KR102227799B1 - Ｃｉｇｓ 박막 태양전지 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성함으로써, 열처리를 통한 셀렌화 공정에서 셀레늄이 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 불순물 및 파티클 발생을 방지할 수 있고, 셀레늄 공정 이후에 셀레늄 박막이 박리 또는 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 최소화시킬 수 있도록 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
본 발명인 CIGS 박막 태양전지 제조방법을 이루는 구성수단은, CIGS 박막 태양전지 제조방법에 있어서, 기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계, 상기 후면 전극층 상에 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막을 형성하는 단계, 상기 CIG 전구체 박막 상에 셀레늄(Se) 전구체 박막을 형성하는 단계 및 상기 CIG 전구체 박막 및 셀레늄 전구체 박막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되되, 상기 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

ＣＩＧＳ 박막 태양전지 제조방법{Method for manufacturing CIGS thin film solar cell}
본 발명은 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 특히 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성함으로써, 열처리를 통한 셀렌화 공정에서 셀레늄이 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 불순물 및 파티클 발생을 방지할 수 있고, 셀레늄 공정 이후에 셀레늄 박막이 박리 또는 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 최소화시킬 수 있도록 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
태양전지 기술은 근래에 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인한 문제를 해결하기 위해, 친환경적인 신 재생 에너지 기술로 주목받고 있다.
태양전지는 태양으로부터 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 가장 주목받고 있다. 그 중에서도 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제작되므로 재료의 소모량을 절감시킬 수 있고, 무게가 가볍기 때문에 활용범위가 넓다.
종래의 박막형 태양전지의 종류에는 크게 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 셀레늄(Se)을 사용한 Cu(In,Ga)Se 또는 Cu(In,Ga)S의 CIGS 박막형 태양전지와, 카드뮴(Cd), 텔루륨(Te)를 사용한 CdTe 박막형 태양전지가 널리 사용되고 있으며, 근래에는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn) 과 VI족 원소인 황(S) 또는 셀레늄(Se)을 사용하여 제조하는 Cu2ZnSnS4/ Cu2ZnSnSe4 (CZTS계) 박막형 태양전지가 있다.
CIGS 박막형 태양전지는 박막 태양전지 중에서 효율이 가장 높고, 잠재력이 높은 물질로 향후 3~4년 내 다결정 태양전지와 유사한 효율을 달성할 수 있을 것으로 보이며, 이러한 효율 특성과 박막이 가진 저가격, 우수한 발전 성능을 바탕으로 향후 기존의 결정질 태양전지를 대체할 후보 물질로 전망된다.
CIGS계 박막형 태양전지의 가장 큰 장점은 높은 광흡수율이다(α > 105 cm-1). 이는 Eg = 10 eV 영역에서 결정질 실리콘 대비 약 100배 이상의 큰 광흡수 특성을 보이고 있고, 흡수층 박막 내부의 Ga 함유량 제어를 통해 에너지 밴드갭을 손쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.
그런데 이러한 CIGS 박막과 같은 4원계 화합물의 제조는 그 조성뿐만 아니라 온도, 시간 등에 의해서도 크게 변하기 때문에 엄밀한 공정 제어가 필수적인데, 먼저, 스퍼터링(Sputtering) 또는 진공 증착(Vacuum Evaporation)등의 물리기상증착법(PVD: Physical Vapor Deposition)이나, 나노입자를 스프레잉(Spraying)이나 프린팅(Printing)에 의해 코팅하는 방법을 통해 CIGS 박막을 증착 형성한다.
이러한 CIGS 박막은 CIGS 태양전지의 광흡수층으로 사용되어 높은 광효율을 발휘하기 위하여, Ga 원소가 흡수층 내부에 고르게 분포시키고, 셀레늄(Se)의 막 밀도를 증가시키며, 그레인(Grain)을 더욱 성장시키기 위한 별도의 열처리 단계를 거치게 된다.
이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 등록특허 제10-0977529호(이하, "선행기술문헌"이라 함)에서는 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지가 개시된 바 있다.
상기 선행기술문헌에 따르면, 중온(300~400℃), 저온(50~300℃), 고온(400~600℃)의 3단계 열처리를 통해 효과적인 셀렌화(Selenization)를 유도함으로써, 기화 온도가 상대적으로 낮은 셀레늄(Se)으로 인한 비화학양론적 CIGS 구성을 제어하여, 셀레늄(Se)의 그레인 성장을 통해, CIGS 막 밀도를 증가시켜, 결과적으로 화학양론적 CIGS(Cu(In1-xGax)Se2)의 제조가 가능하게 되며, 이를 통해 전기적 특성이 향상된 고효율의 태양전지를 얻을 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다
상기 선행기술문헌을 포함한 기존의 일반적인 CIGS 박막 태양전지는 기판상에 CIG 전구체 또는 CIGS 전구체를 적층한 후, 열처리를 이용한 셀렌화(Selenization) 공정을 수행하여 광흡수층을 완성한다. 그런데, 기판상에 CIG 전구체 또는 CIGS 전구체를 적층한 후 셀렌화(Selenization)하는 과정에서, 셀레늄(Se) 박막이 상기 전구체의 측면과 상기 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 문제점일 발생할 수 있다.
이와 같이, 상기 셀레늄(Se) 박막이 셀렌화 공정을 수행하는 과정에서 상기 기판의 배면으로 전이 또는 확산되면, 셀렌화 공정 이후에 상기 셀레늄(Se) 박막이 박리 또는 분리 이탈되어 공정 불량이 발생하는 문제가 발생한다. 또한, 상기 셀렌화 공정을 수행하는 과정에서 상기 셀레늄(Se)이 상기 기판 배면으로 확산 또는 전이되면, 결국 불순물 또는 파티클이 발생되는 단점이 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-0977529호(공고일자 : 2010년 08월 23일, 발명의 명칭 : 3단계 열처리에 의한 CIGS 박막 제조 방법 및 CIGS 태양전지)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성함으로써, 열처리를 통한 셀렌화 공정에서 셀레늄이 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 불순물 및 파티클 발생을 방지할 수 있고, 셀레늄 공정 이후에 셀레늄 박막이 박리 또는 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 최소화시킬 수 있도록 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배면 확산 방지층을 후면 전극층을 형성하는 단계 이전 또는 이후에 수행하거나 상기 셀레늄 전구체 박막을 형성하는 단계와 상기 광흡수층을 형성하는 단계 사이에 수행할 수 있도록 구성함으로써, 공정 적용 시점과 진행을 탄력적으로 선택 및 수행할 수 있고, 이로 인하여 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 CIGS 박막 태양전지 제조방법을 이루는 구성수단은, CIGS 박막 태양전지 제조방법에 있어서, 기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계, 상기 후면 전극층 상에 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막을 형성하는 단계, 상기 CIG 전구체 박막 상에 셀레늄(Se) 전구체 박막을 형성하는 단계 및 상기 CIG 전구체 박막 및 셀레늄 전구체 박막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되되, 상기 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배면 확산 방지층을 형성하는 단계는 상기 후면 전극층을 형성하는 단계 이전 또는 이후에 수행하거나 상기 셀레늄 전구체 박막을 형성하는 단계와 상기 광흡수층을 형성하는 단계 사이에 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배면 확산 방지층은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO 중, 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결수단을 가지는 본 발명인 CIGS 박막 태양전지 제조 방법에 의하면, 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하기 때문에, 열처리를 통한 셀렌화 공정에서 셀레늄이 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 불순물 및 파티클 발생을 방지할 수 있고, 셀레늄 공정 이후에 셀레늄 박막이 박리 또는 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 최소화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 의하면, 배면 확산 방지층을 후면 전극층을 형성하는 단계 이전 또는 이후에 수행하거나 상기 셀레늄 전구체 박막을 형성하는 단계와 상기 광흡수층을 형성하는 단계 사이에 수행할 수 있도록 구성하기 때문에, 공정 적용 시점과 진행을 탄력적으로 선택 및 수행할 수 있고, 이로 인하여 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 의하여 제조된 CIGS 박막 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법의 플로우챠트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 공정 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 의하여 제조된 CIGS 박막 태양전지의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 관한 구체적인 설명을 하기 전에, 본 발명에 관한 CIGS 박막 태양전지(100)의 구성에 대해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIGS 박막 태양전지는 기판(10), 상기 기판상에 적층 형성되는 후면 전극층(20), 상기 후면 전극층(20) 상에 적층 형성되는 광흡수층(30), 상기 광흡수층(30) 상에 적층 형성되는 버퍼층(50) 및 상기 버퍼층(50) 상에 적층 형성되는 전면 전극층(60)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성의 CIGS 박막 태양전지(100)는 기존의 구성과 대동소이할 수 있다.
그런데, 본 발명에 따른 CIGS 박막 태양전지(100)는 상기 일반적인 구성에 추가되는 배면 확산 방지층(70)을 더 포함하여 구성된다. 상기 배면 확산 방지층(70)은 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성된다.
상기 배면 확산 방지층(70)은 열처리를 통한 셀렌화 공정을 수행하는 과정에서 셀레늄(Se)막이 상기 기판(10)의 배면으로 확산 또는(및) 전이되는 것을 방지하여, 셀렌화 공정 이후에 화학적 반응 또는 물리적 영향으로 인해 상기 셀레늄(Se) 박막이 박리 또는 분리 이탈되는 것을 방지하기 위하여 채택 적용된다. 더 나아가 상기 배면 확산 방지층(70)은 상기 열처리를 통한 셀렌화 공정을 수행하는 과정에서 셀레늄(Se)막이 상기 기판(10)의 배면으로 확산 또는(및) 전이되어 파티클 또는 불순물이 발생하는 것을 방지하기 위하여 채택 적용한다.
상기 배면 확산 방지층(70)은 본 발명에 따른 CIGS 박막 태양전지(100)를 제조하는 과정에서 다양한 시점에서 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판상에 전구체(CIG 전구체 및 셀레늄 전구체)만을 형성하는 업체는 기판(10)의 배면에 상기 배면 확산 방지층(70)이 이미 형성된 기판을 기판 제조업체로부터 받아서 사용할 수도 있고, 상기 기판(10)만을 받아서 직접 기판(10)의 배면에 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성할 수도 있다. 즉, 상기 배면 확산 방지층(70)은 기판 제조업체가 기판 제조 과정에서 형성할 수도 있고, 전구체(CIG 전구체 및 셀레늄 전구체) 형성 업체가 기판을 구매하여 직접 형성할 수도 있다.
또한, 상기 배면 확산 방지층(70)은 공정 장비의 구성 또는 공정 효율을 고려하여 광흡수층을 형성하기 전에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수도 있고 상기 광흡수층을 형성한 후에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수도 있다. 또한, 상기 배면 확산 방지층(70)은 공정 장비 성능, 공정 장비 조건 및 공정 환경 등을 고려하여 상기 기판(10)상에 적층되는 층들(후면 전극층 등)을 형성하기 이전에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수 있다.
상기 배면 확산 방지층(70)을 상기 기판상에 적층 형성되는 층들 이전에 적층 형성하는 것은 상기 기판(10)상에 적층 형성되는 층들(후면 전극층, 광흡수층 등)에게 전기적 특성에 관한 영향을 줄 수 있는 원인을 제거하기 위하여 채택 적용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 배면 확산 방지층(70)은 다양한 절연 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 배면 확산 방지층(70)은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO 중, 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 대하여 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법은 CIGS 박막 태양전지 제조방법에 있어서, 기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계(s10), 상기 후면 전극층 상에 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막을 형성하는 단계(s20), 상기 CIG 전구체 박막 상에 셀레늄(Se) 전구체 박막을 형성하는 단계(s30), CIG 전구체 박막 및 셀레늄 전구체 박막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계(s40)를 포함하여 구성되되, 상기 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하는 단계(s70)를 더 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조 방법은 상기 광흡수층을 형성하는 단계(s40) 이후에 일반적인 공정에 해당하는 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계(s50) 및 상기 버퍼층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계(s60)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 기판 배면에 배면 확산 방지층을 형성하는 단계(s70)는 상술한 바와 같이, 열처리를 통한 셀렌화 공정을 수행하는 과정(본 발명에서 열처리를 통해 광흡수층을 형성하는 단계(s40))에서 셀레늄(Se)막이 상기 기판(10)의 배면으로 확산 또는(및) 전이되는 것을 방지하여, 셀렌화 공정 이후에 화학적 반응 또는 물리적 영향으로 인해 상기 셀레늄(Se) 박막이 박리 또는 분리 이탈되는 것을 방지하기 위하여 채택 적용된다. 더 나아가 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성하는 단계(s70)는 상기 열처리를 통한 셀렌화 공정을 수행하는 과정에서 셀레늄(Se)막이 상기 기판(10)의 배면으로 확산 또는(및) 전이되어 파티클 또는 불순물이 발생하는 것을 방지하기 위하여 채택 적용한다.
상기 배면 확산 방지층(70)을 형성하는 단계(s70)는 본 발명에 따른 CIGS 박막 태양전지(100)를 제조하는 과정에서 다양한 시점에서 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성되는 것으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판상에 전구체(CIG 전구체 및 셀레늄 전구체)만을 형성하는 업체는 기판(10)의 배면에 상기 배면 확산 방지층(70)이 이미 형성된 기판을 기판 제조업체로부터 받아서 사용할 수도 있고, 상기 기판(10)만을 받아서 직접 기판(10)의 배면에 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성할 수도 있다. 즉, 상기 배면 확산 방지층(70)은 기판 제조업체가 기판 제조 과정에서 형성할 수도 있고, 전구체(CIG 전구체 및 셀레늄 전구체) 형성 업체가 기판을 구매하여 직접 형성할 수도 있다.
또한, 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성하는 단계(s70)는 공정 장비의 구성 또는 공정 효율을 고려하여 광흡수층을 형성하기 전에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수도 있고 상기 광흡수층을 형성한 후에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수도 있다. 또한, 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성하는 단계(s70)는 공정 장비 성능, 공정 장비 조건 및 공정 환경 등을 고려하여 상기 기판(10)상에 적층되는 층들(후면 전극층 등)을 형성하기 이전에 상기 기판(10)의 배면에 적층 형성될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 상기 배면 확산 방지층을 형성하는 단계(s70)는 상기 후면 전극층을 형성하는 단계(s10) 이전 또는 이후에 수행하거나 상기 셀레늄 전구체 박막을 형성하는 단계(s30)와 상기 광흡수층을 형성하는 단계(s40) 사이에 수행하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 배면 확산 방지층을 형성하는 단계(s70)는 상기 기판상에 후면 전극층을 형성하기 전에 미리 상기 기판의 배면에 적층 형성될 수도 있고, 상부면에 상기 후면 전극층이 형성된 상태에 있는 상기 기판의 배면에 적층 형성될 수도 있으며, 상기 기판상에 순차적으로 후면 전극층, CIG 전구체 박막 및 셀레늄 박막을 형성한 이후, 즉 상기 열처리를 통해 광흡수층을 형성하는 단계(s40) 이전에 수행되어, 상기 배면 확산 방지층(70)을 상기 기판의 배면에 형성할 수 있다.
구체적으로, 기판 제조 업체 또는 전구체 적층 업체가 기판에 대하여 후면 전극을 형성하기 전에 상기 기판 배면에 상기 배면 확산 방지층을 형성할 수도 있고, 후면 전극을 먼저 형성한 후에 상기 기판 배면엔 상기 배면 확산 방지층을 형성할 수 있으며, 셀렌화 수행 업체에 넘기기 전에 상기 전구체까지 형성한 후에 상기 기판의 배면에 상기 배면 확산 방지층을 형성할 수도 있다.
그런데, 상기 배면 확산 방지층은 절연 물질로 형성되기 때문에, 적층 형성 과정, 구체적으로 스퍼터링 과정에서 이미 기판상에 적층된 금속층(후면 전극층, 광흡수층, 전면 전극 등)에 묻거나 코팅되는 경우 전기적 특성(저항 등)에 영향을 미치게 되고, 결과적으로 CIGS 박막 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제점을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배면 확산 방지층을 기판 배면에 형성하는 단계(s70)는 CIGS 박막 태양전지를 구성하는 금속층들의 전기적 특성에 영향을 미치는 것을 원천적으로 봉쇄하기 위하여 상기 기판상에 어떠한 금속이 적층되기 전에, 즉 상기 기판상에 후면 전극층이 형성되기 전에 수행되는 것이 바람직하다.
결과적으로, 상기 배면 확산 방지층(70)을 상기 기판상에 적층 형성되는 금속층들(후면 전극층 등)을 형성하기 이전에 적층 형성하는 것은 상기 기판(10)상에 적층 형성되는 금속층들(후면 전극층, 광흡수층 등)에게 전기적 특성에 관한 영향을 줄 수 있는 원인을 제거하기 위하여 채택 적용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 배면 확산 방지층(70)은 다양한 절연 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 배면 확산 방지층(70)은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO 중, 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 절연물질로 형성되는 상기 배면 확산 방지층(70)을 상기 기판의 배면에 형성하면, 열처리를 통한 셀렌화 과정에서 셀레늄 박막이 상기 기판의 배면으로 확산 및(또는) 전이되는 것이 방지되어, 셀렌화 공정 이후에 상기 셀레늄 박막이 박리되거나 분리 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 막을 수 있다.
더 나아가, 상기와 같은 절연물질로 형성되는 상기 배면 확산 방지층(70)을 상기 기판의 배면에 형성하되, 상기 기판상에 후면 전극층을 형성하기 이전에 형성하면, 상술한 셀레늄 박막 박리 방지 효과뿐만 아니라, 상기 기판상에 형성되는 금속층들에 전기적 악영향을 미칠 가능성이 없기 때문에, CIGS 박막 태양전지의 효율들 떨어뜨리는 가능성을 원천 봉쇄할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지의 기저가 되는 기판을 준비한다.
상기 기판은 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인레스 스틸(stainless steel) 기판, 폴리머(polymer) 기판, 금속 기판 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다. 다만, 플렉시블한 CIGS 박막 태양전지를 제고하기 위하여 본 발명에 적용되는 기판은 스테인레스 스틸(stainless steel) 기판인 것이 바람직하다.
다음, 상기 기판상에 후면 전극층(20)을 형성하는 단계(s10)를 수행할 수 있는데, 상술한 기판의 배면에 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성하는 단계(s70)는 금속층들의 전기적 특성에 악영향을 미칠 가능성을 제거하기 위하여 상기 기판상의 후면 전극층(20)을 형성하는 단계(s10) 이전에 수행하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 3의 (b)에서는 상기 기판상에 후면 전극층이 형성되기 이전에 상기 배면 확산 방지층(70)이 먼저 형성되는 공정을 예시하고 있다. 물론 경우에 따라서 상기 배면 확산 방지층을 형성하는 단계(s70)는 상기 기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계(s10) 이전에 형성되지 않고, 이후에 형성될 수도 있다.
본 발명에 적용되는 배면 확산 방지층(70)은 다양한 증착 방법에 의해서 형성될 수 있는데, 스퍼터링법에 의해 상술한 절연물질을 증착하여 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 배면 확산 방지층(70)은 다양한 두께로 형성될 수 있는데, 상기 배면 확산 방지층을 200nm로 적층하여 시험 분석을 실시해 본 결과 표면저항이 0.3Ω을 초과하여 저항치가 높게 형성됨을 확인하였고, 두께를 300nm ~ 600nm 적층 시 표면저항 0.3Ω 이하로 성능을 확보할 수 있는 것을 확인되었다. 따라서, 상기 배면 확산 방지층은 300nm ~ 600nm 사이 범위의 두께를 가지도록 스퍼터링에 의하여 증착 형성되는 것이 바람직하다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)에 상기 배면 확산 방지층(70)을 형성한 후에는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계(s10)를 수행한다.
상기 후면 전극층은 다양한 금속층 또는 합금층으로 형성될 수 있지만, 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 몰리브덴(Mo)을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 스테인레스 스틸 기판상에 몰리브덴 금속을 증착하여 형성한다.
상술한 배면 확산 방지층과 상기 후면 전극층은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있는데, 예를 들어, E-beam 증착법(Electron beam evaporation), 전자빔이온 플레이팅(Electron Beam Ion plating), 스퍼터링(Suppertering), 스퍼터링 이온 플레이팅 시스템(Suppertering Ion plating System), 레이저 분자빔 증착법(Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스 레이저 증착법 (Pulsed Laser Deposition), 저항 가열식 증착법(Thermal evaporation) 및 이온 어시스트 증착법(Ion-Assist Deposition) 중 적어도 어느 하나의 진공증착방법으로 증착될 수 있는데, 스퍼터링법에 의해 증착되는 것이 가장 바람직하다.
다음, 상기 기판상에 후면 전극층이 형성되면, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, CIG 전구체 박막을 형성하는 단계(s20)를 수행한다. 즉, 다음 단계로서, 상기 후면 전극층 상에 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막을 형성하는 단계(s20)를 수행한다.
상기 CIG 전구체 박막(31)은 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 구성되고, 이후 열처리 단계(s40)에서 셀레늄 전구체 박막과 반응하여 CIGS 광흡수층을 형성한다. 상기 CIGS 광흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 또는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 황(S)의 4가지 원소가 합쳐져서 구성되는 화합물층을 의미하는데, 본 발명에서는 전자에 해당하는 것이 바람직하다.
상기 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 금속으로 이루어진 CIG 전구체 박막은 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 각각을 포함하는 금속층을 의미한다. 상기 CIG 전구체 박막은 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)의 금속을 포함하며, 이때, 상기 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막(31)은 구리/인듐/갈륨, 구리/갈륨/인듐, 인듐/구리/갈륨, 인듐/갈륨/구리, 갈륨/구리/인듐 및 갈륨/인듐/구리 중 하나의 적층순서로 될 수 있다.
상기 CIG 전구체 박막(31)의 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)은 상기 후면 전극층(20) 상에 진공증착방식 혹은 비진공증착방식을 통해 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 CIG 전구체 박막(31)은 스퍼터링(Sputtering) 또는 진공 증발발(Vacuum Evaporation)과 같은 진공 증착법, 전기도금, 나노 스프레잉(Spraying) 및 나노 프린팅(Printing)법과 같은 비진공증착법으로 증착될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)으로 구성되는 CIG 전구체 박막(31)은 동시에 증착하여 형성하거나 혹은 각각 적층하여 형성될 수 있으며, 상기 CIG 전구체 박막(31)을 궝하는 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 각각의 두께는 CIGS 광흡수층 조성비를 제어를 위해 변경될 수 있다.
다음, 상기 CIG 전구체 박막(31)이 증착 형성되면, 상기 CIG 전구체 박막 상에 셀레늄(Se) 전구체 박막(33)을 형성하는 단계(s30)를 수행하여, 도 3의 (e)에 도시된 바와 같이, 상기 SIG 전구체 박막(31) 상에 셀레늄 전구체 박막(33)이 적층 형성된다.
상기 셀레늄 전구체 박막(33)은 이후 진행되는 열처리 단계(s40)에서 상기 CIG 전구체 박막(31)과 반응하여 CIGS 광흡수층(30)을 형성하기 위해 형성된다. 상기 셀레늄 전구체 박막(33)은 상기 CIG 전구체 박막(31) 상에 진공증착방식 혹은 비진공증착방식을 통해 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀레늄 전구체 박막(33)은 스퍼터링(Sputtering) 또는 진공 증발발(Vacuum Evaporation)과 같은 진공 증착법, 전기도금, 나노 입자를 이용한 스프레이 (Spraying) 및 프린팅(Printing)법과 같은 비진공증착법으로 증착될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
다음, 상기 셀레늄 전구체 박막(33)이 적층 형성되면, 상기 CIG 전구체 박막(31) 및 셀레늄 전구체 박막(33)을 열처리하여 광흡수층(30)을 형성하는 단계(s40)를 수행한다. 그러면, 도 3의 (f)에 도시된 바와 같이, 상기 후면 전극층(20) 상에 광흡수층(30)이 형성된다.
상기 열처리하여 광흡수층을 형성하는 셀렌화 단계(s40)는 상기 형성된 CIG 전구체 박막(31)과 상기 셀레늄 전구체 박막(33)을 열처리하여 갈륨(Ga)이 균일하게 분포된 CIGS 광흡수층을 형성하는 셀렌화 단계이다.
상기 열처리는 CIG 전구체 박막(31)과 상기 셀레늄 전구체 박막(33)을 반응시켜 일정조성의 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 CIGS 화합물을 포함하는 CIGS 광흡수층(30)을 형성하기 위해 수행된다. 상기 열처리를 위해 고온전기로(furnace), 급속 열처리 장비(rapid thermal process, RTP)가 사용될 수 있다.
상기 열처리는 셀레늄(Se)이 공급되는 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는, 상기 CIGS 광흡수층(30)의 조성을 맞추기 위한 것이며, 열처리 공정을 수행하는 과정에서 셀레늄(Se) 가스가 증발함으로써 달라지는 조성변화를 막기 위한 것이다.
다음, 상기 셀렌화 공정을 통하여 광흡수층이 형성되면, 도 3의 (g)에 도시된 바와 같이, 상기 광흡수층(30) 상에 버퍼층(buffer layer)(50)을 형성하는 단계(s50)를 더 수행한다. 상기 버퍼층(50)은 상기 CIGS 광흡수층(30) 상에 형성될 수 있는 윈도우층과의 에너지 밴드갭 차이를 감소시키기 위한 것이고, 또한, 윈도우층 형성시 상기 CIGS 광흡수층(30)의 손상을 최소화하기 위해 형성한다.
상기 버퍼층(buffer layer)(50)은 스퍼터링(sputter) 또는 증발법(evaporator)과 같은 물리적 기상 증착법 (physical vapor deposition, PVD), 화학적 용액성장법(Chemical Bath Deposition, CBD) 및 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 중 하나의 방법으로 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
상기 버퍼층(buffer layer)은 CdS, InxSey, Zn(O,S,OH)x, In(OH)xSy, ZnInxSey, ZnSe(이때, x 및 y는 양의 정수임) 중 적어도 어느 하나를 증착하여 형성할 수 있다.
다음, 상기 버퍼층(50)이 형성되면, 도 3의 (h)에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(50) 상에 전면 전극층(60)을 바로 형성할 수도 있지만, 경우에 따라서, 상기 버퍼층(buffer layer)(50) 상에 윈도우층(window layaer)(미도시)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 윈도우층(window layaer)은 스퍼터링(sputter) 또는 증발법(evaporator)과 같은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD) 으로 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다. 상기 윈도우층(window layaer)은 투과율이 우수한 동시에 전기전도성이 우수한 ZnO, ITO 등의 투명전도막을 사용될 수 있으며, 인듐이 도핑된 산화아연(ZnO) 상에 산화아연(Zn)이 증착된 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 버퍼층(50) 상에 또는 상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층 상에 전면 전극층(60)을 형성하는 단계(s60)를 추가적으로 수행할 수 있다. 상기 전면 전극층(60)은 스퍼터링(sputter) 또는 증발법(evaporator)과 같은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)으로 형성될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다. 상기 전면 전극은 Al, Ag, Ni, M 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명인 CIGS 박막 태양전지 제조 방법에 의하면, 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하기 때문에, 열처리를 통한 셀렌화 공정에서 셀레늄이 기판의 배면으로 전이 또는 확산되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 불순물 및 파티클 발생을 방지할 수 있고, 셀레늄 공정 이후에 셀레늄 박막이 박리 또는 이탈되는 것을 방지하여 공정 불량을 최소화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
또한, 본 발명에 의하면, 배면 확산 방지층을 후면 전극층을 형성하는 단계 이전 또는 이후에 수행하거나 상기 셀레늄 전구체 박막을 형성하는 단계와 상기 광흡수층을 형성하는 단계 사이에 수행할 수 있도록 구성하기 때문에, 공정 적용 시점과 진행을 탄력적으로 선택 및 수행할 수 있고, 이로 인하여 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10 : 기판 20 : 후면 전극층
30 : 광흡수층 31 : CIG 전구체 박막
33 : 셀레늄 전구체 박막 50 : 버퍼층
60 : 전면 전극층 70 : 배면 확산 방지층
100 : CIGS 박막 태양전지

Claims (3)

  1. CIGS 박막 태양전지 제조방법에 있어서,
    기판상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 CIG 전구체 박막을 형성하는 단계; 상기 CIG 전구체 박막 상에 셀레늄(Se) 전구체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 CIG 전구체 박막 및 셀레늄 전구체 박막을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되되,
    상기 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계에서 셀레늄(Se)막이 상기 기판의 배면으로 확산 또는 전이되어 파티클 또는 불순물이 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 기판의 배면에 배면 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성되고,
    상기 배면 확산 방지층을 형성하는 단계는 상기 후면 전극층을 형성하는 단계 이전에 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배면 확산 방지층은 TiO2로 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 태양전지 제조방법.
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