KR20110081564A - 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CIGS 태양 전지의 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법에 관한 것이다. 상기 셀렌화 방법은, (a) 기판위에 구리 및 인듐을 순차적으로 진공 스퍼터링하는 단계; (b) 구리 및 인듐이 순차적으로 진공 스퍼터링된 기판위에 셀레늄을 증착하는 단계; (c) 구리, 인듐, 셀레늄이 순차적으로 형성된 기판을 상압의 챔버에서 아르곤 가스 분위기에서 급속 열처리(Rapid Temperature Process)하는 단계;를 구비하여, 상기 (c) 단계에서 챔버내에 일정량의 셀레늄을 배치하여, 급속 열처리하는 동안 셀레늄이 기화되어 챔버의 내부에 셀레늄 증기 분위기를 형성한다. 상기 구리 및 인듐이 진공 스퍼터링되는 양과 상기 셀레늄이 증착되는 양은 정확한 당량비에 따라 결정된다.
Description
본 발명은 고효율의 CIGS 태양전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법에 관한 것으로서，더욱 구체적으로는, 급속 열처리 공정 중 증발하기 쉬운 시편위의 셀레늄을 셀렌 기체로 콘트롤하여 고효율의 태양전지 광흡수층을 만들기 위한 셀렌화 방법에 관한 것이다．
태양 전지는 태양광을 직접 전기로 변환하는 반도체 소자이다. 이러한 태양 전지의 기술은 대면적화, 저가화, 고효율화를 지향하고 있다. 일반적으로 태양 전지는 에너지 전환 효율과 제조 비용에 따라 3단계로 구별하고 있다. 즉, 결정형 Si 태양전지를 1세대, Ⅲ-Ⅴ화학물 반도체 및 박막형 반도체 태양 전지를 2세대, 그리고 유기 및 나노 반도체 소재를 이용한 것을 3세대로 분류한다. 결정형 Si 태양전지는 효율이 높은 반면, 실리콘 웨이퍼의 공급 부족 현상으로 인하여 소재가 비싸고 공정 비용이 많이 들 뿐만 아니라 향후 추가적인 비용절감을 기대하기 어렵다는 것이 큰 단점으로 지적되고 있다. 이러한 이유로 인하여, 기술 개발에 의한 추가적인 저가격화가 가능할 것으로 예상되는 차세대 박막형 태양전지에 관심이 쏠리고 있다.
한편, 박막형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 에너지 회수 기간이 반으로 짧고 초박막화 및 대면적화가 가능하기 때문에 추가적인 재료 절감과 롤투롤(roll-to-roll) 생산 기술의 개발등으로 혁신적인 생산 비용 절감이 가능할 것으로 전망되고 있다. 특히, 박막형 태양전지 중 구리(Cu)-인듐(In)-갈률(Ga)-셀레늄(Se)의 4원소 화합물 반도체인 CIGS(CuInGaSe2) 태양전지는 셀 효율이 약 20%로서 다결정 실리콘 태양전지와 거의 유사한 고효율을 보여주고 있을 뿐만 아니라, 저가로 구현할 수 있다.
전술한 CIGS 태양 전지의 CIGS 박막을 제조하는 방법으로는 동시 증발법(Co-evaporation)과 프리커서(precursor)의 증착후 열처리하는 2단계 공정법(two-step process)의 두 가지가 대표적인 공정이 알려져 있다. 동시 증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원(thermal evaporator)을 이용하여 동시에 증발시켜 고온 기판에 박막을 형성하는 방법이다. 하지만, 이러한 증발원은 주로 점원(point source)이기 때문에 넓은 대면적 기판에 박막을 형성하기가 어렵다. 2단계 공정법은 스퍼터링에 의한 프리커서 증착과 화학조성을 완성하기 위한 급속 열처리 공정을 이용하는 것이다. 2단계 공정법을 단계적으로 설명하면, 먼저 단위 원소인 구리, 인듐, 갈륨 또는 셀레늄이 스퍼터링 증착에 의하여 순차적으로 기판위에 프리커서 박막으로 형성된다. 다음, CIGS의 조성을 맞추기 위하여 고온전기로 하이드라이드 가스(H2Se, H2S) 분위기에서 400~600℃ 로 열처리를 하는데, 이때 사용되는 소재에 따라 셀렌화(Selenization) 또는 황화(Sulfurization)라 불린다. 이 방법은 동시 증발법에 비하여 박막의 균일성이 좋고 소재의 활용도도 높일 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 셀레늄(Se)은 녹는점(Melting point)이 낮고 증기압(Vapor pressure)이 높기 때문에, 합금화가 어렵다는 특성을 갖는다. 또한, 셀레늄은 스퍼터링시에 아크가 발생하여 스퍼터링이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
또한, 전술한 셀렌화 공정은, 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se) 기체를 흘려주면서 기판에 온도를 가하는 공정을 거쳐, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 원소의 당량비를 유지하는 CIGS 화합물을 만든다. 그러나 공정을 위하여 유독 기체인 셀렌화수소(H2Se)를 사용함에 따라 안정성의 문제에 의해 안전설비를 갖추기 위해 엄청난 양의 시설비가 전제되어야 하기 때문에 CIGS 광흡수층의 단가가 상승하는 단점이 있다.
한편, 구리인듐(CuIn), 구리갈륨(CuGa)의 금속합금 및 셀레나이드 화합물을 진공스퍼터링 방법을 통해 전구체를 형성하고，유독기체 대신 셀레늄(Se) 원소를 진공 챔버에서 증발시켜 원소의 당량비를 유지하는 CIGS 화합물을 만들기도 한다. 하지만, 이러한 방법은 재료별 스퍼터율이 서로 다른 특성으로 인하여 증착량이 매번 불규칙하기 때문에, 합금타겟으로 셀레늄의 원하는 조성을 정확히 콘트롤하는 것은 현실적으로 한계가 있다．또한, 셀레나이제이션하는 동안 많은 양의 셀렌을 진공 증발시켜 관상로를 통하여 챔버내로 제공하는 종래의 방법은 고가의 셀렌 증발 장비와 관상로가 준비되어야 하며, 많은 양의 셀렌을 낭비하여야 되는 문제점이 있다. 또한, 이 경우, RTP하기 위하여 시편의 온도를 올리기 전에 챔버내부를 셀렌 분위기로 만들어야 하는데, 챔버의 온도를 올림과 동시에 셀렌 분위기를 만들기 위한 타이밍을 정확하게 파악하기도 쉽지 않다. 만약, 셀렌 분위기가 형성된 상태에서 시편의 온도를 올리지 않으면, 진공중의 셀렌 기체가 옵서버층인 광흡수층위에 증착될 우려가 있다.
또한. 실제 시편이 당량비를 유지하면서 산화되는 것을 방지하기 위해서는，셀레나이제이션되는 동안 합금타겟으로 스퍼터링된 셀레늄과 분위기를조성하기 위한 셀레늄등이 진공 챔버내에서 계속되어야만 한다．그러나 이러한 완전 밀폐 기능을 갖는 진공 챔버들은 고가일 뿐만 아니라，오링과 같은 부속품들도 일회성이거나 또는 그 성능이 장기간 사용될 수 없다는 문제점이 있다. 이로 인하여, 제조 비용이 상승되는 문제점이 있다.
따라서, 종래의 방법들은 스퍼터링 방식으로 셀레늄의 증착이 어려울 뿐만 아니라, 합금타겟의 스퍼터링 방식으로는 셀레늄의 증착양에 대한 콘트롤이 어려우며，또한 진공내에서 셀레늄의 증착양을 유지하는 것도 어려우며, 시편을산화되지 않게 완벽하게 산소로부터 차단하는 것도 현실적으로 고비용을 부담하게 한다．
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 구리, 인듐, 셀레늄의 당량비를 정확하게 조정할 수 있으며, 유독한 셀렌화 가스를 사용하지 않으면서 고가의 진공 챔버가 아닌 저가의 상압의 챔버를 이용하여 셀레나이제이션 공정을 수행할 수 있는 태양 전지 광흡수층 제조 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 CIGS 태양 전지의 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법에 관한 것으로서, 상기 셀렌화 방법은, (a) 기판위에 구리 및 인듐을 순차적으로 진공 스퍼터링하는 단계; (b) 구리 및 인듐이 순차적으로 진공 스퍼터링된 기판위에 셀레늄을 증착하는 단계; (c) 구리, 인듐, 셀레늄이 순차적으로 형성된 기판을 상압의 챔버에서 아르곤 가스 분위기에서 급속 열처리(Rapid Temperature Process)하는 단계;를 구비하여, 상기 (c) 단계에서 챔버내에 일정량의 셀레늄을 배치하여, 급속 열처리하는 동안 셀레늄이 기화되어 챔버의 내부에 셀레늄 증기 분위기를 형성한다.
전술한 특징에 따른 셀렌화 방법에 있어서, 상기 구리 및 인듐이 진공 스퍼터링되는 양과 상기 셀레늄이 증착되는 양은 정확한 당량비에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 셀렌화 방법은 진공스퍼터링으로 구리와 인듐을 증착한 뒤， 셀레늄을 이베포레이터(evorporator)를 이용하여 원하는 조성으로 증착，아르곤 분위기하에 셀렌증기를 이용하여 챔버내 시편에 증착되어 있는 셀렌의 증발을 방지한다. 그 결과, 본 발명에 의하여 셀레나이제이션되어지는 동안 그 당량비를 유지할 수 있게 된다. 또한, 이베포레이터는 스퍼터에 비해 저가의 장비이며，증착반복도 및 증착량 콘트롤 뛰어나다. 이와 같이, 본 발명에 의하여 이베포레이터를 이용하여 셀레늄을 증착시킴으로써, 셀레늄 증착량을 정확하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하여 셀레늄의 증착량을 제어하고 아르곤 분위기에서 셀레나이제이션할 경우，보다 저가로 더욱 미세한 양까지 셀레늄의 증착을 제어할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하여 상압의 챔버에서 아르곤 분위기하에서 셀레나이제이션함으로써, 종래의 진공 챔버에서의 셀레나이제이션 공정에 비해, 챔버의 밀폐성이 요구되지 않으므로 보다 값싸고 쉽게 챔버를 제작할 수 있으며，소량의 셀레늄 증기로도 셀레나이제이션동안 그 분위기를 유지할 수 있다．결과적으로 원하는 셀레늄 당량비 콘트롤이 가능하다．
또한, 본 발명에 의하여 기판의 뒷면에 셀레늄을 증착한 후 RTP 함으로써, RTP 시작됨과 동시에 기판의 뒷면의 셀레늄이 증발되어 챔버내를 셀레늄 가스 분위기로 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIGS 태양 전지 광흡수층의 제조를 위한 셀렌화 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 필요한 당량비에 따른 구리, 인듐, 셀레늄 전구체가 형성된 기판을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 기판을 셀레나이제이션하는 상압의 챔버를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 필요한 당량비에 따른 구리, 인듐, 셀레늄 전구체가 형성된 기판을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 기판을 셀레나이제이션하는 상압의 챔버를 예시적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIGS 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIGS 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIGS 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법은, 기판위에 구리를 필요한 당량비만큼 진공 스퍼터링시켜 구리 전구체를 형성하고(단계 100), 인듐을 필요한 당량비만큼 진공 스퍼터링시켜 인듐 전구체를 형성한다(단계 110). 다음, 이베퍼레이터(Evaporator)를 이용하여 셀레늄을 증착하여 셀레늄 전구체를 형성한다(단계 120). 전술한 단계 100 내지 단계 120에 의해 도 2와 같이 필요한 당량비의 구리, 인듐, 셀레늄 전구체가 형성된 기판을 제조하게 된다. 다음, 이베퍼레이터(Evaporator)를 이용하여 셀레늄 전구체가 형성된 기판의 뒷면에 셀레늄(208)을 증착한다(단계 130).
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 필요한 당량비에 따른 구리 전구체(202), 인듐 전구체(204), 셀레늄 전구체(206)가 형성된 기판(200)을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 기판을 셀레나이제이션하는 상압의 챔버를 예시적으로 도시한 단면도이다. 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 상압의 챔버(300)내에 상기 기판(200)을 배치한 후, 아르곤 가스하에서 급속 열처리(Rapid Temperature Process;'RTP')하여 셀레나이제이션하게 된다(단계 140). 이때, 기판의 뒷면에 증착된 셀레늄이 급속 열처리 장비의 히터와 인접한 위치에 배치되도록 함으로써, 급속 열처리가 시작됨과 동시에 기판의 뒷면의 셀레늄이 증발되어 챔버내부를 셀레늄 가스 분위기로 형성하게 된다. 더 나아가, 상기 챔버내에 소량의 셀레늄을 배치시킴으로써, 급속 열처리하는 동안 셀레늄이 기화되어 챔버내에 셀레늄 증기를 제공할 수도 있다. 이와 같이, 급속 열처리하는 동안, 챔버내부에 셀레늄 증기를 지속적으로 제공하여 챔버내 분위기를 셀렌화함으로써, 기판의 셀레늄은 증발되지 않게 된다. 그 결과, 최적의 당량비를 갖는 CIGS 태양 전지 광흡수층을 제조할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 셀렌화 방법은 CIGS 태양 전지 제조 공정에 널리 사용될 수 있다.
200: 기판
202 : 구리 전구체
204 : 인듐 전구체
206 : 셀레늄 전구체
208 : 셀레늄 층
300 : 챔버
202 : 구리 전구체
204 : 인듐 전구체
206 : 셀레늄 전구체
208 : 셀레늄 층
300 : 챔버
Claims (4)
- (a) 기판위에 구리 및 인듐을 순차적으로 진공 스퍼터링하는 단계;
(b) 구리 및 인듐이 순차적으로 진공 스퍼터링된 기판위에 셀레늄을 증착하는 단계;
(c) 구리, 인듐, 셀레늄이 순차적으로 형성된 기판을 상압의 챔버에서 아르곤 가스 분위기에서 급속 열처리(Rapid Temperature Process)하는 단계;
를 구비하여, 상기 (c) 단계에서 급속 열처리하는 동안 상기 챔버내에 셀레늄 증기를 제공하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법. - 제항에 있어서, 상기 구리 및 인듐이 진공 스퍼터링되는 양과 상기 셀레늄이 증착되는 양은 정확한 당량비에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 챔버내에 일정량의 셀레늄을 배치하여, 급속 열처리하는 동안 셀레늄이 기화되어 챔버의 내부에 셀레늄 증기를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는, 구리 및 인듐이 순차적으로 진공 스퍼터링된 기판위에 셀레늄을 증착한 후, 기판의 뒷면에도 셀레늄을 증착하는 것을 특징으로 하며,
상기 (c)단계에서 급속 열처리하기 위한 히터와 가장 인접한 위치에 상기 기판의 뒷면을 배치하여, 급속 열처리를 시작함과 동시에 기판의 뒷면의 셀레늄이 기화되어 챔버의 내부에 셀레늄 증기를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법.
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| KR1020100001784A KR101083741B1 (ko) | 2010-01-08 | 2010-01-08 | 태양 전지 광흡수층 제조를 위한 셀렌화 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2014163367A1 (ko) * | 2013-04-03 | 2014-10-09 | 한국에너지기술연구원 | 고압력 셀렌화 공정을 이용한 ci(g)s 박막 제조 방법과 이를 이용한 태양전지. |
-
2010
- 2010-01-08 KR KR1020100001784A patent/KR101083741B1/ko active IP Right Grant
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