으로 수행할 수 있는 태양전지 광흡수층 제조장치를 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer capable of efficiently performing a selenization process using pure selenium vapor without using H 2 Se or DESe having high price for human body. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 관점에 따르면, 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되는 스퍼터링 타겟 및 증발기; 및 기판이 상기 챔버 내부에서 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기의 외측에 위치하도록 장착되고, 상기 기판을 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는 기판홀더를 포함하는 태양전지 광흡수층 제조장치가 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a chamber comprising: a chamber; A sputtering target and an evaporator installed inside the chamber; And a substrate holder mounted on the substrate inside the chamber so as to be positioned outside the sputtering target and the evaporator and capable of rotating and transferring the substrate so as to face the sputtering target and the evaporator, Can be provided.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판이 내측에 장착되고, 상기 기판을 회전시킬 수 있는 기판홀딩챔버; 및 상기 기판홀딩챔버 내부에서 상기 기판에 대향될 수 있도록 고정되어, 상기 기판홀딩챔버의 회전을 허용하는 스퍼터링 타겟 및 증발기를 포함하는 태양전지 광흡수층 제조장치가 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a substrate holding apparatus comprising: a substrate holding chamber on which a substrate is mounted, the substrate holding chamber being capable of rotating the substrate; And a sputtering target fixed to the substrate holding chamber so as to be opposed to the substrate and allowing rotation of the substrate holding chamber, and an evaporator.
상기 기판홀더는, 링 또는 드럼 형상을 가지고, 회전할 수 있도록 설치되는 회전부재; 상기 회전부재의 내주면에 상기 기판이 장착될 수 있도록 마련되는 장착부; 및 상기 회전부재를 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.The substrate holder may include a rotary member having a ring or a drum shape and installed so as to be rotatable; A mounting portion provided on an inner circumferential surface of the rotating member so as to mount the substrate; And a rotation driving unit for rotating the rotary member.
상기 기판홀딩챔버는, 드럼 형상을 가지고, 회전할 수 있도록 설치되는 회전챔버; 상기 회전챔버의 내주면에 상기 기판이 장착될 수 있도록 마련되는 장착부; 및 상기 회전챔버를 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.Wherein the substrate holding chamber comprises: a rotating chamber having a drum shape and installed to be rotatable; A mounting portion provided on the inner circumferential surface of the rotary chamber so as to mount the substrate; And a rotation driving unit for rotating the rotation chamber.
상기 스퍼터링 타겟은 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The sputtering target may include at least one of a copper-indium-gallium alloy target, a copper-gallium alloy target, a copper-indium alloy target, a copper target, and an indium target.
상기 스퍼터링 타겟은 복수 개로 이루어지고, 상기 증발기와 함께 타겟홀더의 둘레를 따라 이격되도록 설치될 수 있다.The sputtering target may include a plurality of sputtering targets, and may be installed to be spaced along the circumference of the target holder together with the evaporator.
상기 증발기는 셀레늄을 증발시킬 수 있다.The evaporator can evaporate selenium.
상기 기판을 가열할 수 있는 가열기를 더 포함할 수 있다.And a heater capable of heating the substrate.
상기 가열기는 상기 기판이 상기 증발기에 대향될 때 상기 기판을 가열할 수 있도록 설치될 수 있다.The heater may be installed to heat the substrate when the substrate is opposed to the evaporator.
상기 가열기는 상기 기판이 장착되는 장착부에 설치될 수 있다.The heater may be installed in a mounting portion on which the substrate is mounted.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치에 의하면, 유독성과 인체유해성이 심각한 부식성 기체인 H2Se를 사용하는 대신 셀레늄을 이용하여 효율적으로 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있으며, 소면적 기판을 이용해 개발된 공정기술을 대면적 기판에 그대로 적용할 수 있고, 셀렌화 공정에 의한 태양전지 광흡수의 양산화에 적용할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to an embodiment of the present invention, a CIGS light absorbing layer can be efficiently formed using selenium instead of using H 2 Se, which is a corrosive gas having serious toxicity and human harmfulness, The process technology developed using the substrate can be directly applied to a large area substrate and can be applied to the mass production of solar cell light absorption by the selenization process. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치의 증발기를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치에 의한 CIGS 광흡수층의 제조과정을 단계별로 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 도시한 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 이용하여 제조된 금속전구체층을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치를 이용하여 제조된 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지를 도시한 단면도이다. 1 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating an evaporator of an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to a first embodiment of the present invention.
3A to 3D are schematic views showing steps of manufacturing a CIGS light absorbing layer by a solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to a second embodiment of the present invention.
5 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to a third embodiment of the present invention.
6 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to a fourth embodiment of the present invention.
7A to 7C are cross-sectional views illustrating a metal precursor layer manufactured using the apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to the present invention.
8 is a cross-sectional view illustrating a solar cell including a CIGS light absorbing layer manufactured using the apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer according to the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.
도 1에는 본 발명의 제1실시예를 따르는 태양전지 광흡수층 제조장치(100)의 평면도가 도시되어 있다. 1 is a plan view of an
도 1을 참조하면, 태양전지 광흡수층 제조장치(100)는 챔버(110)와, 챔버(110) 내부에 설치되는 금속전구체층 및 셀레늄의 증착원으로서 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)를 구비한다. 또한 챔버(110) 내부에는 기판(1)을 장착할 수 있으며, 장착된 기판(1)을 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는 기판홀더(140)가 구비된다. 1, a solar cell light absorbing
챔버(110)는 진공펌프(미도시)와 연결되어 있으며, 진공펌프에 의해 펌핑된 후 적정수준의 진공도를 유지할 수 있다. The
스퍼터링 타겟(121, 122, 123)은 기판(1)에 광흡수층의 금속전구체 박막을 스퍼터링에 의해 증착하기 위한 증착원으로서, 금속전구체를 구성하는 금속원소로 이루어질 수 있고, 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 복수 개로 이루어질 수 있는데, 일례로서 인듐 타겟과 구리-갈륨 합금 타겟으로 이루어질 수 있다. 이때 인듐 타겟 및 구리-갈륨 합금 타겟 중 어느 하나는 복수 개로 구비될 수 있다. The sputtering targets 121, 122 and 123 are evaporation sources for depositing a thin film of a metal precursor of a light absorbing layer on the
스퍼터링 타겟(121, 122, 123)은 복수 개로 이루어지는 경우, 본 실시예에서처럼 증발기(130)와 함께 타겟홀더(124)의 둘레를 따라 이격되도록 설치될 수 있다. When a plurality of sputtering targets 121, 122, and 123 are formed, the
여기서 타겟홀더(124)는 일례로서 링 또는 드럼 형상을 가질 수 있고, 지면에 수직한 방향으로 길이방향이 연장되도록 배치된다. 그 외주면에 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)과 증발기(130)가 직접 장착되거나, 별도의 브라켓이나 홀더를 이용하여 장착되거나, 홈이나 돌기 등의 결합 구조를 통해 장착될 수 있다. 또한 타겟홀더(124)는 내부에 펌프(pump)나 파워서플라이(power supply) 등의 장치가 설치되기 위한 서비스 룸(service room)으로서의 역학을 할 수 있다.Here, the
도 1에 도시된 바와 같이, 스터퍼링 타겟(121, 122, 123)은 복수 개로서, 서로 이격되어 배치되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 하나의 타겟으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스터퍼링 타겟이 구리-인듐-갈륨 합금 타겟인 경우에는 도 1의 챔버(110) 내 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 중 어느 하나만 구비되어 있어도 무방하다.As shown in FIG. 1, a plurality of
증발기(130)는 장착된 물질을 가열하여 증발시킬 수 있는 증착원으로서, 구체적으로 증발물질을 장입하는 부분과 증발물질을 가열할 수 있는 가열장치를 구비할 수 있다. 예를 들어, 증발기(130)로는 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta) 등과 같은 내화금속으로 이루어진 보트 또는 도가니 등이 이용될 수 있다. 또한 증발기(130)는 증발물질을 전자빔으로 가열하여 증발시킬 수 있으며, 이때 증발물질로서 셀레늄이 이용됨으로써 셀레늄을 증발시킬 수 있고, 본 실시예에서처럼 타겟홀더(124)에 장착되거나, 타겟홀더(124)가 아닌 챔버(110) 내부에 고정될 수 있다.The
도 2에 도시된 바와 같이, 증발기(130)는 몸체(131) 내에 증발물질이 장입되는 공간이 제1격판(132)에 의해 구획되고, 가열장치(미도시)로부터 공급되는 열에 의해 증발물질이 기화되어 제1및 제2격판(132, 133) 사이의 통로를 통해 이동하여 토출구(134)를 통해서 토출되고, 토출된 증기가 몸체(131)의 외측에 마련되는 가이드판(135; 도 1에 도시)에 의해 가이드되어 기판(1)에 도달하도록 한다.2, a space in which the evaporation material is charged in the
증발기(130)는 일례로 본 실시예에서처럼 측방향으로 증기를 토출하도록 구성되어지는데, 이는 기판홀더(140)가 회전에 유리하도록 그 회전중심을 이루는 축이 수직축이기 때문이나, 이에 한하지 않고, 기판홀더(140)의 회전중심을 이루는 축이 수평축일 경우에는 상측 또는 하측에 대향되도록 설치된 기판(1)을 향해서 증기를 토출시키도록 토출구(134)가 상방향 또는 하방향으로 형성될 수 있다.The
기판홀더(140)는 기판(1)이 챔버(110) 내부에 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)의 외측에 위치하도록 장착되고, 기판(1)을 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는데, 본 실시예에서처럼 회전부재(141)와 장착부(142)를 포함할 수 있다.The
회전부재(141)는 양측이 개방된 링(ring) 형상 또는 일측이나 양측이 막힌 드럼(drum) 형상을 가질 수 있고, 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)의 외측에 위치할 수 있으며, 장착부(142)에 의해 기판(1)을 장착한 상태에서 회전할 수 있는 구성을 가지게 된다. 이를 위해 일례로 챔버(110) 내에서 회전중심과 동축을 이루도록 마련되는 축부재와 이러한 축부재에 개재되어 축부재를 회전 지지하는 베어링 등을 이용하여 회전운동할 수 있도록 설치될 수 있으며, 지면에 수직을 이루는 축을 중심으로 회전하도록 설치되거나, 지면에 수직 내지 경사를 이루는 축을 중심으로 회전하도록 설치될 수 있으며, 시계방향은 물론 반시계방향으로 회전운동할 수 있다. 또한 회전부재(141)는 그 회전중심을 이루는 축이 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)과 증발기(130)의 배열 중심과 일치하도록 챔버(110) 내부에 설치될 수 있다.The
회전부재(141)는 단면이 원형인 부재로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 기판(1)이 장착된 상태에서 기판(1)을 회전운동을 시킬 수 있다면, 그 단면이 삼각형, 사각형 등과 같은 다각형이거나 그 외의 다른 형상을 가지더라도 무방하다. However, the present invention is not limited to this, and if the
장착부(142)는 회전부재(141)의 내주면에 기판(1)이 장착될 수 있도록 마련되고, 단일로 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서처럼 내주면을 따라 간격을 두고서 복수 개로 마련될 수 있고, 복수 개로 마련되는 경우 전부에 기판(1)이 장착되거나, 도 3a 내지 도 3d에서와 같이 일부에 기판(1)이 장착될 수 있으며, 일례로, 기판(1)을 진공으로 척킹하거나, 클램프에 의해 기계적으로 클램핑할 수 있으며, 이 밖에도 기판(1)이 슬라이딩 결합되는 구조를 비롯하여 다양한 결합 구조에 의해 장착될 수 있다. The mounting
기판홀더(140)는 회전부재(141)의 회전을 위하여 회전구동부(143)가 마련될 수 있는데, 이러한 회전구동부(143)는 챔버(110) 내부에 설치되거나, 챔버(110) 외부에 설치되어 챔버(110) 내부의 회전부재(141)에 연결될 수 있으며, 챔버(110)의 외부에 설치되어 챔버(110)의 내부까지 도달하는 경우 챔버(110)의 통과부위에 진공의 누설을 방지하기 위한 실링부재 등으로 기밀 유지가 가능하도록 한다. 또한 회전구동부(143)는 일례로서 모터에 의해 회전하는 피니언이 회전부재(141)의 외주면이나 축에 마련되는 기어에 기어 결합됨으로써 회전부재(141)를 회전시킬 수 있도록 하거나, 다른 예로서 모터에 의해 회전하는 구동풀리와 회전부재(141)의 외주면이나 축에 마련되는 피동풀리를 벨트로 연결함으로써 회전부재(141)를 회전시킬 수 있도록 하거나, 이 밖에도 모터의 회전력을 다양한 회전력전달부재에 의해 회전부재(141)에 제공함으로써 회전부재(141)를 회전시킬 수 있도록 한다. The
도 1에 도시된 바와 같이, 기판홀더(140)에 장착된 기판(1)은 기판홀더(140)의 회전운동, 구체적으로 회전부재(141)의 회전운동 중에 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130) 중 어느 하나와 대향되는 위치에 놓일 수 있다. 이때 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 각각은 챔버(110) 내부의 중심에 위치하는 타겟홀더(124)에 장착되고, 단일 원의 원주를 따라 소정의 각도를 가지도록 이격 배치될 수 있으며, 회전하는 기판(1)의 회전중심을 기준으로 소정의 각도를 가지도록 이격 배치될 수 있고, 일례로 본 실시예에서처럼 증발기(130)와 함께 90도의 각도를 이루도록 이격 배치될 수 있다. 예컨대, 타겟홀더(124)에서 일측벽에 스퍼터링 타겟(121)이 설치되고, 이러한 스퍼터링 타겟(121)에 대해서 반시계 방향으로 90도 회전 이격된 위치에 스터퍼링 타겟(122)이 설치되며, 이러한 스퍼터링 타겟(122)으로부터 반시계 방향으로 90도 회전 이격된 위치에 스퍼터링 타겟(123)이 설치될 수 있으며, 이러한 스퍼터링 타겟(123)으로부터 반시계 방향으로 90도 회전 이격된 위치에 증발기(130)가 설치될 수 있다. 1, the
기판홀더(140)에서 회전부재(141)는 원형 단면을 가진 링 형상 또는 드럼 형상으로 이루어져서 그 중심축이 챔버(110)의 중앙에 위치할 수 있게 됨으로써, 회전부재(141)의 중심축으로부터 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)에 이르는 거리는 모두 동일하게 될 수 있다. 따라서 기판홀더(140)에 장착된 기판(1)이 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)에 대향되는 경우, 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)부터 기판(1)에 이르는 거리가 동일하게 될 수 있다.In the
챔버(110) 내부에는 기판(1)을 가열시킬 수 있는 가열기(150)가 설치될 수 있는데, 본 실시예에서처럼 가열기(150)는 기판(1)이 증발기(130)에 대향될 때 기판(1)을 가열할 수 있도록 설치될 수 있으며, 일 예로서 할로겐 램프일 수 있고, 가열효과를 향상시키기 위해 반사판(151)이 더 구비될 수 있고, 그 밖에 열의 공급이 가능한 다양한 히팅부재가 사용될 수 있다. A
도 4에는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(200)가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(200)는 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(100)에서와 같이, 챔버(210), 스퍼터링 타겟(221, 222, 223), 증발기(230), 그리고 기판홀더(240)를 포함할 수 있다. 스퍼터링 타겟(221, 222, 223)은 타겟홀더(224)에 장착될 수 있으며, 기판홀더(240)는 회전부재(241), 장착부(242) 그리고 회전구동부(243)를 포함할 수 있는데, 본 실시예에서는 가열기(250)가 기판홀더(240)에서 기판(1)이 장착되는 장착부(242) 각각에 설치될 수 있다. 따라서, 가열기(250)로부터 공급되는 열이 장착부(242)에 장착된 기판(1)으로 전달될 수 있다.4 shows an
도 5에는 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(300)가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(300)는 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(100)에서와 같이, 스퍼터링 타겟(321, 322, 323) 및 증발기(330)를 포함하고, 스퍼터링 타겟(321, 322, 323)은 타겟홀더(324)에 장착될 수 있는데, 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(100)의 챔버(110)와 기판홀더(140)를 대신하여 기판홀딩챔버(310)를 포함할 수 있다.5 shows an
본 실시예에서 기판홀딩챔버(310)는 기판(1)이 내측에 장착되고, 기판(1)을 회전시킬 수 있도록 하는데, 이때 스퍼터링 타겟(321, 322, 323)과 증발기(330)는 기판홀딩챔버(310) 내부에서 기판(1)에 대향될 수 있도록 고정되되, 기판홀딩챔버(310)의 회전을 허용함으로써 기판홀딩챔버(310)의 회전에도 불구하고 설치된 자세나 위치를 유지하도록 고정될 수 있다.In this embodiment, the
기판홀딩챔버(310)는 일례로 양측이 막힌 드럼 형상을 가지고, 회전할 수 있도록 설치되는 회전챔버(311)와, 회전챔버(311)의 내주면에 기판(1)이 장착될 수 있도록 마련되는 장착부(312)와, 회전챔버(311)를 회전시키는 회전구동부(313)를 포함할 수 있는데, 회전챔버(311)는 외부로부터 진공이 공급되어 원하는 진공압을 유지할 수 있다. 또한 장착부(312)와 회전구동부(313)는 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(100)의 장착부(112)와 회전구동부(113)에서 설명한 바와 같다.The
도 6에는 본 발명의 제4실시예에 따르는 태양전지 광흡수층 제조장치(400)가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(400)는 제3실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(300)에서와 같이, 기판홀딩챔버(410), 스퍼터링 타겟(421, 422, 423), 그리고 증발기(430)를 포함할 수 있고, 나아가서, 스퍼터링 타겟(421,4 422, 423)은 타겟홀더(424)에 장착될 수 있으며, 기판홀딩챔버(410)는 회전챔버(411), 장착부(412) 그리고 회전구동부(413)를 포함할 수 있는데, 본 실시예에서는 가열기(450)가 기판홀딩챔버(410)에서 기판(1)이 장착되는 장착부(412) 각각에 설치될 수 있다. 따라서, 가열기(450)로부터 공급되는 열이 장착부(412)에 장착된 기판(1)으로 전달될 수 있다.6 shows an
이러한 본 발명의 실시예를 따르는 장치들을 사용할 시, 기판(1)이 장착된 기판홀더(140, 240) 또는 기판홀딩챔버(310, 410)의 회전운동을 반복함으로써 다양한 조성 및 두께의 태양전지 광흡수층을 제조할 수 있다. When the devices according to the embodiment of the present invention are used, the rotation of the
도 3a 내지 도 3d에는 도 1에 도시된 장치를 이용하여 광흡수층을 제조하는 과정을 단계별로 나타낸 것이다. 설명의 편의를 위해 제1실시예에 따른 태양전지 광흡수층 제조장치(100)를 예로 들어 설명하고, 기판홀더(140)에 하나의 기판(1)을 장착한 경우에 대해서 기술하기로 한다. 이때 스퍼터링 타겟(121, 122, 123)은 2개의 인듐 타겟과 하나의 구리-갈륨 합금 타겟일 수 있다. 인듐이 포함된 금속전구체 박막의 경우, 인듐이 쉽게 뭉치는 특성을 가지고 있으므로, 섬(island) 모양의 표면 형상이 생성되기 쉽다. 이러한 금속전구체 박막은 셀렌화 후에도 그 형상이 그대로 유지되기 때문에 균일한 CIGS 광흡수층 박막을 얻기가 어려운 문제가 있다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하고 매끈한 표면 형상을 얻기 위해 인듐층을 여러 단계로 나눠서 증착하는 방법을 선택할 수 있다. FIGS. 3A to 3D illustrate steps of fabricating a light absorbing layer using the apparatus shown in FIG. For convenience of explanation, the solar cell light absorbing
이를 위해, 복수 개의 인듐 타겟을 타겟홀더(124)에 설치할 수 있으며, 예를 들어 도 3a 내지 도 3d에서와 같이, 타겟홀더(124)의 좌측과 우측에 제1인듐 타겟(121) 및 제2인듐 타겟(123)이 각각 설치될 수 있고, 타겟홀더(124)에서 제1인듐 타겟(121)과 제2인듐 타겟(123) 사이에 구리-갈륨 합금 타겟(122)이 설치될 수 있다. 이때 구리-갈륨 합금 내 갈륨은 24중량%를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 갈륨의 중량%는 태양전지의 설계에 따라 달라질 수 있다.For this purpose, a plurality of indium targets may be provided in the
한편, 셀렌화를 위해 금속전구체 상에 금속 셀레늄을 직접 증발할 수 있으며, 이를 위해 증발기(130)에는 증발물질인 셀레늄을 준비한다. On the other hand, metal selenium can be directly evaporated on the metal precursor for selenization. For this purpose, selenium, which is an evaporation material, is prepared in the
도 7a를 참조하면, 태양전지 광흡수층을 제조하기 위해 기판(1)이 제공된다. 기판으로는 유리가 사용된다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며, 유리 이외에도 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리기판으로는 소다회 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있다. 그 밖에 폴리이미드(polyimide)와 같은 유연성 있는 고분자 재질이나 스테인레스 스틸 박판 등도 기판으로 사용될 수 있다. 유리기판은 아세톤 및 메탄올로 각각 10분간 초음파 세척 후 증류수로 충분히 세척하여 준비한다. Referring to Fig. 7A, a
그런 다음, 유리기판 상에 배면전극(200)으로서 몰리브덴(Mo) 박막을 형성한다. 배면전극(200)으로 사용되는 몰리브덴 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 점착성이 우수하여야 한다. 이러한 몰리브덴 박막은 DC 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다. 몰리브덴 박막은 1㎛의 두께로 형성시킬 수 있다. 이때 1㎛의 두께는 본 실시예에서 제시하는 하나의 예일 뿐이며, 사용자의 박막 제조공정에 따라서 더 얇거나, 더 두꺼울 수 있다. 이러한 몰리브덴(Mo)을 배면전극으로 사용하는 경우, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, CIGS 광흡수층와의 오믹 접합(Ohmic contact), 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성 등으로 인해 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 배면전극의 다른 예로서 몰리브덴(Mo) 이외에 니켈(Ni) 및 구리(Cu)등이 이용될 수 있다.Then, a molybdenum (Mo) thin film is formed as a
그런 다음, 배면전극(200)이 형성된 기판(1)을 기판홀더(140)의 장착부(142) 상에 장착한다. 이때 기판홀더(140)를 적절히 조절하여 기판(1)이 제1인듐 타겟(121)에 대향되도록 한다(도 3a). 기판(1)의 장착이 완료되면, CIGS 광흡수층 제조를 시작한다. Then, the
우선, 제1인듐 타겟(121)으로 인듐을 스퍼터링하여 기판(1)상에 제1인듐층을 증착한다. 이때 스퍼터링을 위해 제1인듐 타겟(121)에는 DC 전력 또는 RF(radio frequency) 전력을 공급할 수 있으며, 이는 다른 타겟에 대해서도 마찬가지이다. First, a first indium layer is deposited on the
제1인듐층의 증착이 완료되면, 기판홀더(140)를 반시계 방향으로 90도 회전시켜 제1인듐층이 증착된 기판(1)을 구리-갈륨 합금 타겟(122)과 대향되도록 배치한 후, 구리-갈륨 합금 타겟을 스퍼터링하여 제1인듐층 상에 구리-갈륨 합금층을 증착한다(도 3b).After the deposition of the first indium layer is completed, the
같은 방식으로 기판홀더(140)를 90도 회전시켜 기판(1)을 제2인듐 타겟(123)에 대향되도록 배치시킨 후 제2인듐 타겟(123)을 스퍼터링하여 제1인듐층/구리-갈륨 합금층/제2인듐층의 순서를 가지는 적층 구조를 형성한다(도 3c).The
이때 이러한 일련의 증착과정은 상온에서 이루어져도 무방하며, 제1인듐층/구리-갈륨 합금층/제2인듐층으로 적층될 경우, 상온에서도 쉽게 Cu11(In,Ga)9 등과 같은 구리-인듐-갈륨(Cu+In+Ga)으로 이루어진 금속전구체층을 형성할 수 있다(도 7a의 301).At this time, a series of deposition processes such shall also mubang made at room temperature, a first indium layer / copper-gallium alloy layer / second when stacked in the second indium layer, copper, such as in easy Cu 11 (In, Ga) 9 temperature-indium - a metal precursor layer made of gallium (Cu + In + Ga) can be formed (301 in FIG. 7A).
본 실시예에서 금속전구체층(301)의 두께는 약 50nm 정도 일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 흡수층의 두께에 대한 설계에 따라 더 두껍거나 얇게 해도 무관하다. In this embodiment, the
상기와 같은 방식으로 기판홀더(140)를 90도 회전시켜 기판(1)을 증발물질로서 셀레늄이 저장된 증발기(130)와 대향되도록 배치시킨 후, 증발기(130)로부터 셀레늄을 증발시켜 셀레늄 증기(2)를 금속전구체층(301)이 형성된 기판(1)으로 공급한다(도 3d). The
셀레늄을 증발시키는 동안, 기판(1)을 가열하지 않는다면, 도 7a와 같이 금속전구체층(301)위에 셀레늄층(302)이 적층된 구조를 가지게 된다. 이때 셀레늄층의 두께(302)는 금속전구체층(301)의 두께보다 약 2배 정도 더 두껍게 형성시킬 수 있으며, 예를 들어 금속전구체층(301)의 두께가 50nm일 경우 셀레늄층(302)의 두께는 약 100nm 일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며 2배보다 더 크거나 작은 두께를 가지는 경우도 무방하다. When the
만약 셀레늄을 증착하는 동안 가열기(150))를 이용하여 기판(1)을 셀레늄의 녹는점인 220℃ 이상으로 가열할 경우, 도 7b와 같이 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄(Cu+In+Ga+Se)으로 이루어진 금속전구체층(303)을 얻을 수 있다. 다만, 기판(1)을 가열할 경우, 기판(1) 상에 증착된 셀레늄이 다시 재증발될 가능성 있으므로, 기판(1)의 가열을 하지 않는 경우에 비해 셀레늄의 증발속도를 더 높일 수 있다. 이때 증발속도의 증가분은 기판(1)의 가열 온도에 비례하여 높임으로써 기판(1)의 가열에 따른 셀레늄의 재증발분을 효과적으로 보충할 수 있게 된다.If the
이와 같이 제1인듐의 증착으로부터 셀레늄의 증착에 이르기까지(도 3a 내지 도 3d) 1회전이 완료된 후, 기판을 적절히 열처리함에 따라 CIGS 화합물 박막을 제조할 수 있게 된다.As described above, after the completion of one revolution of the deposition of the first indium to the deposition of selenium (Figs. 3A to 3D), the CIGS compound thin film can be produced by appropriately heat-treating the substrate.
또한 인듐 타겟과 구리-갈륨 합금 타겟에 인가된 전력을 적절히 변경함으로써 CIGS 광흡수층 내 구리/(인듐+갈륨)의 비율을 목적하는 범위로 자유롭게 조절할 수 있다. Further, the ratio of copper / (indium + gallium) in the CIGS light absorbing layer can be freely adjusted to a desired range by suitably changing the electric power applied to the indium target and the copper-gallium alloy target.
한편 도 3a 내지 도 3d에 이르는 일련의 과정은 기판홀더(140)의 회전을 통해 복수의 회수로 반복하는 것이 가능하다. 도 7a 및 도 7b는 이러한 과정을 복수의 횟수로 반복하여 금속전구체층(301) 및 셀레늄층(302) 또는 셀레늄을 포함한 금속전구체층(303)이 기판(1) 상에 복수의 층으로 적층한 결과를 도시하고 있다. 3A to 3D can be repeated in a plurality of times through the rotation of the
위 실시예에서는 별개의 인듐 타겟(121, 123)을 이용하여 제1인듐 증착 및 제2인듐 증착을 수행하였으나, 상기 2개 중 어느 하나의 인듐타겟(121 또는 123)을 이용하여 제1 및 제2인듐 증착을 수행하는 것도 물론 가능하다. Although the first indium deposition and the second indium deposition were performed using the
이러한 본 발명의 실시예들을 따르는 장치를 이용할 경우, 1회 회전시의 기판(1) 상에 적층되는 두께와 기판홀더(140)의 회전수를 곱한 것이 결국 CIGS 광흡수층의 두께가 될 수 있다. 따라서 1회 회전시의 적층 두께와 회전수를 적절하게 제어함으로써 목적하는 CIGS 광흡수층을 용이하게 제조할 수 있게 된다. 예를 들어, 기판홀더(140)의 회전수를 10으로 설정하고 한 회전 당 50nm 두께의 금속전구체층을 증착함으로써 총 500nm의 두께를 가지는 CIGS 광흡수층을 얻을 수 있다. In the case of using the apparatus according to the embodiments of the present invention, the thickness of the CIGS light absorbing layer may be obtained by multiplying the thickness of the
또한 본 발명의 실시예를 따르는 장치를 이용할 경우, 유독성과 인체유해성이 심각한 부식성 기체인 H2Se를 사용하는 대신 셀레늄을 이용하여 효율적으로 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있으며, 기판홀더(140)의 회전수를 복수로 하게 되면 여러 층의 셀레늄이 전체 적층구조의 중간에 포함된 금속전구체층을 얻을 수 있게 된다.When a device according to an embodiment of the present invention is used, a CIGS light absorbing layer can be efficiently formed using selenium instead of using H 2 Se, which is a corrosive gas having serious toxicity and human harmfulness. When the number of revolutions is plural, it is possible to obtain a metal precursor layer including several layers of selenium in the middle of the entire laminated structure.
즉, 셀레늄을 금속전구체층 내부에 미리 포함시킴으로써, 후속에서 열처리를 통해 CIGS 화합물을 형성할 때 셀레늄과 금속전구체와의 결합반응을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.That is, by preliminarily including selenium in the metal precursor layer, it is possible to efficiently perform a binding reaction between selenium and a metal precursor when a CIGS compound is formed through heat treatment in a subsequent step.
또한 본 발명의 실시예를 따르는 장치는 기판(1)이 각각의 증착원, 즉 스퍼터링 타겟(121, 122, 123) 및 증발기(130)를 순차적으로 마주보는 인-라인(in-line) 형태를 가질 수 있으며, 기판(1)이 장착된 기판홀더(140)를 회전시켜 인-라인 방식을 구현하고 있기 때문에 실제 종래의 인-라인 방식에서 필요로 하는 초대용 장치를 요구하지 않는다. 실제로 종래의 인-라인 방식에서는 기판이 직선운동을 하므로, 기판이 각 재료의 증착원을 대향하는 횟수를 증가시키기 위해서는 각각의 증착원을 그 횟수만큼 설치해야 하므로 장치 제조비용이 매우 비싸다는 단점을 갖는다. 이에 비해 본 발명의 실시예를 따르는 장치는 소정의 영역에 한정된 기판홀더(140)의 회전수를 조절하여 기판(1)이 각각의 증착원과 대향되는 횟수를 증가시킬 수 있으므로, 기판의 직선 운동을 이용하는 인-라인 방식에 비해 설치되는 증착원이 재료별로 최소한 한 개씩만 구비되어도 광흡수층의 제조가 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예를 따르는 장치는 소량의 태양광 모듈 생산에 특히 유리할 수 있다.The apparatus according to the embodiment of the present invention is also characterized in that the
더 나아가 복수의 회전 각각 마다 인듐 타겟(121, 123) 및 구리-갈륨 합금 타겟(122)의 전력 및 기판홀더(140)의 회전속도를 바꿀 경우, 두께 방향에 따른 구리/(인듐+갈륨)의 비율의 프로파일을 조절할 수 있다.Further, when the power of the indium targets 121 and 123 and the power of the copper-
셀레늄 증발 시 가열하여 셀레늄이 포함된 금속전구체층을 제조하는 또 다른 실시예를 도 7c에 나타내었다. 이 경우, 제1회전에서 구리-갈륨 합금을 먼저 증착한 후 그 위에 기판(1)을 가열하면서 셀레늄을 증착하여 구리-갈륨-셀레늄(Cu+Ga+Se)으로 이루어진 금속전구체층(304)을 형성한다. 다음 제2회전에서는 구리-갈륨-셀레늄으로 이루어진 금속전구체층(304) 위에 인듐을 증착한 후, 그 위에 가열하면서 셀레늄을 증착하면, 인듐-셀레늄(In+Se)으로 이루어진 금속전구체층(305)을 형성시킬 수 있다. 즉, 제2회전까지 거친 후 구리-갈륨-셀레늄층(304)/인듐-셀레늄층(305)의 이원계 화합물 다층구조를 얻을 수 있다. 이후 기판홀더(140)의 회전을 반복하면서 구리-갈륨-셀레늄층(304) 및 인듐-셀레늄층(305) 적층을 반복하여 수행한다. Another embodiment of producing a selenium-containing metal precursor layer by heating upon selenium evaporation is shown in Figure 7c. In this case, after the copper-gallium alloy is first deposited in the first rotation, selenium is deposited while heating the
구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 공급하여 CIGS 박막이 합성될 경우, Cu2Se 및 (In,Ga)2Se3의 이원계 화합물이 중간상으로 형성되는 과정을 거치는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 실시예와 같이, 이원계 화합물 층이 쌓인 구조를 만들게 될 경우, 후속 열처리 과정에서 좀 더 신속한 셀렌화 반응이 진행될 수 있는 장점을 갖는다. It is known that when a CIGS thin film is synthesized by supplying copper, indium, gallium and selenium, a binary compound of Cu 2 Se and (In, Ga) 2 Se 3 is formed as a middle phase. Therefore, when the structure in which the binary compound layers are stacked is formed as in the present embodiment, a more rapid selenization reaction can be performed in the subsequent heat treatment process.
위 실시예에서는 구리-갈륨 합금을 먼저 증착한 후 인듐을 증착하였으며, 이와 반대의 순서로 인듐을 먼저 증착한 후 후속에서 구리-갈륨 합금을 증착하여도 무방하다. In this embodiment, indium may be deposited first after depositing a copper-gallium alloy, and indium may be deposited first and vice versa followed by deposition of a copper-gallium alloy.
도 8에는 본 발명의 실시예에 따르는 장치로 제조된 CIGS 광흡수층을 포함한 태양전지(800)의 단면도가 나타나 있다. FIG. 8 is a cross-sectional view of a solar cell 800 including a CIGS light absorbing layer manufactured by an apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 것처럼, 태양전지(800)는 기판(1)으로 하여, 배면전극(200), CIGS 광흡수층(300), 버퍼층(400), 투명전극(500), 반사방지막(600)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(700)을 형성시켜 제조할 수 있다. 8, the solar cell 800 includes a
위에서 설명한 바와 같이 기판(1)상에 배면전극(200)을 형성한 다음, 본 발명의 실시예에 따르는 장치를 이용하여 금속전구체층을 형성한 후 적절한 후속 열처리 과정을 통해 CIGS 광흡수층(300)을 형성한다. After forming the
CIGS 광흡수층(300) 상부에 윈도우(window)층(500)을 형성한다. 이때 윈도우층(400)으로는 ZnO 박막이 이용될 수 있다. CIGS 광흡수층(300)은 p형 반도체이며,A
ZnO 박막은 n형 반도체 이므로 CIGS 광흡수층(300)과 ZnO 박막이 서로 접하는 경우 pn접합을 형성할 수 있다. 이 경우 ZnO 박막은 투명전극으로 사용된다. Since the ZnO thin film is an n-type semiconductor, a pn junction can be formed when the CIGS
그러나 두 물질은 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 도 8과 같이 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(400)을 형성할 수 있다.However, since the two materials have a large difference in lattice constant and energy band gap, a
이때 버퍼층(400)으로 황화카드늄(CdS)이 사용될 수 있다. CdS 박막은 CBD(Chemical bath deposition) 방법을 사용하여 두께 약 500Å 박막으로 형성할 수 있다. CdS 박막은 2.46 eV의 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 약 550nm의 파장에 해당한다. 이때 CdS박막은 n형 반도체일 수 있으며, 인듐, 갈륨, 알루미늄(Al) 등을 도핑(doping)함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.At this time, cadmium sulfide (CdS) may be used as the
또 다른 버퍼층(400)의 재료로서 물리적 박막공정으로도 제조 가능한 InxSey 을 사용할 수 있으며, InxSey을 사용하는 경우에는 CdS가 가지는 독성 및 습식공정의 번거로움을 해결할 수 있다. As a material for the
n형 반도체로서 CIGS와 pn접합을 형성할 수 있는 윈도우층(500)은 태양전지의 앞면에 형성되어 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. ZnO는 에너지 밴드갭이 약 3.3eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한 알루미늄이나 붕소(B) 등으로 도핑하여 10-4 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. 붕소를 도핑하는 경우에는 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류를 증가시키는 효과가 있다.As the n-type semiconductor, the
ZnO 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등에 의해 형성할 수 있다. ZnO thin film can be formed by RF sputtering method using ZnO target, reactive sputtering using Zn target, and metal organic chemical vapor deposition method.
투명전극의 다른 예로서 전기광학적 특성이 뛰어난 산화인듐주석(ITO) 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중구조로 형성하는 것도 가능하다. 또 다른 예로는 CdS 박막 위에 우선 도핑하지 않은 i형의 ZnO 박막을 증착한 다음, 그 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막을 증착하여 형성할 수 있으며, 이러한 구조로 인하여 태양전지의 효율이 개선될 수 있다. As another example of the transparent electrode, it is possible to form an indium tin oxide (ITO) thin film having excellent electro-optical characteristics on a ZnO thin film by a double-layered structure. As another example, it is possible to form an i-type ZnO thin film which is not doped first on a CdS thin film, and then an n-type ZnO thin film having a low resistance is deposited thereon. .
한편, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄여 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 윈도우층(500) 상부에 반사방지막(600)을 형성할 수 있다. 이러한 반사방지막(600)에 의해 태양전지의 효율이 약 1% 정도 향상될 수 있다. Meanwhile, the
반사방지막(60)의 재질로는 MgF2가 사용될 수 있으며, 물리적인 박막 제조법으로서 전자빔 증발법에 의해 제조될 수 있다. As the material of the antireflection film 60, MgF 2 can be used, and it can be manufactured by electron beam evaporation as a physical thin film manufacturing method.
그리드 전극(700)은 태양전지 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것으로 니켈(Ni), 또는 니켈/알루미늄(Ni/Al) 다층구조의 재질로 구성할 수 있다. 이때 그리드 전극(700)의 영역은 태양광이 흡수되지 않는 영역이므로 효율의 손실을 최소화 하는 방향으로 설계한다. The
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
110, 210 : 챔버
121, 122, 123, 221, 222, 223, 321, 322, 323, 421, 422, 423 : 스퍼터링 타겟
124, 224, 334, 444 : 타겟홀더 130, 230, 330, 430 : 증발기
131 : 몸체 132 : 제 1 격판
133 : 제 2 격판 134 : 토출구
135 : 가이드판 140, 240 : 기판홀더
141, 241 : 회전부재 142, 242 : 장착부
143, 243 : 회전구동부 150, 250, 350, 450 : 가열기
151 : 반사판 310, 410 : 기판홀딩챔버
311, 411 : 회전챔버 312, 412 : 장착부
313, 413 : 회전구동부110, 210: chamber
A sputtering target, a sputtering target, a sputtering target,
124, 224, 334, 444:
131: body 132: first diaphragm
133: second diaphragm 134: discharge port
135:
141, 241: rotating
143, 243: rotation drive
151:
311, 411:
313, 413:
Claims (12)
상기 태양전지 광흡수층 제조장치는,
챔버;
상기 챔버 내부에 설치되는 스퍼터링 타겟;
상기 챔버 내부에 설치되고, 셀레늄 증발물질을 증발시키는 증발기; 및
기판이 상기 챔버 내부에서 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기의 외측에 위치하도록 장착되고, 상기 기판을 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는 기판홀더;
를 포함하고,
상기 스퍼터링 타겟은 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 증발기는 몸체, 제1 격판, 제2 격판, 토출구 및 가이드판을 포함하도록 구성되고,
상기 몸체 내에 상기 셀레늄 증발물질이 장입되는 공간이 상기 제1격판에 의해 구획되고, 상기 셀레늄 증발물질이 기화되어 형성된 셀레늄 증기가 상기 제1 격판과 상기 제2 격판 사이의 통로를 통해 이동하여 상기 토출구를 통해서 토출되고, 토출된 상기 셀레늄 증기가 상기 몸체의 외측에 마련되는 상기 가이드판에 의해 가이드되어 상기 기판에 도달하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.A solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer comprising selenium,
In the solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus,
chamber;
A sputtering target installed inside the chamber;
An evaporator installed inside the chamber for evaporating selenium evaporation material; And
A substrate holder mounted on the substrate inside the chamber so as to be positioned outside the sputtering target and the evaporator and rotatable to transport the substrate so as to face the sputtering target and the evaporator;
Lt; / RTI >
Wherein the sputtering target comprises at least one of a copper-indium-gallium alloy target, a copper-gallium alloy target, a copper-indium alloy target, a copper target, and an indium target,
Wherein the evaporator is configured to include a body, a first diaphragm, a second diaphragm, a discharge port, and a guide plate,
The selenium vapor formed by vaporization of the selenium evaporation material moves through the passage between the first partition and the second partition to form the selenium vapor, And the discharged selenium vapor is guided by the guide plate provided on the outer side of the body to reach the substrate.
상기 태양전지 광흡수층 제조장치는,
기판이 내측에 장착되고, 상기 기판을 회전시킬 수 있는 기판홀딩챔버;
상기 기판홀딩챔버 내부에서 상기 기판에 대향될 수 있도록 고정되어, 상기 기판홀딩챔버의 회전을 허용하는 스퍼터링 타겟; 및
상기 기판홀딩챔버 내부에서 상기 기판에 대향될 수 있도록 고정되어, 상기 기판홀딩챔버의 회전을 허용하고, 셀레늄 증발물질을 증발시키는 증발기;
를 포함하고,
상기 스퍼터링 타겟은 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 증발기는 몸체, 제1 격판, 제2 격판, 토출구 및 가이드판을 포함하도록 구성되고,
상기 몸체 내에 상기 셀레늄 증발물질이 장입되는 공간이 상기 제1격판에 의해 구획되고, 상기 셀레늄 증발물질이 기화되어 형성된 셀레늄 증기가 상기 제1 격판과 상기 제2 격판 사이의 통로를 통해 이동하여 상기 토출구를 통해서 토출되고, 토출된 상기 셀레늄 증기가 상기 몸체의 외측에 마련되는 상기 가이드판에 의해 가이드되어 상기 기판에 도달하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.A solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer comprising selenium,
In the solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus,
A substrate holding chamber on which the substrate is mounted, the substrate holding chamber being capable of rotating the substrate;
A sputtering target secured within the substrate holding chamber so as to be opposed to the substrate, the sputtering target allowing rotation of the substrate holding chamber; And
An evaporator fixed within the substrate holding chamber so as to be opposed to the substrate, allowing the rotation of the substrate holding chamber and evaporating the selenium evaporation material;
Lt; / RTI >
Wherein the sputtering target comprises at least one of a copper-indium-gallium alloy target, a copper-gallium alloy target, a copper-indium alloy target, a copper target, and an indium target,
Wherein the evaporator is configured to include a body, a first diaphragm, a second diaphragm, a discharge port, and a guide plate,
The selenium vapor formed by vaporization of the selenium evaporation material moves through the passage between the first partition and the second partition to form the selenium vapor, And the discharged selenium vapor is guided by the guide plate provided on the outer side of the body to reach the substrate.
링 또는 드럼 형상을 가지고, 회전할 수 있도록 설치되는 회전부재;
상기 회전부재의 내주면에 상기 기판이 장착될 수 있도록 마련되는 장착부; 및
상기 회전부재를 회전시키는 회전구동부를 포함하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.The substrate holder according to claim 1,
A rotary member having a ring or a drum shape and provided so as to be rotatable;
A mounting portion provided on an inner circumferential surface of the rotating member so as to mount the substrate; And
And a rotation driving unit for rotating the rotating member.
드럼 형상을 가지고, 회전할 수 있도록 설치되는 회전챔버;
상기 회전챔버의 내주면에 상기 기판이 장착될 수 있도록 마련되는 장착부; 및
상기 회전챔버를 회전시키는 회전구동부를 포함하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.3. The apparatus of claim 2, wherein the substrate holding chamber comprises:
A rotary chamber having a drum shape and installed so as to be rotatable;
A mounting portion provided on the inner circumferential surface of the rotary chamber so as to mount the substrate; And
And a rotation driving unit for rotating the rotation chamber.
상기 태양전지 광흡수층 제조장치는,
챔버;
상기 챔버 내부에 설치되는 스퍼터링 타겟;
상기 챔버 내부에 설치되고, 셀레늄 증발물질을 증발시키는 증발기; 및
기판이 상기 챔버 내부에서 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기의 외측에 위치하도록 장착되고, 상기 기판을 상기 스퍼터링 타겟 및 상기 증발기에 대향되도록 회전이송시킬 수 있는 기판홀더;
를 포함하고,
상기 스퍼터링 타겟은 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 증발기에 의하여 증발되는 물질이 상기 기판에 도달하도록, 상기 기판은 상기 증발기의 상측에 위치하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.A solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer comprising selenium,
In the solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus,
chamber;
A sputtering target installed inside the chamber;
An evaporator installed inside the chamber for evaporating selenium evaporation material; And
A substrate holder mounted on the substrate inside the chamber so as to be positioned outside the sputtering target and the evaporator and rotatable to transport the substrate so as to face the sputtering target and the evaporator;
Lt; / RTI >
Wherein the sputtering target comprises at least one of a copper-indium-gallium alloy target, a copper-gallium alloy target, a copper-indium alloy target, a copper target, and an indium target,
Wherein the substrate is located on the upper side of the evaporator so that a substance evaporated by the evaporator reaches the substrate.
상기 태양전지 광흡수층 제조장치는,
기판이 내측에 장착되고, 상기 기판을 회전시킬 수 있는 기판홀딩챔버;
상기 기판홀딩챔버 내부에서 상기 기판에 대향될 수 있도록 고정되어, 상기 기판홀딩챔버의 회전을 허용하는 스퍼터링 타겟; 및
상기 기판홀딩챔버 내부에서 상기 기판에 대향될 수 있도록 고정되어, 상기 기판홀딩챔버의 회전을 허용하고, 셀레늄 증발물질을 증발시키는 증발기;
를 포함하고,
상기 스퍼터링 타겟은 구리-인듐-갈륨 합금 타겟, 구리-갈륨 합금 타겟, 구리-인듐 합금 타겟, 구리 타겟 및 인듐 타겟 중 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 증발기에 의하여 증발되는 물질이 상기 기판에 도달하도록, 상기 기판은 상기 증발기의 상측에 위치하는, 태양전지 광흡수층 제조장치.A solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus for manufacturing a solar cell light absorbing layer comprising selenium,
In the solar cell light absorbing layer manufacturing apparatus,
A substrate holding chamber on which the substrate is mounted, the substrate holding chamber being capable of rotating the substrate;
A sputtering target secured within the substrate holding chamber so as to be opposed to the substrate, the sputtering target allowing rotation of the substrate holding chamber; And
An evaporator fixed within the substrate holding chamber so as to be opposed to the substrate, allowing the rotation of the substrate holding chamber and evaporating the selenium evaporation material;
Lt; / RTI >
Wherein the sputtering target comprises at least one of a copper-indium-gallium alloy target, a copper-gallium alloy target, a copper-indium alloy target, a copper target, and an indium target,
Wherein the substrate is located on the upper side of the evaporator so that a substance evaporated by the evaporator reaches the substrate.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11302840A (en) * | 1998-04-23 | 1999-11-02 | Oki Electric Ind Co Ltd | Sputtering apparatus |
| KR20050057312A (en) * | 2002-09-14 | 2005-06-16 | 쇼오트 아게 | Method for producing layers and layer systems and coated substrate |
| KR100669489B1 (en) | 2004-06-11 | 2007-01-16 | 한국전기연구원 | Apparatus for manufacturing thin film tape |
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-
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- 2012-07-04 KR KR1020120072777A patent/KR101444188B1/en active IP Right Grant
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