KR101756761B1 - 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법 - Google Patents

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야스히로 야마구치
아츠타카 혼다
나오키 니시야마
토키오 나카다
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Abstract

광흡수층인 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막의 박리를 방지한 스테인리스박(stainless steel foil)제 태양전지 기판재 및, 그의 제조 방법을 제공한다. 구체적으로는, Cr을 7∼40질량％ 함유하고, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃ 이하이며, 두께를 20∼200㎛로 한 스테인리스박에, N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서, 또한 250∼1050℃의 범위 내에서 응력 제거를 위한 예비 열처리를 행하고, 또한 예비 열처리를 행한 스테인리스박의 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극(back-contact)을 형성한 후, 또는 스테인리스박의 표면에 절연 피막을 형성하고 또한 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 피막 형성 열처리를 행하여 이면 전극 상에 Cu(In1－XGaX)Se2로 이루어지는 광흡수층을 형성한다.

Description

스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SOLAR CELL SUBSTRATE MADE OF STAINLESS STEEL FOIL}
본 발명은, 스테인리스박(stainless steel foil)에 광흡수층(absorber layer)을 형성한 태양전지 기판재(solar cell substrate) 및, 그의 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지 기판재의 소재에는, 비교적 염가의 절연체(insulator)인 유리(glass)가 널리 사용되고 있다. 그러나 유리는 깨지기 쉽기 때문에, 유리의 표면에 광흡수층을 형성한 유리제 태양전지 기판재를 대량으로 또한 연속적으로 제조하는 것은 곤란하다.
그래서, 대량 생산(mass manufacturing)이 가능하고, 게다가 유리보다 염가인 금속판(예를 들면 스테인리스 강판(stainless steel sheet) 등)을 이용한 태양전지 기판재의 개발이 진행되고 있다. 단 금속판은 도전체(conductive material)이기 때문에, 집적형의 태양전지(integrated solar cell)의 기판재로서 사용하기 위해서는, 표면에 절연 피막(insulating layer)을 형성할 필요가 있다. 또는, 실리콘 태양전지(silicon solar cell)와 동일하게 표면 집전 전극(power-collecting-surfaced electrode)을 부착하여 태양전지 셀을 서로 연결시켜 감으로써, 그리드형(grid type)으로서 사용하는 것도 가능하다.
예를 들면 특허문헌 1, 2에는, 스테인리스 강판의 표면을 평활하게 하여 알루미나 피막(alumina coating)을 형성한 절연성 판재(insulating sheet)가 개시되어 있다. 이 절연성 판재에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극(back-contact)을 형성하고, 그 위에 광흡수층으로서 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성할 때에, 그 Cu(In1－XGaX)Se2의 결정을 성장시키기 위한 열처리를 행하여 집적형의 태양전지 기판재로서 사용하면, 유리제 태양전지 기판재에 비해, 제조 비용(production cost)의 저감을 도모할 수 있다.
또는 그리드형의 태양전지 기판재로서 사용하는 경우는, 스테인리스 강판의 표면을 평활하게 하여 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성하고, 추가로 그 위에 광흡수층으로서 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성할 때에, 그 Cu(In1－XGaX)Se2의 결정을 성장시키기 위한 열처리를 행하여 태양전지 기판재로 한다. 또한, Cu(In1－XGaX)Se2는, Cu(In)Se2와 Cu(Ga)Se2를 혼정(mixed crystal)시킨 CIGS라고 불리는 물질을 가리킨다.
이들 스테인리스 강판을 이용한 태양전지 기판재(즉 스테인리스 강판제 태양전지 기판재)에서는, 절연 피막이나 이면 전극을 형성할 때에, 미리 배리어층(barrier layer)이라고 불리는 Cr 등의 층을 하지(base)에 형성하는 경우가 있다. 이 경우도, 배리어층 이외의 절연 피막, 이면 전극, 광흡수층은, 상기와 동일하게 구성된다.
일본공개특허공보 평6-299347호 일본공개특허공보 평5-306460호
스테인리스 강판제 태양전지 기판재의 제조 비용을 더욱 삭감하기 위해, 사용하는 스테인리스 강판의 박육화가 요구되고 있으며, 스테인리스박에 광흡수층을 형성하는, 혹은 절연 피막을 형성한 절연성 박재(箔材)에 광흡수층을 형성하여 태양전지 기판재로서 사용하는 기술이 검토되고 있다.
스테인리스박을 소재로 한 태양전지 기판재(이하, 스테인리스박제 태양전지 기판재라고 함)에서는, 그리드형의 경우, 스테인리스박을 평활하게 하여, 그 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성하고, 그 위에 광흡수층으로서 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성한다. 또는 집적형의 경우, 스테인리스박의 표면에 절연 피막(예를 들면 알루미나 피막 등)을 형성하여 절연성 박재로 하고, 그 절연 피막 상에 이면 전극을 형성하고, 추가로 그 위에 광흡수층인 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성한다.
어느 경우도, Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성할 때에 행하는 열처리(heat　treatment)에 의해, 광흡수층이나 절연 피막, 이면 전극이 박리되기 쉬워진다는 문제가 있다. 광흡수층인 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막이 박리되면, 태양광을 전기로 변환하는 변환 효율(conversion efficiency)이 저하된다. 또한, 이면 전극이나 절연 피막이 박리되면, 그 위에 형성된 광흡수층도 탈락되기 때문에, 변환 효율의 저하를 초래한다.
본 발명은, 광흡수층인 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막의 박리를 방지한 스테인리스박제 태양전지 기판재 및, 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은, 스테인리스박제 태양전지 기판재에서, 광흡수층이나 절연 피막, 이면 전극이 박리되는 원인을 조사했다. 그 결과, Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성할 때에 행하는 열처리에 의한 스테인리스박의 변형(deformation)이 원인인 것을 알 수 있었다.
즉, 스테인리스박의 제조 공정에서 냉간 가공(cold rolling)를 반복함으로써, 스테인리스박에 잔류 응력(residual stress)이 발생한다. 그 스테인리스박에 절연 피막, 이면 전극을 적층한 후에, 광흡수층을 형성하기 위한 피막과 가열 양쪽을 행하는 처리(이하, 피막 형성 열처리라고 함)를 행하는(집적형), 혹은 스테인리스박에 이면 전극을 적층한 후에 광흡수층을 형성하기 위한 피막 형성의 열처리를 행함(그리드형)으로써, 스테인리스박의 잔류 응력이 해방되어, 스테인리스박이 변형되고, 광흡수층이나 이면 전극, 절연 피막에 균열이 발생하여 박리된다.
따라서, 미리 스테인리스박에 열처리(이하, 예비 열처리(thermal pretreatment)라고 함)를 행하여 잔류 응력을 제거한 후, 집적형의 경우는 절연 피막, 이면 전극을 적층하여 광흡수층을 형성하는 피막 형성의 열처리를 행하는, 혹은 그리드형의 경우는 스테인리스박에 이면 전극을 적층하여 광흡수층을 형성하는 피막 형성의 열처리를 행함으로써, 피막 형성 열처리에 기인하는 스테인리스박의 변형이 억제되고, 나아가서는 광흡수층인 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막의 박리를 방지할 수 있다.
본 발명은, 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것이다.
즉 본 발명은, Cr을 7∼40질량％ 함유하고, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃ 이하이며, 두께를 20∼200㎛로 한 스테인리스박에, N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서, 또한 250∼1050℃의 범위 내에서 응력 제거를 위한 예비 열처리를 행하고, 추가로 예비 열처리를 행한 스테인리스박의 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 또는 스테인리스박의 표면에 절연 피막을 형성하고 추가로 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 피막 형성의 열처리를 행하여 이면 전극 상에 Cu(In1－XGaX)Se2로 이루어지는 광흡수층을 형성하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법이다.
본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법에 있어서는, 예비 열처리를 250∼900℃의 범위 내에서 행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 250∼700℃이다. 또한, 피막 형성의 열처리를 450∼700℃의 범위 내에서 행하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은, Cr을 7∼40질량％ 함유하고, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃ 이하이며, 두께를 20∼200㎛로 하고, 또한 N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서, 또한 250∼1050℃의 범위 내에서 응력 제거를 위한 예비 열처리를 행한 스테인리스박의 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 또는 스테인리스박의 표면에 절연 피막을 형성하고 추가로 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 피막 형성의 열처리를 행하여 이면 전극 상에 Cu(In1－XGaX)Se2로 이루어지는 광흡수층을 형성하고, 피막 형성의 열처리를 행하기 전후의 스테인리스박의 폭 및 길이의 변화가 각각 하기의 (1)식 및 (2)식을 만족하는 스테인리스박제 태양전지 기판재이다.
100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.037％　　　…(1)
100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.037％　　　…(2)
W0: 피막 형성의 열처리를 행하기 전의 스테인리스박의 폭(㎜)
W1: 피막 형성의 열처리를 행한 후의 스테인리스박의 폭(㎜)
L0: 피막 형성의 열처리를 행하기 전의 스테인리스박이 길이(㎜)
L1: 피막 형성의 열처리를 행한 후의 스테인리스박의 길이(㎜)
본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재에 있어서는, 피막 형성의 열처리를 행하기 전후의 스테인리스박의 폭 및 길이의 변화가 각각 하기의 (3)식 및 (4)식을 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 예비 열처리의 온도가 250∼700℃의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 피막 형성의 열처리의 온도가 450∼700℃의 범위 내인 것이 바람직하다.
100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.018％　　　…(3)
100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.018％　　　…(4)
본 발명에 의하면, 염가이며 게다가 대량 생산이 가능한 스테인리스박을 이용한 태양전지 기판재(즉 스테인리스박제 태양전지 기판재)에 형성되는 광흡수층의 박리를 방지할 수 있다. 그 때문에, 태양전지의 제조 비용의 삭감에 기여할 뿐만 아니라, 태양광을 전기로 변환하는 변환 효율을 향상하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재의 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재의 다른 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
도 1, 2는, 본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재의 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 발명에서는, 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)의 소재인 스테인리스박(2)의 박압연까지의 제조 방법은 특별히 한정하지 않는다.
우선, 스테인리스박(2)의 성분에 대해서 설명한다.
Cr량이 7질량％ 미만에서는 장기 사용시의 내식성(corrosion resistance)이 부족하여, 스테인리스박제 태양전지 기판재로서의 내구성이 열화된다. 한편, 40질량％를 초과하면 스테인리스박의 제조 공정에 있어서의 중간 제품(partly-finished product)인 열연 강판의 인성(toughness)이 현저하게 저하되어, 제조 라인을 통판할 수 없게 된다는 문제가 있다. 그 때문에, Cr량은 7∼40질량％로 할 필요가 있다.
스테인리스박(2)은, 상기의 조성에 Nb 및/또는 Mo를 함유해도 좋다.
스테인리스박(2)이 Nb를 함유하는 경우는, Nb 함유량이 0.05질량％ 미만에서는, 결정화 열처리에서의 내(耐)변형 효과가 저하된다. 한편, 1.5질량％를 초과하면, 스테인리스박의 제조 공정에 있어서의 중간 제품인 열연 강판의 제조시의 용접성이 현저하게 저하되어, 제조 라인을 통판할 수 없게 된다는 문제가 있다. 따라서, Nb 함유량은 0.05∼1.5질량％의 범위 내가 바람직하다.
스테인리스박(2)이 Mo를 함유하는 경우는, Mo 함유량이 0.3질량％ 미만에서는, 피막 형성의 열처리에서의 내변형 효과가 저하된다. 한편, 3.0질량％를 초과하면, 스테인리스박의 제조 공정에 있어서의 중간 제품인 열연 강판의 제조시의 열간 가공성이 저하되어, 제조 라인을 통판할 수 없게 된다는 문제가 있다. 따라서, Mo 함유량은 0.3∼3.0질량％의 범위 내가 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.0％ 이하이다.
이러한 강으로서는, SUS430(17％ Cr강), SUS447J1(30％ Cr-2％ Mo강), 9％ Cr강, 20％ Cr-5％ Al강, SUS304(18％ Cr-8％ Ni강) 등을 들 수 있다.
이하, 전술한 Cr, Nb 및, Mo 이외에 첨가하는 적합한 성분 조성을 나타내면, 다음과 같다. 또한, 강의 성분 조성을 규정하는 성분％는, 모두 질량％를 의미한다.
C: 0.12％ 이하
C는, 강 중의 Cr과 결합하여, 내식성(corrosion resistance)의 저하를 초래하기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 0.12％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.12％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.04％ 이하이다.
Si: 2.5％ 이하
Si는, 탈산(deoxidation)에 이용하는 원소이지만, 과잉하게 함유되면, 연성의 저하를 초래하기 때문에, 2.5％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.0％ 이하이다.
Mn: 1.0％ 이하
Mn은, S와 결합하여 MnS를 형성하고, 내식성을 저하시키기 때문에, 1.0％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.8％ 이하이다.
S: 0.030％ 이하
전술한 바와 같이, S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 내식성을 저하시키 때문에, 0.030％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.008％ 이하이다.
P: 0.050％ 이하
P는, 연성의 저하를 초래하기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 0.050％ 이하이면 연성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.050％ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.040％ 이하이다.
이상, 필수 성분에 대해서 설명했지만, 본 발명에서는, 그 외에도 이하에 서술하는 원소를 적절히 함유시킬 수 있다.
Ti, Zr 중에서 선택한 적어도 1종을 합계로: 1.0％ 이하
Ti, Zr은 모두, 강 중의 C, N을 탄화물이나 질화물, 혹은 탄질화물로서 고정하고, 내식성을 개선하는 데에 유용한 원소이다. 단, 1.0％를 초과하여 함유하면 연성(ductility)의 저하가 현저해지기 때문에, 이들 원소는 단독 첨가 또는 복합 첨가 어느 경우도 1.0％ 이하로 한정한다. 또한, 이들 원소의 첨가 효과를 충분히 발휘시키려면, 0.02％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다.
Al: 0.20％ 이하
Al은, 탈산에 이용되는 원소이지만, 과잉하게 함유되면 연성의 저하를 초래하기 때문에, 0.20％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.15％ 이하이다.
단, 의도적으로 Al을 첨가한 20Cr-5Al강 등을 이용하는 경우는, 예외로 한다.
N: 0.05％ 이하
N은, 강 중의 Cr과 결합하여, 내식성의 저하를 초래하기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 0.05％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.05％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015％ 이하이다.
또한, 그 외에도, 내식성의 개선을 목적으로 하여, Ni, Cu, V, W를 각각 1.0％ 이하로 함유시킬 수도 있다. 또한, 열간 가공성(hot workability)의 향상을 목적으로 하여, Ca, Mg, REM(Rare Earth Metals), B를 각각 0.1％ 이하로 함유시킬 수도 있다.
잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물 중 O(산소)는, 0.02％ 이하인 것이 바람직하다.
스테인리스박(2)의 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃를 초과하면, 피막 형성의 열처리에 의해 광흡수층의 박리가 발생한다. 따라서, 스테인리스박(2)의 0∼100℃에 있어서의 선팽창률은 12.0×10－6/℃ 이하로 한다.
이러한 스테인리스박은, 예를 들면 JIS 규격의 SUS430(소위 17％ Cr강), SUS444(소위 18Cr-2Mo강), SUS447J1(소위 30Cr-2Mo강) 등에 상당하는 스테인리스강을 박압연함으로써 얻어진다.
다음으로 스테인리스박(2)의 두께에 대해서 설명한다.
스테인리스박(2)의 두께가, 20㎛ 미만에서는, 스테인리스박(2)이 너무 쉽게 접히거나, 혹은 갈라지기 때문에, 후술하는 절연 피막이나 광흡수층에 스테인리스박(2)의 접힌 부분이나 갈라지는 부분으로부터 균열이 발생하여 박리되기 쉬워진다. 한편, 200㎛를 초과하면, 유리 기판보다 고비용이 된다. 따라서, 스테인리스박(2)의 두께는 20∼200㎛의 범위 내로 한다.
이러한 조성과 두께를 갖는 스테인리스박(2)에, 절연 피막(3)이나 이면 전극(5) 등을 형성하기 전에, 예비 열처리를 행하여, 스테인리스박(2)의 압연 공정에서 발생한 잔류 응력을 제거한다. 예비 열처리는, N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서 행한다. 예비 열처리를 이러한 불활성 가스 분위기 혹은 환원성 가스 분위기에서 행함으로써, 스테인리스박(2)의 산화를 방지한다. 또한, AX 가스는 75체적％ H2와 25체적％ N2의 혼합 가스를 가리키며, HN 가스는 3∼10％체적％ H2와 잔부 97∼90체적％ N2의 혼합 가스를 가리킨다.
예비 열처리의 온도가 250℃ 미만에서는, 스테인리스박(2)의 잔류 응력을 충분히 제거할 수 없다. 한편, 1050℃을 초과하면, 스테인리스박(2)의 결정립이 조대화(coarsening)되어 스테인리스박(2)의 표면이 거칠어지기 때문에 변환 효율의 저하를 초래한다. 또한, Nb 또는 Mo를 첨가하지 않는 경우에는, 900℃을 초과하면 변태하기 때문에 충분한 내식성을 얻을 수 없다. 또한, 스테인리스박(2)을 연질화시키지 않고 경도를 보존유지(保持)하고, 스테인리스박(2)의 강성을 높이기 위해서는 700℃ 이하가 바람직하다. 따라서, 예비 열처리의 온도는 250∼1050℃의 범위 내로 한다. 바람직하게는 250∼900℃, 보다 바람직하게는 250∼700℃이다. 이 온도 범위에서 예비 열처리를 행함으로써, 스테인리스박(2)의 변형을 방지하면서 잔류 응력을 제거할 수 있다. 그 효과를 현저히 발휘하기 위해, 예비 열처리의 시간은 도달 온도에서 수 초 보존유지하면 충분하다.
도 2에 나타내는 바와 같은 집적형에서는, 예비 열처리를 행한 후, 스테인리스박(2)에 절연 피막(3)을 형성한다. 절연 피막(3)의 형성 방법은 특별히 한정하지 않는다. 또한, 절연 피막(3)의 재질은 특별히 한정하지 않지만, 종래부터 널리 사용되고 있는 알루미나 피막이 바람직하다. 이어서, 절연 피막(3) 상에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극(5)을 형성하고, 그 위에 광흡수층(4)으로서 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성한다.
도 1에 나타내는 그리드형에서는, 예비 열처리를 행한 후, 스테인리스박(2)에 이면 전극(5)을 형성한다. 이어서, 이면 전극(5) 상에 광흡수층(4)으로서 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성한다.
어느 경우도, 예비 열처리를 행한 스테인리스박(2)에 절연 피막(3)이나 이면 전극(5)을 형성할 때에 있어서, 미리 배리어층이라고 불리는 Cr 등의 층을 형성해도 좋다. 이 경우도, 배리어층 이외의 절연 피막, 이면 전극, 광흡수층의 구성은, 상기와 동일하다.
또한 본 발명에서는, 절연 피막(3), 이면 전극(5), 광흡수층(4)의 형성 방법은 특별히 한정하지 않지만, 광흡수층(4)에 있어서의 피막 형성의 열처리 방법으로서, 예를 들면, (A) 고상법(solid phase method), (B) 기상법(gas phase method), (C) 증착법(evaporation method)이 있다. 각각의 방법에 대해서, 그 개요를 이하에 나타낸다.
(A) 고상법
In/(CuGa)를 스퍼터링(sputtering)에 의해, 또한 Se를 증착법에 의해, 기판 상에 적층시켜, Se/In/(CuGa)를 형성한 후, 450∼500℃에서 열처리를 행함으로써 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성하는 방법.
(B) 기상법
In/(CuGa)를 H2Se 가스의 분위기 중에서 가열 처리하여 CIGS막(Copper Indium Gallium DiSelenide film)을 형성한 후, 추가로 500℃ 정도의 온도로 열처리를 행함으로써 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성하는 방법.
(C) 증착법
In, Ga, Se를 기판 온도 350∼500℃에서 조사한 후, 기판 온도를 500∼550℃로 승온하여 Se, Cu만을 조사하고, 추가로 500∼550℃에서 In, Ga, Cu를 조사하는, 혹은 In, Ga, Se, Cu를 500℃ 정도의 기판에 동시에 증착시킴으로써 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성하는 방법.
피막 형성의 열처리의 온도가 450℃ 미만에서는, Cu(In1－XGaX)Se2의 결정이 충분히 성장하지 않는다. 한편, 700℃를 초과하면, 스테인리스박(2)의 변형량이 증대되기 때문에, 절연 피막(3), 이면 전극(5)이나 광흡수층(4)이 박리되기 쉬워진다. 따라서, 피막 형성의 열처리의 온도는 450∼700℃의 범위 내가 바람직하다. 이 온도 범위에서 피막 형성의 열처리를 행함으로써, 스테인리스박(2)의 변형을 방지하면서 Cu(In1－XGaX)Se2의 결정을 성장시키는 것이 가능해진다.
이와 같이 하여 스테인리스박(2)에 절연 피막(3)을 형성하고, 그 절연 피막(3) 상에 이면 전극(5)과 광흡수층(4)을 형성하여 얻은 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)(도 2)는, 절연 피막(3)을 형성하기 전에 예비 열처리를 행하여 잔류 응력을 제거하기 때문에, 피막 형성의 열처리에 기인하는 변형이 억제된다. 또한, 스테인리스박(2)에 이면 전극(5)을 형성하고, 그 이면 전극(5) 상에 광흡수층(4)을 형성하여 얻은 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)(도 1)는, 이면 전극(5)을 형성하기 전에 예비 열처리를 행하여 잔류 응력을 제거하기 때문에, 피막 형성의 열처리에 기인하는 변형이 억제된다.
즉, 피막 형성 열처리를 행하기 전의 스테인리스박(2)의 폭을 W0(㎜), 피막 형성 열처리를 행한 후의 스테인리스박(2)의 폭을 W1(㎜), 피막 형성 열처리를 행하기 전의 스테인리스박(2)의 길이를 L0(㎜), 피막 형성 열처리를 행한 후의 스테인리스박(2)이 길이 L1(㎜)로 하여, 폭과 길이의 변화가 하기의 (1)식 및 (2)식을 만족하고, 광흡수층(4)이나 이면 전극(5), 절연 피막(3)의 박리를 억제할 수 있다.
100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.037％　　　…(1)
100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.037％　　　…(2)
광흡수층(4)이나 이면 전극(5), 절연 피막(3)의 박리를 억제하는 효과를 보다 한층 높이기 위해서는, 피막 형성 열처리에 기인하는 스테인리스박(2)의 변형을 더욱 억제할 필요가 있기 때문에, 스테인리스박(2)의 폭과 길이의 변화를 하기의 (3)식 및 (4)식의 범위로 억제하는 것이 바람직하다.
100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.018％　　　…(3)
100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.018％　　　…(4)
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)는, 피막 형성 열처리에 기인하는 스테인리스박(2)의 변형을 저감함으로써, 광흡수층(4)이나 이면 전극(5), 절연 피막(3)의 박리를 억제할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)로부터 제조한 태양전지는, 태양광을 효율 좋게 전기로 변환할 수 있다.
실시예
도 1에 나타내는 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)를 제조하고, 스테인리스박(2)의 변형을 조사했다. 또한 전극을 장착하여 태양전지를 제작하고, 그 변환 효율을 조사했다. 그 순서를 이하에 설명한다.
표 1에 나타내는 성분의 스테인리스박(2)(두께 50㎛)에, 예비 열처리(온도 400∼700℃)를 행하고, 이면 전극(5)으로서 Mo층을 형성한 후, 광흡수층(4)으로서 고상법에 의한 피막 형성 열처리를 행함으로써 Cu(In1－XGaX)Se2의 피막을 형성했다. 또한, 고상법에 있어서의 열처리 온도는 550℃로 했다. 이와 같이 하여 제작한 것을, 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)로 했다. 그 때, 피막 형성 열처리를 행하기 전에 스테인리스박(2)의 중앙부에 폭 방향과 길이 방향으로 각각 괘선을 그어, 피막 형성 열처리 후에 그들 괘선의 길이를 측정하고, 100×(W1－W0)/W0 및 100×(L1－L0)/L0를 산출하여, 스테인리스박(2)의 변형으로서 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
이와 같이 하여 얻은 스테인리스박제 태양전지 기판재(1)에, 버퍼층(buffer layer)으로서 CdS 피막을 제막하고, 이어서 투명 전도막(transparent conducting film)으로서 ZnO 피막을 형성하고, 마지막으로 Ni-Al 전극을 진공 증착(vacuum deposition)하여, 태양전지를 제작했다. 그 태양전지의 변환 효율을 측정했다. 이것을 발명예로 한다.
또한, 태양광을 전기로 변환하는 변환 효율은, 발전된 전류, 전압 측정으로부터 얻어진 출력값을 입사광 강도(intensity of incident light)로 나눈 값으로 산출된다.
한편, 예비 열처리를 행하지 않고, 그 외의 공정은 발명예와 동일하게 하여 태양전지를 제작하여, 그 변환 효율을 측정했다. 이것을 비교예로 한다.
발명예 및 비교예에 대해서, 스테인리스박의 변형과 태양전지의 변환 효율을 표 2에 나타낸다. 여기에서, 스테인리스박(2)의 폭 및 길이의 변화에 있어서, ＋는 팽창측, －는 수축측을 나타내고 있다.
Figure 112014107260724-pct00001
Figure 112014107260724-pct00002
표 2로부터 분명한 바와 같이, 발명예는 스테인리스박의 변형이 작아, 그 결과, 광흡수층의 박리가 억제되었기 때문에, 태양전지의 변환 효율이 높았다.
본 발명에 의하면, 염가이며 게다가 대량 생산이 가능한 스테인리스박을 이용한 태양전지 기판재(즉 스테인리스박제 태양전지 기판재)에 형성되는 광흡수층의 피막의 박리를 방지할 수 있다. 그 때문에, 태양전지의 제조 비용의 삭감에 기여할 뿐만 아니라, 태양광을 전기로 변환하는 변환 효율을 향상시키는 것이 가능해지기 때문에, 산업상 각별한 효과를 나타낸다.
1 : 스테인리스박제 태양전지 기판재
2 : 스테인리스박
3 : 절연 피막
4 : 광흡수층
5 : 이면 전극

Claims (10)

  1. Cr을 7∼40질량％ 함유하고, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃ 이하이며, 두께를 20∼200㎛로 한 스테인리스박(stainless steel foil)에, N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서, 또한 250∼1050℃의 범위 내에서 응력 제거를 위한 예비 열처리를 행하고, 또한 당해 예비 열처리를 행한 상기 스테인리스박의 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극(back-contact)을 형성한 후, 또는 상기 스테인리스박의 표면에 절연 피막을 형성하고 또한 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 피막 형성 열처리를 행하여 상기 이면 전극 상에 Cu(In1－XGaX)Se2(여기서, 0<X<1)로 이루어지는 광흡수층을 형성하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예비 열처리를 250∼900℃의 범위 내에서 행하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 예비 열처리를 250∼700℃의 범위 내에서 행하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피막 형성 열처리를 450∼700℃의 범위 내에서 행하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  5. Cr을 7∼40질량％ 함유하고, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10－6/℃ 이하이며, 두께를 20∼200㎛로 하고, 또한 N2 가스, H2 가스, Ar 가스, AX 가스 및 HN 가스로부터 선택되는 1종의 분위기 중 또는 2종 이상을 혼합한 분위기 중에서, 또한 250∼1050℃의 범위 내에서 응력 제거를 위한 예비 열처리를 행한 스테인리스박의 표면에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 또는 상기 스테인리스박의 표면에 절연 피막을 형성하고 또한 그 위에 Mo층으로 이루어지는 이면 전극을 형성한 후, 피막 형성 열처리를 행하여 상기 이면 전극 상에 Cu(In1－XGaX)Se2(여기서, 0<X<1)로 이루어지는 광흡수층을 형성하고, 상기 피막 형성 열처리를 행하기 전후의 상기 스테인리스박의 폭 및 길이의 변화가 각각 하기의 (1)식 및 (2)식을 만족하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
    100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.037％　　　…(1)
    100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.037％　　　…(2)
    W0: 피막 형성 열처리를 행하기 전의 스테인리스박의 폭(㎜)
    W1: 피막 형성 열처리를 행한 후의 스테인리스박의 폭(㎜)
    L0: 피막 형성 열처리를 행하기 전의 스테인리스박의 길이(㎜)
    L1: 피막 형성 열처리를 행한 후의 스테인리스박의 길이(㎜)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피막 형성 열처리를 행하기 전후의 상기 스테인리스박의 폭 및 길이의 변화가 각각 하기의 (3)식 및 (4)식을 만족하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
    100×｜(W1－W0)｜／W0≤0.018％　　　…(3)
    100×｜(L1－L0)｜／L0≤0.018％　　　…(4)
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 예비 열처리의 온도가 250∼700℃의 범위 내인 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 피막 형성 열처리의 온도가 450∼700℃의 범위 내인 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 피막 형성 열처리를 450∼700℃의 범위 내에서 행하는 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 피막 형성 열처리의 온도가 450∼700℃의 범위 내인 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법.
KR1020147031326A 2012-05-23 2012-05-23 스테인리스박제 태양전지 기판재의 제조 방법 KR101756761B1 (ko)

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