KR101504343B1 - 화합물 반도체 태양전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는, 배면 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계; 및 상기 배면 전극 상에 인듐 증착 가스 분위기 하에서, 금속 타겟을 스퍼터링하여 CIGS 박막을 형성하는 단계를 포함하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법을 제공한다.

Description

화합물 반도체 태양전지의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF COMPOUND SEMICONDUCTOR SOLAR CELL}
본 발명은 화합물 반도체 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품위 구리인듐갈륨셀레늄(CIGS) 박막의 광흡수층을 갖는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다. 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성된다. pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이때, 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 이것이 태양전지의 동작원리이다.
태양전지 제조에 사용되는 재료 중 CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-VI2족 칼코파이라이트(Chalcopyrite)계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭(energy bandgap)을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105cm-1로 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서, 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
CIGS 박막태양전지는 기존의 단결정실리콘(20W/kg) 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수한데, 단위 중량당의 발전량이 현재 단일접합에서도 약 100W/kg으로 기존의 Si이나 GaAs 태양전지의 20~40W/kg에 비해 월등히 우수하다.
본 발명의 목적은 기존의 반도체 양산기술을 적용하면서도 복잡하지 않은 단일공정에 의해 고품위 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화합물 반도체 태양전지의 제조방법은, 배면 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계; 및 상기 배면 전극 상에 인듐 증착 가스 분위기 하에서, 금속 타겟을 스퍼터링하여 CIGS 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 금속 타겟은 구리, 구리/갈륨 또는 구리/갈륨/셀레늄 중 어느 하나일 수 있다.
상기 인듐 증착 가스는 금속 인듐을 10A/sec 내지 100A/sec의 유량(flux)으로 흘려보내면서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하여 발생된 가스 또는 유기금속 인듐을 30℃ 내지 100℃의 온도로 가열하여 발생된 가스를 사용할 수 있다.
상기 유기금속 인듐은 트리메틸인듐(Trimethyl Indium)일 수 있다.
상기 인듐 증착 가스는 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 내부에서 상기 금속 인듐 또는 상기 유기금속 인듐을 가열하여 공급할 수 있다.
상기 인듐 증착 가스는 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 외부에서 상기 금속 인듐 또는 상기 유기금속 인듐을 가열하여 인듐 가스를 발생시킨 후 이송가스를 이용하여 상기 인듐 가스를 유도관을 통해 공급할 수 있다.
상기 구리 또는 구리/갈륨의 금속 타겟 사용 시, 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 내부에는 별도의 셀레늄 공급 장치를 통해 셀레늄을 공급할 수 있다.
상기 스퍼터링은 350℃ 내지 550℃의 기판온도에서 수행할 수 있다.
상기 구리/갈륨 또는 구리/갈륨/셀레늄에 포함되는 갈륨의 함량은 전체 함량의 20atom% 내지 30atom%를 차지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 융점이 낮아 스퍼터링이 어려운 인듐(In)을 타겟이 아닌 증착 가스로 사용함으로써 전구체의 후열처리 공정 없이 기존의 스퍼터링 방법을 사용한 간단한 단일공정에 의해 고품위 CIGS 박막 광흡수층을 형성할 수 있고, 아울러 상기 CIGS 박막에 있어서 고속 증착 및 대면적화가 가능하여 대량 생산이 용이하다. 또한, 금속 타겟을 증착 가스 분위기에서 스퍼터링함으로써, 400℃ 이하에서 상기 CIGS 박막의 증착이 가능하므로 550℃ 이상의 고온 증착 공정을 배제시켜 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 광흡수층의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 광흡수층의 제조방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 따라서, 도면에서의 요소들이 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 광흡수층 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 광흡수층의 제조방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 배면 전극(220)이 형성된 기판(210)을 준비한다. (S110)
상기 기판(210)은 유리, 세라믹, 금속 또는 폴리머(polymer)를 포함하여 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 기판(210)은 값싼 소다회 유리(sodalime glass)로 이루어질 수 있다.
상기 배면 전극(220)은 높은 전기전도도를 가지고, CIGS 박막(230, 도 2c 참조)에의 오믹(ohmic) 접합이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 배면 전극(220)은, 예를 들어, 몰리브덴(Mo)으로 이루어질 수 있다.
상기 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 또한 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 상기 기판(210)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
상기 배면 전극(220)은 스퍼터링(sputtering)법, 예를 들어 통상의 직류 스퍼터링(DC sputtering)법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 1, 도 2b, 도 2c 및 도 3을 참조하면, 상기 배면 전극(220) 상에 인듐(In) 증착 가스(450) 분위기 하에서 금속 타겟(440)을 스퍼터링한다.(S120)
상기 인듐(In) 증착 가스(450)는 반응이 일어나는 반응기(400)의 내부에서 인듐(In) 금속을 10A/sec 내지 100A/sec의 유량(flux)으로 흘려보내면서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하여 발생된 가스 또는 트리메틸인듐(Trimethyl Indium) 등과 같은 유기금속 인듐을 30℃ 내지 100℃의 온도로 가열하여 발생된 가스를 사용할 수 있다.
이와는 달리, 상기 인듐(In) 증착 가스(450)는 상기 반응기(400)의 외부에서 인듐(In) 금속을 10A/sec 내지 100A/sec의 유량(flux)으로 흘려보내면서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하여 발생시킨 인듐 가스 또는 트리메틸인듐(Trimethyl Indium) 등과 같은 유기금속 인듐을 30℃ 내지 100℃의 온도로 가열하여 발생시킨 인듐 가스를 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 이송가스로 사용하여 유도관(410)을 통해 상기 반응기(400) 내부로 유입하여 사용할 수 있다.
형성하고 싶은 막의 원료가 되는 상기 금속 타겟(440)은 음극(430)에 설치된다. 여기서, 상기 금속 타겟(440)은 단일 금속 또는 혼합 전구체 타겟일 수 있다.
상기 금속 타겟(440)은, 예를 들어, 구리(Cu), 구리(Cu)/갈륨(Ga) 또는 구리(Cu)/갈륨(Ga)/셀레늄(Se) 중에서 어느 하나일 수 있다. 단, 상기 혼합 전구체 타겟에 포함되는 갈륨(Ga)의 함량은 전체 함량의 20atom% 내지 30atom%를 차지할 수 있다.
상기 금속 타겟(440)이 셀레늄(Se)을 포함하고 있지 않다면, 상기 금속 타겟(440)을 스퍼터링하는 동안 셀레늄(Se) 공급 장치(미도시)를 사용하여 상기 반응기(400)의 내부에 별도로 셀레늄(Se)을 공급할 수 있다.
상기 스퍼터링은 직류 전원을 기판히터에 인가하여, 350℃ 내지 550℃의 기판온도에서 수행할 수 있다.
이로써, 상기 금속 타겟(440)을 스퍼터링하면서 상기 인듐(In) 증착 가스(450) 분위기 하에서 각 입자들이 반응하여 기판 홀더(420)에 안착된 상기 배면 전극(220) 상에 CuInxGa1 -xSe2(여기서, 0＜x＜1)로 이루어지는 CIGS 박막(230)이 형성된다. (S130)
상기 CIGS 박막(230)은 태양전지의 광흡수층으로 사용된다. 상기 CIGS 박막(230)은 p형 반도체가 된다.
일반적으로, 인듐(In)은 융점이 156℃로 낮아 스퍼터링을 하기가 매우 어렵다. 갈륨(Ga)은 융점이 28℃로 매우 낮지만 구리(Cu)에 20atom% 내지 30atom%의 소량을 섞어서 혼합 타겟으로 사용하면 스퍼터링 하는데 문제가 없다. 그러나, 인듐(In)은 CIGS 박막의 조성비를 고려할 때, 구리(Cu)에 섞어서 혼합 타겟을 만들어도 인듐(In)의 양이 70% 내지 80%를 차지해야 하기 때문에 융점이 낮은 문제를 해결할 수 없었다. 이로 인해, 고속 증착 및 대면적화가 어렵다는 단점이 있었다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 인듐(In)을 스퍼터링 타겟이 아닌 증착 가스로 사용하고, 상기 인듐(In)을 포함하지 않는 상기 금속 타겟(124) 중 하나를 스퍼터링하여 상기 CIGS 박막(230)을 형성한다.
따라서, 일반적인 전구체의 후 열처리 공정 없이 기존의 스퍼터링 방법을 사용한 간단한 단일공정에 의해 고품위의 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있고, 아울러 상기 CIGS 박막(230)의 고속 증착 및 대면적화가 가능하여 대량 생산이 용이하다.
더욱이, 상기 금속 타겟(440)을 증착 가스 분위기에서 스퍼터링하면, 400℃ 이하의 온도에서도 충분한 반응이 일어날 수 있어서 기존의 550℃ 이상의 고온 증착 공정을 배제시켜 제조비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 CIGS 박막(230) 상에 버퍼층(240), 전면 투명 전극(250) 및 반사 방지막(260)을 차례로 적층하고, 상기 반사 방지막(260)의 일측면에 그리드 전극(270)을 형성하여 CIGS 박막태양전지(300)를 완성한다.
상기 전면 투명 전극(250)은 n형 반도체로서, 상기 태양전지(300) 전면의 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고, 전기전도성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전면 투명 전극(250)은, 예를 들어, ZnO 박막 또는 ZnO 박막/ITO 박막으로 형성할 수 있다. 상기 전면 투명 전극(250)은 RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법 또는 유기금속화학증착법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(240)은 p형 반도체인 상기 CIGS 박막(230)과 n형 반도체로 윈도우(window) 층으로 사용되는 ZnO 박막을 포함한 전면 투명 전극 간의 양호한 접합을 위하여 에너지 밴드갭이 상기 CIGS 박막(230)과 상기 ZnO 박막의 중간에 위치하는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼층(240)은 CdS 또는 InxSey로 이루어질 수 있다. 상기 CdS 박막은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 InxSey 박막은 물리적 증착방법, 예를 들어 동시증발법, 스퍼터링법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 반사 방지막(260)은 상기 태양전지(300)에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이기 위한 것으로, 예를 들어 MgF2로 이루어질 수 있다. 상기 반사 방지막(260)은 물리적 증착방법, 예를 들어 전자빔증발법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 그리드 전극(270)은 상기 태양전지(300) 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것으로, 예를 들어 Al, 또는 Ni/Al으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광흡수층으로서 고품위 상기 CIGS 박막(230)을 포함함으로써 고품위 상기 CIGS 박막태양전지(300)의 구현이 가능하다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
210: 기판 220: 배면 전극
230: CIGS 박막 240: 버퍼층
250: 전면 투명 전극 260: 반사 방지막
270: 그리드 전극 300: CIGS 박막태양전지
400: 반응기 410: 유도관
420: 기판 홀더 430: 음극
440: 금속 타겟 450: 인듐 증착 가스

Claims (9)

  1. 배면 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    인듐 증착 가스 분위기를 제공하는 단계; 및
    상기 인듐 증착 가스 분위기 하에서, 금속 타겟을 스퍼터링하여 상기 배면 전극 상에 CIGS 박막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 스퍼터링 공정 동안, 상기 금속 타겟으로부터 스퍼터링된 입자들은 상기 인듐 증착 가스 분위기로부터 얻어진 인듐과 반응하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 타겟은 구리, 구리/갈륨 또는 구리/갈륨/셀레늄 중 어느 하나인 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인듐 증착 가스는 금속 인듐을 10A/sec 내지 100A/sec의 유량(flux)으로 흘려보내면서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하여 발생된 가스 또는 유기금속 인듐을 30℃ 내지 100℃의 온도로 가열하여 발생된 가스를 사용하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유기금속 인듐은 트리메틸인듐(Trimethyl Indium)인 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 인듐 증착 가스는 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 내부에서 상기 금속 인듐 또는 상기 유기금속 인듐을 가열하여 공급하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인듐 증착 가스는 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 외부에서 상기 금속 인듐 또는 상기 유기금속 인듐을 가열하여 인듐 가스를 발생시킨 후 이송가스를 이용하여 상기 인듐 가스를 유도관을 통해 공급하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리/갈륨의 금속 타겟 사용 시, 상기 CIGS 박막이 형성되는 반응기의 내부에는 별도의 셀레늄 공급 장치를 통해 셀레늄을 공급하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터링은 350℃ 내지 550℃의 기판온도에서 수행하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 구리/갈륨 또는 구리/갈륨/셀레늄에 포함되는 갈륨의 함량은 전체 함량의 20atom% 내지 30atom%를 차지하는 화합물 반도체 태양전지의 제조방법.
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