KR20100126854A - 태양 전지의 열처리 장치 - Google Patents

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요시노리 도쿠나가
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 칼코파이라이트형 태양 전지의 광흡수층을 형성할 때에 실시하는 셀렌화 처리 또는 황화 처리를 위한 열처리 장치로서, 석영 튜브의 내부에, 복수의 태양 전지 기판이 판 두께 방향으로 일정 간극을 형성하여 병렬로 배치되고, 석영 튜브의 외측부에 배치되며 분위기 가스를 가열하는 가열 기구와, 기판의 상부에 배치되며 석영 튜브의 내측면을 따라 상승하는 가열된 분위기 가스를 상측으로부터 기판의 중심부로 유도하는 제1 도풍판을 포함하는 것을 목적으로 한다.

Description

태양 전지의 열처리 장치{SOLAR CELL THERMAL PROCESSING DEVICE}
본 발명은 박막 태양 전지의 제조 방법, 특히 광흡수층 성막 시의 셀렌화 공정에 이용되는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치에 관한 것이다.
칼코파이라이트형 박막 태양 전지는, 박막형 종류에 속하고, I족, III족, VI 족의 원소를 구성 성분으로 하는 칼코파이라이트 화합물로 이루어진 CIGS층을 p형의 광흡수층으로서 구비한다. 칼코파이라이트형 박막 태양 전지는 유리 기판 상에, Mo 금속층으로 이루어진 양극인 이면 전극층과, CIGS 광흡수층과, n형의 버퍼층과, 음극인 투명 전극층에 의한 최외표면층을 구비한 다층 적층 구조로 구성된다.
그리고, 이 다층 적층 구조의 표면 수광부로부터 태양광 등의 조사광이 입사되면, 다층 적층 구조의 p-n 접합 부근에서는, 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 조사광에 의해 여기되어 한 쌍의 전자 및 정공이 생긴다. 여기된 전자와 정공은 확산에 의해 p-n 접합부에 도달하고, 접합의 내부 전계에 의해 전자가 n 영역에, 정공이 p 영역에 집합하여 분리된다. 이 결과, n 영역이 마이너스로 대전되고, p 영역이 플러스로 대전되어, 각 영역에 형성된 전극 간에 전위차가 생긴다. 이 전위차를 기전력으로 하여 각 전극 사이를 도선으로 연결할 때에 광전류를 얻을 수 있고, 이것이 태양 전지의 원리이다.
이러한 박막 태양 전지에 있어서의 CIGS 광흡수층의 제조 방법으로서는, 기판 상에 형성된 이면 전극층 상에 Cu, In 및 Ga를 함유하는 프리커서(precursor)를 스퍼터링 등에 의해 형성하는 프리커서 형성 공정 후, 프리커서가 형성된 기판에 대하여 셀렌화 가스(H2Se: 셀렌화수소 가스) 분위기 속에서 열처리를 실시하여 광흡수층을 형성하는 셀렌화 공정을 수행하는 방법을 들 수 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 이 방법을 이용하여 셀렌화하는 경우에는, 복수의 기판을 장치 내에 설치하고, 장치 내부를 질소 가스 등의 비활성 가스로 치환한 후, 셀렌원(源)을 도입해 봉입한 상태에서 승온시켜 대상물을 일정 온도에서 일정 시간 유지함으로써 광흡수층이 성막된다.
그러나, 이 방법에서는, 복수의 기판을 복수 열로 배치하고, 기판의 측부 또는 외주부 등에서 가열하기 때문에, (1) 기판의 위치에 따라 가열이 불충분해지고, (2) 구성 성분비가 불균일해져서, (a) 기판마다 또는 (b) 기판면 내에서 균질한 CIGS 광흡수층을 형성할 수 없어 태양 전지 특성이 균일하지 않게 된다고 하는 문제를 갖고 있었다.
상기 문제점에 대해서, 보다 구체적으로 설명하면, (1)에 대해서는 이하와 같다. 충전된 복수 개의 기판의 외주부는 주로 복사에 의해 가열되고, 최외측에 배치된 기판에서는 가열원으로부터의 균일한 열복사를 받기 때문에 면 내의 온도 분포가 양호하게 가열된다. 그러나, 이 외측에 배치된 기판 상에 형성되어 있는 프리커서에 의해, 가열원으로부터의 복사는 거의 흡수되어 버린다. 이에 따라, 외측에서 2번째 것 이후, 중앙부까지 배치된 기판에 있어서는, 기판 내에서의 열전도와, 기판 표면에서 흐르는 분위기 가스의 대류에 의한 가열이 지배적이게 된다. 이 때, 열전도에서는 프리커서와 기판 각각의 고유 물성값에 의해 결정되는 열분포를 가지며, 또한, 분위기 가스는 그 자체가 장치 내부에서 온도 분포를 갖기 때문에, 중앙부의 기판은 외측과 비교하면 전체적인 온도가 낮고(a), 게다가 기판면 내의 온도 균일성이 뒤떨어진다(b).
또한, (2)에 대해서는 이하와 같다. 장치 내에 도입된 셀렌화수소 가스는 약 160℃로 가열되면 수소와 셀렌 분자로 분해되고, 이 셀렌 분자가 가열된 프리커서 표면에 접촉함으로써 막 내에 취입된다. 이 반응 과정에 있어서, 장치 내의 기판 온도가 전체적으로 균일하다고 가정한 경우, 장치 내의 셀렌화 가스가 각 기판 표면에 대하여 균일하게 순환되고, 빈틈없이 셀렌화 가스와 기판 표면이 접촉함으로써 균질한 광흡수층이 형성된다. 그러나, (1)에 있어서 설명한 바와 같이, 기판마다 온도차가 발생하고, 게다가, 장치 내에서 가열된 셀렌화 가스는 기판과 석영 튜브 사이에서 상승 기류가 생기지만, 일부는 상승 도중에 각 기판 사이의 간극에서 하강하고, 일부는 기판 상부까지 상승한 후, 기판 사이를 통과하여 하강하지 않고 그 자리에서 체류하기 때문에, 기판 표면에 대한 분위기의 순환은 균일화되지 않으며, 결과적으로 기판 내에서 불균일한 구성 성분을 갖게 된다(b).
이러한 문제점을 해결하는 기술로서는, 반응로에 전동팬을 설치하여 분위기 가스를 강제적으로 대류시키도록 한 것이 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조). 일반적으로, 칼코파이라이트형 태양 전지의 기판의 생산에는, 650℃ 정도의 셀렌화 공정 또는 황화 공정이 필요하게 된다. 또한, 이러한 공정의 로(爐)에 이용되는 재료는 고온에서의 셀렌 내성을 갖는 물질로 제작될 필요가 있다.
그러나, 전동팬을 이용한 경우에는, 팬 재질이 셀렌에 대한 내부식성을 가져야 하고, 또한 회전축의 시일 내구성, 특히 처리 온도, 마찰열, 부식 가스 등에 대한 내구성도 필요하게 된다.
일본 특허 공개 제2006-196771호 공보 일본 특허 공개 제2006-186114호 공보
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 감안하여 장치 내의 온도의 균일성, 분위기 순환의 균일성을 촉진시킴으로써, 고품질의 CIGS 광흡수층을 얻을 수 있는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치는 칼코파이라이트형 태양 전지의 광흡수층을 형성할 때에 실시하는 셀렌화 처리 또는 황화 처리를 위한 열처리 장치로서, 석영 튜브의 내부에, 복수의 태양 전지 기판이 판 두께 방향으로 일정 간극을 형성하여 병렬로 배치되며, 상기 석영 튜브의 외측부에 배치되며, 분위기 가스를 가열하는 가열 기구와, 상기 기판의 상부에 배치되며, 상기 석영 튜브의 내측면을 따라 상승하는 가열된 분위기 가스를 상측으로부터 상기 기판의 중심부로 유도하는 제1 도풍판(導風板)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 간단한 구성으로 분위기 가스의 대류를 촉진시키고, 가스 온도가 낮아지기 쉬운 기판 중심부에도 적극적으로 가열된 가스를 송풍시키는 것이 가능해지기 때문에, 기판 간 온도차를 저감할 수 있어 고품질의 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있고, 이에 따라, 태양 전지의 성능 향상 및 균일화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명의 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치는 구동 기구를 갖지 않는 간단한 구성으로 실현되기 때문에, 장치의 장기 신뢰성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 일 실시형태를 모식적으로 나타내는 종단 정면도이다.
도 2는 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 일 실시형태를 모식적으로 나타내는 횡단 평면도이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 상부를 모식적으로 나타내는 종단 정면도이고, (a)는 본 발명에 있어서의 제1 도풍판의 평면도이며, (c)는 본 발명에 있어서의 유량 조정판의 평면도이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 일 실시형태를 모식적으로 나타내는 종단 정면도이고, 도 2는 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 일 실시형태를 모식적으로 나타내는 횡단 평면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치에서는, 석영 튜브(1) 내의 보트 테이블 상에, 복수의 태양 전지 기판(2)이 판 두께 방향으로 일정 간극을 형성하여 병렬로 배치된다. 그리고, 분위기 가스를 가열하는 가열 기구(3)가 석영 튜브(1)의 외측부, 예컨대 석영 튜브(1)의 외주를 둘러싸도록 배치된다. 이와 같이 배치된 가열 기구(3)에 의해 석영 튜브(1) 내의 분위기 가스가 가열되어 대류한다.
여기서, 석영 튜브(1) 내의 분위기 가스로는, 셀렌화 가스(H2Se: 셀렌화수소 가스)가, 예컨대 열처리 장치의 하부에 관입(貫入)된 가스 도입관(4)으로부터 도입된다. 도입되는 셀렌화 가스는 석영 튜브(1)의 외부에 설치된 가스 가열 장치(5)에 의해 미리 가열되는 것이 바람직하다. 이와 같이 가스가 가열되어 도입되기 때문에, 열처리 장치 내에서 상승 기류를 발생시키기 쉬워 대류를 촉진시킬 수 있다. 또한, 공급되는 셀렌화수소 가스는 가열에 의해 활성화되고, 미리 수소와 셀렌 분자로 분리된 상태로 처리조 내에 공급되기 때문에, 프리커서와의 반응 시간을 단축시키는 효과도 발휘한다.
또한, 도 3의 (b)는 본 발명의 태양 전지의 열처리 장치의 상부를 모식적으로 나타내는 종단 정면도이고, (a)는 본 발명에 있어서의 제1 도풍판(6)의 평면도이며, (c)는 본 발명에 있어서의 유량 조정판의 평면도이다. 도 1 및 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치에 있어서는, 제1 도풍판(6)이 석영 튜브(1)의 상부에 배치되어 있어, 석영 튜브(1)의 내측면을 따라 상승하는 가열된 분위기 가스가 체류하지 않고, 상측으로부터 기판(2)의 중심부로 유도된다. 제1 도풍판(6)은, 예컨대, 단부가 석영 튜브(1)의 내측면에 접촉하고, 단면이 단부로부터 중심부를 향해 상측으로 호를 그리며, 중심부가 하측으로 향하는 형상이다. 이러한 형상에 의해 석영 튜브(1)의 내측면을 따라 상승한 분위기 가스를 기판(2)의 중심부로 유도할 수 있다. 본 실시형태에서는, 제1 도풍판(6)의 평면의 외주가 원 형상이지만, 분위기 가스를 기판(2)의 중심부로 유도할 수 있다면, 다각형 형상 등일 수도 있다.
또한, 제1 도풍판(6)에는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 단부 부근에 상승한 분위기 가스를 통과시키는 구멍(7)을 형성할 수 있고, 도 1 및 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 이 구멍(7)을 통과한 분위기 가스는 상부 히터(8)에 의해 가열되며, 중심 구멍(9)을 통과하여 기판(2)의 중심부로 보내어지므로, 보다 양호하게 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 도 1, 도 3의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 기판(2)과 제1 도풍판(6) 사이에 유량 조정판(10)을 설치하는 것이 바람직하다. 이 유량 조정판(10)을 이용하면, 구멍(11)의 패턴을 임의로 설정함으로써, 상승한 분위기 가스를 기판(2) 상에 균일하게 보낼 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 기판(2)의 측면과 가열 기구(3) 사이에 있어서, 기판(2)과 가열 기구(3)로부터 이격되어 제2 도풍판(12)이 배치되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 가열된 분위기 가스가 석영 튜브(1)의 내측면을 따라 상승하는 것을 촉진하고, 분위기 가스가 상승 도중에 각 기판 사이의 간극에서 하강하는 것을 억제할 수 있으며, 또한, 기판 측면에서의 가열 기구(3)의 직접 복사를 차단함으로써, 기판에서의 중심부와 측면 부근과의 온도차를 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 복수의 기판(2)을 판 두께 방향으로 사이에 두도록 제3 도풍판(13)을 설치하는 것이 바람직하다. 이 제3 도풍판(13)은 복수의 기판(2)의 판 두께 방향의 최외측 기판에 대한 가열 기구(3)의 직접 복사를 차단할 수 있고, 최외측과 2번째 것 이후의 기판에 대한 온도차를 저감할 수 있다. 단, 제2 도풍판(12)과 제3 도풍판(13)으로 기판(2)의 전체 둘레를 덮음으로써 복사에 의한 가열이 없어지기 때문에, 히터의 용량이 부족하여 원하는 온도 프로파일을 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 이에, 제3 도풍판(13)에 대해서는, 임의의 패턴으로 구멍(14)을 개구시킴으로써 직접 복사를 이용한 온도 제어가 가능해진다.
또한, 본 발명에서는, 기판(2)의 하부에 제4 도풍판(15)을 설치하는 것이 바람직하다. 이 제4 도풍판(15)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 단면이 중심부로부터 단부를 향해 아래쪽으로 호를 그리며, 단부가 석영 튜브(1)의 내주면으로 향하는 형상이다. 이러한 형상에 의해, 기판(2) 사이에서 하강한 분위기 가스를 석영 튜브(1)의 내주면으로 유도할 수 있어 분위기 가스의 대류를 촉진시킬 수 있다.
상기 제1 내지 제4 도풍판은 고온에서의 셀렌 내성을 갖고, 가열 기구에 의한 직접 복사를 차단하기 때문에, 적외선을 투과하지 않는 불투명 석영으로 제작되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 부스트 히터(16)를 석영 튜브(1)의 내측면의 하부에 배치하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따르면, 석영 튜브(1)의 내측면의 하부에서 분위기 가스를 더 가열함으로써, 석영 튜브(1)의 내측면을 따른 상승을 촉진시켜 분위기 가스의 대류를 보다 양호하게 할 수 있다. 또한, 기판(2) 사이에서 하강한 분위기 가스의 석영 튜브(1) 내주면으로의 대류를 더욱 촉진시키기 위해서, 상기 제4 도풍판(15)의 중앙부에 구멍을 형성하고, 이 구멍을 통과한 분위기 가스를 하부 히터(17)에 의해 가열한 후, 부스트 히터(16)로 유도할 수도 있다.
이러한 본 발명의 열처리 장치를 이용함으로써 칼코파이라이트형 태양 전지를 적합하게 제조할 수 있다. 이 제조 방법으로서는, 먼저, 기판 상에 형성된 이면 전극층 상에, Cu, In 및 Ga를 함유하는 프리커서를 스퍼터링법에 의해 형성하는 프리커서 형성 공정과, 프리커서 형성이 이루어진 기판에 대하여, H2Se 가스 분위기 속에서 열처리를 실시하여 CIGS 광흡수층을 형성하는 셀렌화 공정과, CIGS 광흡수층 상에 n형의 버퍼층을 형성하는 버퍼층 형성 공정과, 버퍼층 상에 투명 전극층을 형성하는 투명 전극층 형성 공정을 포함하는 방법을 들 수 있다.
본 발명의 열처리 장치를 이용한 CIGS 광흡수층의 셀렌화 공정에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 열처리 장치 내부를, 도시하지 않은 배기 기구의 작동에 의해 50 kPa∼95 kPa의 감압 상태로 유지하면서, 가스 도입관(4)으로부터 미리 정해진 유량의 H2Se 가스를 미리 정해진 시간에 걸쳐 유입시키고, 이것을 제1 셀렌화 공정이라 한다. 이 때, 부스트 히터를 동작시켜 프리히트실에서 100℃∼200℃ 정도로 가열된 H2Se 가스를 장치 내에 공급하는 것이 바람직하다. 이에 따라 장치 바닥부로부터 적극적인 상승 기류를 발생시키는 것이 가능해지고, 도풍판의 효과와 함께 분위기 순환이 촉진되어 기판의 온도를 균일화시키는 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 이전의 H2Se 가스 도입 완료 후, 50 kPa∼95 kPa의 감압 상태로 유지하면서, 가열 기구(3)에 의해 내부 온도를 250℃∼450℃까지 승온시킨다. 그리고, 이들 온도 조건 및 압력 조건을 유지한 상태에서 가스 도입관(4)으로부터 미리 정해진 유량의 H2Se 가스를 미리 정해진 시간에 걸쳐 유입시키고, 이것을 제2 셀렌화 공정이라 한다. 이 공정은, 기판(2) 상에 형성된 In층과 Cu-Ga층의 적층 구조를 포함하는 광흡수층 프리커서 내에서 In, Cu 및 Ga의 각 성분을 확산시키면서 Se 성분을 취입하기 위해서 마련된다. 이 때의 시간으로는 예컨대 10분∼120분간 정도가 바람직하다.
제2 셀렌화 공정에서도 부스트 히터의 동작과 프리히트 가스 공급에 의해 발생하는 상승 기류와 도풍판의 효과에 의해 분위기 순환을 촉진시키고, 특히 승온 도중에 기판 온도를 균일화시키는 효과를 얻을 수 있기 때문에, 기판의 온도가 균일화되기까지의 시간을 단축시킬 수 있다. 게다가 프리히트 온도를 H2Se 가스의 분해 온도인 160℃ 이상으로 함으로써, 미리 수소와 셀렌 분자로 분해된 가스가 공급되게 되고, 프리커서에 대한 Se 성분의 취입이 활성화되기 때문에, 셀렌화에 필요한 시간을 단축시키는 효과가 예상된다. 또한, 도풍판의 효과에 의해 각 기판 표면에서의 셀렌을 함유하는 분위기 가스의 흐름이 균일화됨으로써, 프리커서에 대한 Se 취입량이 균일화된다.
계속해서, 50 kPa∼95 kPa의 감압 상태로 유지하면서, 가열 기구(3)에 의해 내부 온도를 약 500℃∼650℃까지 승온시킨다. 그리고, 이 상태를 약 10분∼120분간에 걸쳐 유지하고, 이것을 제3 셀렌화 공정이라 한다. 이 공정은, 지금까지 수행한 In, Cu 및 Ga의 각 성분의 확산과 Se 성분의 취입에 의해 균일화가 진행된 광흡수층 프리커서를 결정화시키고, 내부 막 구조의 재배치를 안정적으로 얻기 위해서 마련된다. 그 후, 가열 기구(3)에 의한 가열 온도를 서서히 저하시켜 실온까지 냉각시킨 후에, 제3 셀렌화 공정까지의 공정에 의해 광흡수층이 형성된 기판(2)을 꺼내면 CIGS 광흡수층이 완성된다.
제3 셀렌화 공정에서도, 부스트 히터와 도풍판의 효과에 의해 내부 순환을 촉진시킴으로써 결정화와 각 성분의 재배치가 균일하게 진행되고, 균질한 CIGS 광흡수층이 형성되어 태양 전지 특성을 균일화시킬 수 있게 된다.
1 : 석영 튜브 2 : 기판
3 : 가열 기구 4 : 가스 도입관
5 : 가스 가열 장치 6 : 제1 도풍판
7, 9, 11, 14 : 구멍 8 : 상부 히터
10 : 풍량 조정판 12 : 제2 도풍판
13 : 제3 도풍판 15 : 제4 도풍판
16 : 부스트 히터 17 : 하부 히터

Claims (4)

  1. 칼코파이라이트형 태양 전지의 광흡수층을 형성할 때에 실시하는 셀렌화 처리 또는 황화 처리를 위한 열처리 장치에 있어서,
    석영 튜브의 내부에, 복수의 태양 전지 기판이 판 두께 방향으로 일정 간극을 형성하여 병렬로 배치되고,
    상기 석영 튜브의 외측부에 배치되며, 분위기 가스를 가열하는 가열 기구와,
    상기 기판의 상부에 배치되며, 상기 석영 튜브의 내측면을 따라 상승하는 가열된 분위기 가스를 상측으로부터 상기 기판의 중심부로 유도하는 제1 도풍판(導風板)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 측면과 상기 가열 기구 사이에서, 상기 기판과 상기 가열 기구로부터 이격되어 배치되며, 상기 가열된 분위기 가스의 상기 석영 튜브의 내측면을 따른 상승을 촉진시키며, 상기 기판 측면에서의 상기 가열 기구의 직접 복사를 차단하는 제2 도풍판을 포함하는 것을 특징으로 하는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 석영 튜브의 내측면의 하부에 배치되며, 상기 가열된 분위기 가스의 상기 석영 튜브의 내측면을 따른 상승을 촉진시키는 부스트 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 석영 튜브 내에 도입되는 분위기 가스를 미리 가열하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼코파이라이트형 태양 전지의 열처리 장치.
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