KR20100030003A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지의 제조방법이 개시되어 있다. 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극을 형성하는 단계; 및 전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 광 흡수층을 형성하는 단계는 전극 상에 금속 프리커서 결정을 1 차 성장시키는 단계; 1 차 성장된 금속 프리커서 결정을 1 차 칼코겐화 시키는 단계; 1 차 칼코겐화된 금속 프리커서 결정을 2 차 성장시키는 단계; 및 2 차 성장된 금속 프리커서 결정을 2 차 칼코겐화 시키는 단계를 포함한다.
CIGS, 결정, selenization, 그레인
Description
실시예는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지의 광 흡수층은 향상된 결정 특성을 가져야 한다.
실시예는 흡수층의 성분비를 일정하게 유지하고, 흡수층의 균일도를 향상시키는 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
특히, 실시예는 흡수층의 그레인 크기 및 결정성을 향상시키고, 향상된 성능을 가지는 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 전극 상에 금속 프리커서 결정을 1 차 성장시키는 단계; 상기 1 차 성장된 금속 프리커서 결정을 1 차 칼코겐화 시키는 단계; 상기 1 차 칼코겐화된 금속 프리커서 결정을 2 차 성장시키는 단계; 및 상기 2 차 성장된 금속 프리커서 결정을 2 차 칼코겐화 시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 금속 프리커서 결정의 성장 및 칼코겐화를 다수의 단계로 나누어 진행한다.
따라서, 칼코겐 원소가 광 흡수층에 균일하게 분포할 수 있고, 광 흡수층의 성분비가 일정하게 유지되고, 광 흡수층의 균일도가 향상된다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 금속 프리커서 결정과 칼코겐 원소의 접촉성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 광 흡수층의 그레인의 크기가 향상되고, 광 흡수층의 결정성이 향상된다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 향상된 성능의 태양전지를 제공한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 결정 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 결정 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 광 흡수층을 형성하기 위한 장치를 도시한 도면이다. 도 2a 내지 도 2g는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, CIGS계 태양전지의 광 흡수층(300)을 형성하기 위한 장치는 프리커서 성장 영역(10), 칼코겐화 영역(20), 버퍼 영역(30), 스퍼터 타겟들(41, 42, 43), 칼코겐 타겟(50), 히팅 존(60), 히팅 램프(70) 및 트랜스퍼 캐리어(80)를 포함한다.
상기 프리커서 성장 영역(10) 및 상기 칼코겐화 영역(20)는 서로 이격되어 배치되며, 상기 프리커서 성장 영역(10) 및 상기 칼코겐화 영역(20) 사이에 버퍼 영역(30)가 배치된다.
상기 프리커서 성장 영역(10)에서는 스퍼터링 공정이 진행되고, 상기 칼코겐화 영역(20)에서는 셀레니제이션(selenization) 또는 설퍼리제이션(sulfurization) 공정이 진행된다.
상기 프리커서 성장 영역(10), 상기 칼코겐화 영역(20) 및 상기 버퍼 영역(30)는 상기 히팅 존(60) 아래에 배치된다.
상기 스퍼터 타겟들(41, 42, 43)은 상기 프리커서 성장 영역(10) 내측에 배치된다. 상기 스퍼터 타겟들(41, 42, 43)은 구리 스퍼터 타겟(41), 인듐 스퍼터 타겟(42) 및 갈륨 스퍼터 타겟(43)이다.
상기 칼코겐 타겟(50)은 상기 칼코겐화 영역(20) 내측에 배치된다. 상기 칼코겐 타겟(50)은 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함한다.
상기 히팅 존(60)은 상기 프리커서 성장 영역(10), 상기 칼코겐화 영역(20) 및 상기 버퍼 영역(30) 상에 배치된다. 상기 히팅 존(60)은 상기 히팅 램프(70)에서 발생한 열을 균일하게, 상기 프리커서 성장 영역(10), 상기 칼코겐화 영역(20) 및 상기 버퍼 영역(30)에 전달한다. 이때, 상기 히팅 존(60)의 온도는 약 400 내지 550℃이다.
상기 히팅 램프(70)는 상기 히팅 존(60) 내측에 다수 개가 배치된다. 상기 히팅 램프(70)는 열을 발생시킨다.
상기 트랜스퍼 캐리어(80)는 유리 기판(100)을 지지한다. 상기 트랜스퍼 캐 리어(80)는 상기 히팅 존(60)을 따라서 이동한다. 상기 트랜스퍼 캐리어(80)는 0.1 내지 2 m/분의 속도로 이동한다.
또한, 상기 트랜스퍼 캐리어(80)는 상기 유리 기판(100) 및 상기 히팅 존(60) 사이의 거리가 일정하도록 좌우로 이동한다. 이에 따라서, 상기 유리 기판(100)은 일정한 온도를 유지하며 좌우로 이동된다.
즉, 상기 유리 기판(100)은 상기 프리커서 성장 영역(10), 버퍼 영역(30) 및 칼코겐화 영역(20) 순으로 이동하였다가, 다시 상기 칼코겐화 영역(20), 버퍼 영역(30) 및 칼코겐화 영역(20) 순으로 이동한다.
따라서, 상기 유리 기판(100) 상에 광 흡수층(300)이 형성되기 위해서, 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정이 번갈아가면서, 진행될 수 있다.
이하, CIGS계 광 흡수층(300)이 형성되는 과정을 자세히 살펴본다.
도 2a를 참조하면, 유리 기판(100) 상에 몰리브덴이 증착되어, 이면전극(200)이 형성된다. 상기 이면전극(200)은 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다.
이후, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 결정(310)이 1 차 성장된다. 상기 1 차 성장 공정은 상기 프리커서 성장 영역(10)에서 진행된다.
상기 1 차 성장 공정은 스퍼터링 공정에 의해서 진행된다. 금속 프리커서 결정을 1 차 성장시키기 위해서, 상기 구리 스퍼터 타겟(41), 상기 인듐 스퍼터 타겟(42) 및 상기 갈륨 스퍼터 타겟(43)이 모두 사용될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 구리 스퍼터 타겟(41) 및 상기 인듐 스퍼터 타겟(42) 만이 사용될 수 있거나, 상기 구리 스퍼터 타겟(41) 및 상기 갈륨 스퍼터 타겟(43) 만이 사용될 수 있다.
즉, 금속 프리커서 결정(310)은 구리-인듐-갈륨계 결정, 구리-인듐계 결정 또는 구리-갈륨계 결정일 수 있다.
또한, 상기 1 차 성장 공정은 약 1 분 내지 10분 동안 진행될 수 있으며, 금속 프리커서 결정(310)은 약 20 내지 300Å의 두께(T1)로 성장된다.
도 2b를 참조하면, 상기 유리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 상기 버퍼 영역(30)로 이동하였다가, 상기 칼코겐화 영역(20)로 이동한다.
이후, 상기 1 차 성장된 금속 프리커서 결정(310)은 칼코겐화 영역(20) 내측에서, 1 차 칼코겐화된다. 예를들어, 상기 1 차 성장된 금속 프리커서 결정(310)은 셀레니제이션 또는 설퍼리제이션된다.
예를 들어, 상기 칼코겐 타겟(50) 내측에 배치된 셀레늄 또는 황이 증발되어, 1 차 칼코겐화 공정이 진행된다.
상기 1 차 칼코겐화 공정은 약 1 내지 5분 동안 진행된다.
도 3c를 참조하면, 상기 1 차 칼코겐화 공정을 거친 유리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 상기 버퍼 영역(30)로 이동하였다가, 상기 프리커서 성장 영역(10)로 다시 이동한다.
이후, 상기 1 차 칼코겐화 공정을 거친 금속 프리커서 결정(320)은 상기 칼코겐화 영역(20) 내측에서 2 차 성장된다.
마찬가지로, 상기 2 차 성장공정은 상기 1 차 성장공정과 동일한 조건에서 진행된다. 예를 들어, 상기 금속 프리커서 결정(330)은 약 20 내지 300Å의 두께(T2)만큼 더 성장된다.
도 3d를 참조하면, 상기 금속 프리커서 결정(330)의 2 차 성장 후, 상기 유리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 상기 버퍼 영역(30)로 이동하였다가, 상기 프리커서 성장 영역(10)로 이동한다.
이후, 상기 2 차 성장된 금속 프리커서 결정(330)은 2 차 칼코겐화 공정을 거쳐서 칼코겐화된다.
이때, 상기 2 차 칼코겐화 공정은 상기 1 차 칼코겐화 공정과 동일한 조건에서 진행된다.
이와는 다르게, 상기 2 차 칼코겐화 공정은 상기 1 차 칼코겐화 공정과 다른 조건에서 진행될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 상기 2 차 칼코겐화 공정을 거친 유리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 상기 버퍼 영역(30)로 이동하였다가, 상기 프리커서 성장 영역(10)로 다시 이동한다.
이후, 상기 2 차 칼코겐화 공정을 거친 금속 프리커서 결정(340)은 상기 프리커서 성장 영역(10) 내측에서 3 차 성장된다.
마찬가지로, 상기 3 차 성장은 상기 1 차 성장과 동일한 조건에서 진행된다. 예를 들어, 상기 금속 프리커서 결정(350)은 약 20 내지 300Å의 두께(T3)만큼 더 성장된다.
도 3f를 참조하면, 상기 금속 프리커서 결정(350)의 3 차 성장 후, 상기 유 리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 상기 버퍼 영역(30)로 이동하였다가, 상기 칼코겐화 영역(20)로 이동한다.
이후, 상기 3 차 성장된 금속 프리커서 결정(350)은 3 차 칼코겐화 공정을 거쳐서 칼코겐화된다.
이때, 상기 3 차 칼코겐화 공정은 상기 1 차 칼코겐화 공정과 동일한 조건에서 진행된다.
이와는 다르게, 상기 3 차 칼코겐화 공정은 상기 1 차 칼코겐화 공정과 다른 조건에서 진행될 수 있다.
이로써, 상기 이면전극(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)의 두께는 약 0.5 내지 3 ㎛일 수 있다.
도 3g를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층인 CdS층(400), 고저항 버퍼층인 ZnO층(500) 및 투명전극층인 알루미늄 도핑된 ZnO층(600)이 차례로 적층되어, CIGS계 태양전지가 형성된다.
본 실시예에서, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위한 금속 프리커서 결정 성장 및 칼코겐화 공정은 3 단계로 나누어서 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 광 흡수층(300)은 더 많은 수의 결정 성장 단계들 및 칼코겐화 공정들로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 금속 프리커서 결정 성장 및 칼코겐화 공정을 여러 단계들로 나누어서, 각각 번갈아 가면서 진행시켜서, 형성된다.
따라서, 상기 광 흡수층(300)에는 셀레늄 또는 황과 같은 칼코겐 원소가 균 일하게 포함된다.
따라서, 상기 광 흡수층(300)의 성분비가 일정하게 유지되고, 상기 광 흡수층(300)의 균일도가 향상된다.
또한, 금속 프리커서 결정과 칼코겐 원소의 접촉성이 향상된다. 그리고, 상기 히팅 존(60)과 상기 유리 기판(100)은 상기 트랜스퍼 캐리어(80)에 의해서, 일정한 간격을 유지한다.
따라서, 상기 금속 프리커서 결정은 향상된 특성을 가지며 성장된다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 향상된 크기의 그레인(grain)을 가지며, 균일하게 성장되는 금속 프리커서 결정을 포함한다.
이에 따라서, 상기 광 흡수층(300)은 향상된 전기 전도도를 가지며, 낮은 저항을 가진다, 또한, 상기 광 흡수층(300)은 빠른 전자 및 정공 수송능력을 가진다.
따라서, 실시예는 향상된 성능을 가지는 태양전지를 제공한다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
유리 기판 상에 약 의 두께로, 몰리브덴 전극들(710, 730)을 형성하였다. 이후, 약 450℃의 온도에서, 구리-인듐-갈륨 결정을 1차 성장시켰다. 이때, 구리 스퍼터 타겟에는 3 가우스의 자기장을 인가하고, 인듐 스퍼터 타겟에는 3 가우스의 자기장을 인가하고, 갈륨 스퍼터 타겟에는 3 가우스의 자기장을 인가하였다. 1 차 성장은 약 5 분동안 진행되었다.
이후, 약 450℃의 온도에서, 상기 1 차 성장된 구리-인듐-갈륨 결정은 약 3분동안 1차 셀레니제이션화 되었다. 이때, 1 차 셀레니제이션 공정은 50 mmTorr의 분압의 셀레늄으로 진행되었다.
이후, 구리-인듐-갈륨 결정의 1 차 성장 및 1 차 셀레니제이션 공정과 같은 조건으로, 구리-인듐-갈륨 결정 성장 및 셀레니제이션 공정을 차례 번갈아 가면서 진행하였다. 최종적으로 약 2.25 및 약 2.20㎛의 두께의 광 흡수층들(720, 740)을 형성하였다.
대조군
유리 기판 상에 약 의 두께로, 몰리브덴 전극들(810, 820)을 형성하였다. 이후, 약 450℃의 온도에서, 구리-인듐-갈륨 결정을 약 2.37 및 2.10㎛의 두께로 성장시키면서, 동시에 셀레늄을 약 50 mTorr의 분압으로 증발시켜서, 광 흡수층들(820, 840)을 형성하였다. 이때, 스퍼터링 공정의 조건은 1 차 성장시의 스퍼터링 공정과 동일하게 수행하였다.
도 3 및 도 4는 실험예에 의해서 형성된 광 흡수층들의 SEM 사진이고, 도 5 및 도 6은 대조군의 광 흡수층들의 SEM 사진이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 실험예의 광 흡수층(720, 740)이 더 균일한 결정구조를 가지며, 그레인의 크기도 더 크다는 것이 보여진다.
특히, 실험예의 광 흡수층들(720, 740)은 수직 방향으로 균일하게 결정이 형성되므로, 수직 방향으로, 향상된 전도도 및 낮은 저항을 가진다는 것을 알 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 광 흡수층을 형성하기 위한 장치를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2g는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 실험예에 의해서 형성된 광 흡수층들의 SEM 사진이다.
도 5 및 도 6은 대조군의 광 흡수층들의 SEM 사진이다.
Claims (7)
- 기판 상에 전극을 형성하는 단계; 및상기 전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 광 흡수층을 형성하는 단계는,상기 전극 상에 금속 프리커서 결정을 1 차 성장시키는 단계;상기 1 차 성장된 금속 프리커서 결정을 1 차 칼코겐화 시키는 단계;상기 1 차 칼코겐화된 금속 프리커서 결정을 2 차 성장시키는 단계; 및상기 2 차 성장된 금속 프리커서 결정을 2 차 칼코겐화 시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 2 차 칼코겐화된 금속 프리커서 결정을 3 차 성장시키는 단계; 및상기 3 차 성장된 금속 프리커서 결정을 3 차 칼코겐화 시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프리커서 결정을 1 차 및 2 차 성장시키는 단계에서,구리, 인듐 및 갈륨 중 적어도 하나를 사용하여, 상기 금속 프리커서 결정을 성장시키는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1 차 또는 2 차 컬코겐화 시키는 단계에서,황 또는 셀레늄을 사용하여, 상기 1 차 또는 2 차 성장된 금속 프리커서 결정을 1 차 또는 2 차 칼코겐화 시키는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프리커서 결정을 1 차 및 2 차 성장시키는 단계는 챔버의 제 1 영역에서 진행되고,상기 1 차 및 2 차 칼코겐화를 시키는 단계는 상기 챔버의 제 2 영역에서 진행되는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 프리커서 결정을 1 차 성장시키는 단계에서,상기 금속 프리커서 결정을 20 내지 300Å의 두께로 성장시키는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서,상기 광 흡수층은 0.5 내지 3 ㎛의 두께를 가지는 태양전지의 제조방법.
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| KR1020080088744A KR20100030003A (ko) | 2008-09-09 | 2008-09-09 | 태양전지의 제조방법 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101339439B1 (ko) * | 2010-06-22 | 2013-12-10 | 한국전자통신연구원 | 태양 전지 및 그 제조 방법 |
| KR101384293B1 (ko) * | 2012-06-29 | 2014-05-14 | 영남대학교 산학협력단 | Ｃｉｇｓ 태양전지 제조방법 |
| KR20150051164A (ko) * | 2013-10-31 | 2015-05-11 | 재단법인대구경북과학기술원 | 광흡수층 밴드갭 조절을 통한 czts 태양전지의 제조 방법 |
-
2008
- 2008-09-09 KR KR1020080088744A patent/KR20100030003A/ko not_active Application Discontinuation
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