KR20120005307A - 태양전지용 플렉서블 기판의 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양전지용 플렉서블 기판의 제조 방법은 정전기가 형성된 플렉서블 기판이 준비되는 단계, 상기 플렉서블 기판에 대하여 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계, 상기 플렉서블 기판 상에 제1 전극이 형성되는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층이 형성되는 단계 및 상기 제2 도전성 반도체층 상에 제2 전극이 형성되는 단계를 포함한다.
Description
본 실시예는 태양전지용 플렉서블 기판의 세정방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양광 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
태양광 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜주는 장치가 태양전지, 즉 태양전지이다. 태양전지는 주로 반도체 접합의 광기전력 현상을 이용한다. 즉, p형과 n형 불순물로 도핑되어 pn 접합이 형성된 반도체에 빛이 입사되어 흡수되면 빛의 에너지가 반도체 내부에서 전자와 홀을 발생시키고 내부 전계에 의해 이들이 분리됨으로써 pn 접합 양단에 광기전력이 발생된다. 이 때 접합 양단에 전극을 형성하고 도선을 연결하면 전극 및 도선을 통하여 외부로 전류가 흐르게 된다.
이와 같은 태양전지가 석유와 같은 기존의 에너지원을 대체하기 위해서는 태양전지가 높은 광전변환효율을 제공해야 한다.
본 발명은 플렉서블 기판에 형성된 이물질을 제거하기 위한 태양전지 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양전지용 플렉서블 기판의 제조 방법은 정전기가 형성된 플렉서블 기판이 준비되는 단계, 상기 플렉서블 기판에 대하여 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계, 상기 플렉서블 기판 상에 제1 전극이 형성되는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층이 형성되는 단계 및 상기 제2 도전성 반도체층 상에 제2 전극이 형성되는 단계를 포함한다.
상기 플렉서블 기판은 금속 포일이나 폴리머 기판을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 스퍼터링 공정이 이루어지는 공정챔버에서 형성될 수 있다.
제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층은 PECVD 공정이 이루어지는 공정챔버에서 형성될 수 있다.
상기 플렉서블 기판에 대하여 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 동안 상기 플렉서블 기판은 이송될 수 있다.
상기 정전기 제거는 대기 상태에서 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나에 대한 레이저 스크라이빙 공정이 이루어진 후 석션 헤드를 지닌 초음파 세정 장치에 의하여 세정 공정이 이루어질 수 있다.
본 발명은 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정을 통하여 기판 상에 잔존하는 이물질을 제거할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 플렉서블 기판을 포함하는 태양전지의 제조시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 정전기 제거를 위하여 사용될 수 있는 정전기 제거 장치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 세정을 위하여 사용될 수 있는 상압 플라즈마 세정 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 정전기 제거를 위하여 사용될 수 있는 정전기 제거 장치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 세정을 위하여 사용될 수 있는 상압 플라즈마 세정 장치를 나타낸다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 플렉서블 기판을 포함하는 태양전지의 제조시스템을 나타낸다. 도 1a의 제조시스템은 롤투롤 (roll to roll) 방식의 태양전지 제조시스템을 나타내고, 도 1b는 제조시스템은 스텝핑 롤 (stepping roll) 방식의 태양전지 제조시스템을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 각 시스템은 진성 반도체층을 형성하기 위한 복수 개의 공정 챔버들(I0 ~ I4)을 포함한다. 태양전지의 진성 반도체층(130a, 130b)은 제1 도전성 반도체층(120a, 120b) 또는 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)에 비하여 두꺼우므로 태양전지의 제조시스템은 제1 도전성 반도체층(120a, 120b) 또는 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)을 형성하기 위한 공정 챔버(L1, L2)에 비하여 많은 수의 공정 챔버들을 포함한다. 제1 도전성 반도체층(120a, 120b), 제2 도전성 반도체층(140a, 140b) 또는 진성 반도체층(130a, 130b)은 PECVD 공정이 이루어지는 공정 챔버에서 형성될 수 있다.
이 때 제1 도전성 반도체층(120a, 120b)이 p 타입 반도체층인 경우 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)은 n 타입 반도체층일 수 있다. 또한 제1 도전성 반도체층(120a, 120b)이 n 타입 반도체층인 경우 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)은 p 타입 반도체층일 수 있다.
롤투롤 방식 또는 스텝핑 롤 방식의 태양전지 제조시스템은 금속 포일(foil)이나 폴리머 기판과 같은 플렉서블 기판(flexible substrate)(100a, 100b)을 포함하는 태양전지를 제조하는데 쓰일 수 있으며, 공정 챔버들(L1, IO~I4, L2)에서 제1 도전성 반도체층(120a, 120b), 진성 반도체층(130a, 130b), 및 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)이 플렉서블 기판(100a, 100b) 상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 공정 챔버(L1)에 수소 가스, 실란 가스와 같은 실리콘 포함가스 및 B2H6와 같은 3족 도핑 가스가 유입되면 플렉서블 기판(100a, 100b) 상에 p 타입 반도체층이 형성된다. 또한 공정 챔버(L1)에 수소 가스, 실리콘 포함 가스 및 PH3와 같은 5족 도핑 가스가 유입되면 플렉서블 기판(100a, 100b) 상에 n 타입 반도체층이 형성된다. 진성 반도체층(130a, 130b)의 형성을 위한 공정 챔버들(I0~I4)에는 수소 가스와 실리콘 포함 가스가 유입된다. 공정 챔버(L1)에서 p 타입 반도체층이 형성될 경우 공정 챔버(L2)에서는 n 타입 반도체층이 형성되고, 공정 챔버(L1)에서 n 타입 반도체층이 형성될 경우 공정 챔버(L2)에서는 p 타입 반도체층이 형성된다.
도 1a의 롤투롤 방식의 제조시스템에서는 롤(400)이 지속적으로 회전하는 동안 롤(400)에 감겨진 플렉서블 기판(100a)이 공정 챔버들 내부를 지나게 된다. 이에 따라 플렉서블 기판(100a) 상에 제1 전극(110a), 제1 도전성 반도체층(120a), 진성 반도체층(130a), 제2 도전성 반도체층(140a) 및 제2 전극(150a)이 연속적으로 형성된다.
도 1b의 스텝핑 롤 방식의 제조시스템의 경우, 롤(400)의 회전과 정지가 반복적으로 이루어진다. 롤(400)이 회전하는 동안 각 공정 챔버의 게이트(미도시)나 상판(미도시)이 열려 플렉서블 기판(100b)이 움직이고 롤(400)이 정지하는 동안 게이트나 상판이 닫혀 각 공정 챔버에서 플렉서블 기판(100b) 상에 제1 전극(110b), 제1 도전성 반도체층(120b), 진성 반도체층(130b), 제2 도전성 반도체층(140b) 및 제2 전극(150b)이 연속적으로 형성된다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 플렉서블 기판(100a, 100b)이 공정 챔버들(I0~I4)을 지날 때마다 진성 반도체층(130a, 130b)의 두께는 증가된다.
이상에서 설명된 제조시스템들은 제1 전극(110a, 110b) 및 제2 전극(150a, 150b)을 형성하기 위하여 공정 챔버들(E1, E2)을 포함하고 있으나 전극 형성용 공정 챔버들(E1, E2)을 포함하지 않을 수도 있다. 공정 챔버들(E1, E2)은 스퍼터링 공정을 수행함으로써 제1 전극(110a, 110b) 및 제2 전극(150a, 150b)을 형성할 수 있다.
제1 전극(110a, 110b) 및 제2 전극(150a, 150b)은 플렉서블 기판(100a, 100b) 상에 위치하며, 제1 도전성 반도체층(120a, 120b), 진성 반도체층(130a, 130b) 및 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)은 제1 전극(110a, 110b) 및 제2 전극(150a, 150b) 사이에 위치한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 제조시스템들은 제1 도전성 반도체층(120a, 120b), 진성 반도체층(130a, 130b) 및 제2 도전성 반도체층(140a, 140b)을 포함하는 단일 접합 태양전지를 생산할 수 있으나, 별도의 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층을 형성할 수 있는 공정 챔버들을 더 포함함으로써 탄뎀형 태양전지를 생산할 수도 있다.
한편 레이저 스크라이빙 공정과 같이 인접한 셀들을 직렬 연결하는 집적화 공정은 공정 챔버들 사이에서 이루어질 수도 있고 제2 전극이 형성된 후 이루어질 수도 있다. 또한 집적화 공정은 제1 전극의 형성된 후 이루어질 수도 있으며, 제2 도전성 반도체층의 형성 및 제2 전극의 형성 사이에서 이루어질 수도 있다. 뿐만 아니라 롤투롤 제조장치들 사이에서 집적화 공정이 이루어질 수도 있다.
제1 전극(110a, 110b) 또는 제2 전극(150a, 150b) 중 어느 하나에 대하여 레이저 스크라이빙 공정이 이루어질 경우 기판(100a, 100b) 상에 전도성 파티클이 잔존할 수 있다. 본 발명의 실시예의 경우, 석션 헤드(suction head)를 포함하는 초음파 세정 장치(Ultra Sonic Cleaner)가 전도성 파티클을 제거하는 세정 공정이 이루어질 수 있다.
초음파 세정 장치는 냉각용 건조공기 (cooling dried air)를 헤파 필터(hepa filter)로 통과시켜 정화한 후 블로우 유닛(blow unit)으로 하여금 일정한 주기로 냉각용 건조공기를 기판(100a, 100b)으로 불어준다. 이에 따라 초음파가 발생하여 기판(100a, 100b) 위의 전도성 파티클이 부유되고 석션헤드가 부유된 미진을 빨아들여 초음파 세정 장치의 프리필터(pre-filter)가 미진을 포집한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 습식세정이 아닌 초음파 세정을 통하여 전도성 파티클을 제거한다. 습식세정의 경우 세정 과정에서 비용이 많이 소요되며 액체에 기판을 담궈야 하므로 태양전지의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 초음파 세정의 경우 액체의 사용없이 대기압 하에서 이루어지므로 비용 상승이나 성능에 대한 영향을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판(100a, 100b)이 금속 포일을 포함할 경우, 제1 전극(110a, 110b)과 플렉서블 기판(100a, 100b) 사이의 절연을 위하여 플렉서블 기판(100a, 100b)은 금속 포일을 덮는 절연층을 포함할 수 있다.
이와 같이 롤(400)에 감긴 플렉서블 기판(100a, 100b)이 풀리면서 태양전지가 형성되므로 롤(400)과 플렉서블 기판(100a, 100b) 사이 또는 서로 겹쳐진 플렉서블 기판(100a, 100b) 사이의 마찰에 의하여 플렉서블 기판(100a, 100b)에 정전기가 발생하기 쉽다. 플렉서블 기판(100a, 100b)의 정전기는 플렉서블 기판(100a, 100b)에 이물질을 부착시키므로 플렉서블 기판이 오염될 수 있다.
또한 정전기가 형성된 플렉서블 기판(100a, 100b)은 공정 챔버 안에서 이송되어 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정이나 스퍼터링 (sputtering) 공정이 이루어질 경우 플렉서블 기판(100a, 100b)의 정전기에 의하여 공정 챔버에서 아킹(arcing)이 발생할 수 있다. 공정 챔버에서 발생하는 아킹은 공정챔버에서 형성되는 박막의 균일도를 파괴하고 심지어 플렉서블 기판(100a, 100b)의 표면을 변형시킬 수 있으므로 태양 전지의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
이와 같은 플렉서블 기판(100a, 100b)의 정전기 및 이물질의 제거를 위하여 본 발명의 실시예는 플렉서블 기판(100a, 100b)에 대한 정전기 제거 단계 및 상압 플라즈마 세정 단계를 포함한다. 이를 위하여 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 플렉서블 기판(100a, 100b)이 전극이나 반도체층의 형성을 위한 공정 챔버 내부로 이송되기 전에 정전기 제거 장치(200) 및 상압 플라즈마 세정장치(300)에 의하여 정전기 제거 및 세정 공정이 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 정전기 제거 단계가 먼저 이루어진 후 상압 플라즈마 세정 단계가 이루어질 수도 있고, 상압 플라즈마 세정 단계가 먼저 이루어진 후 정전기 제거 단계가 이루어질 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 정전기 제거를 위하여 사용될 수 있는 정전기 제거 장치를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정전기 제거장치는, 방전전극(210), 방전전극소켓(220), 접지전극(230), 고전압발생부(240), 제어기(250), 공기통(260), 보호저항 R을 포함한다.
방전전극(210)은 코로나 방전을 발생시키는 기능, 즉 +이온과 -이온을 생성시킨다. 방전전극소켓(220)은 방전전극(210)을 외부충격으로부터 보호하는 한편, 공기를 분사시키기 위한 에어노즐(미도시)이 형성되어 있다. 에어노즐은 방전전극(210)에서 생성한 이온을 정전기 제거의 대상물체인 플렉서블 기판(100a, 100b) 측으로 이동시키기 위해 일정 압력으로 분사되는 공기의 통로역할을 한다. 이와 같이 양이온과 음이온이 플렉서블 기판(100a, 100b) 표면의 정전기를 중화시키므로 플렉서블 기판(100a, 100b) 표면의 정전기가 제거될 수 있다.
에어노즐을 통해 분사되는 공기는 일정 압력의 공기가 유입되는 별도의 공기통(260)을 거쳐서 공급된다. 즉 공기주입부(261, 262)는 일정 압력의 공기를 발생시키는 송풍장치(미도시)에 각각 연결되어 공기통(260)에 항상 일정 압력의 공기를 주입한다. 따라서 방전전극소켓(220)에 형성된 에어노즐에서 분사되는 공기 역시 일정 압력을 유지할 수 있다.
한편, 방전전극(210)에는 저항 R이 연결되어 있는데, 저항 R은 코로나 방전을 안정적으로 발생시키는 한편, 전류량을 감소시킴으로써 방전 전극(210)에 인체가 접촉하였을 때 감전에 의한 충격을 최대한 감소시킬 수 있다.
제어기(250)는 교류 전압의 주파수 및 듀티비를 조절하거나 직류 전압의 공급 또는 차단을 제어한다. 접지전극(230)은 전압이 인가된 방전전극(210)으로부터 이온생성을 유도한다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에서 사용되는 정전기 제거 장치는 대기 상태에서 정전기 제거가 이루어지므로 진공 챔버에 플렉서블 기판을 로딩하는 과정없이 플렉서블 기판의 이송 중에 이루어질 수 있다. 이에 따라 태양전지의 제조 시간이 단축될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 도 2에 도시된 정전기 제거 장치 외에 다양한 종류의 정전기 제거 장치가 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 플렉서블 기판의 세정을 위하여 사용될 수 있는 상압 플라즈마 세정 장치를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상압 플라즈마 세정장치(Atmospheric pressure plasma cleaning device)의 플라즈마 발생장치(310)는 플렉서블 기판(100a, 100b)의 표면에 플라즈마 반응에서 생성된 산소 라디컬(330)을 분사한다. 전원공급장치(340)는 플라즈마 발생장치(310)에 교류전압을 인가한다. 가스공급장치(350)는 플라즈마 발생장치(310)에 연결된 가스 배관을 통해 질소, 산소, 공기 등의 가스를 공급한다. 전원공급장치(340)의 동작에 의하여 플라즈마 발생장치(310)이 양 전극 사이에는 전압차가 발생하며 이 전압차에 의하여 가스의 플라즈마가 생성된다.
이 때 플라즈마의 광자, 여기 원자 및 분자, 전자 및 이온은 에너지를 갖거나, 수 또는 수십 전자 볼트의 여기 에너지 상태에 있을 수 있다. 이러한 여기 에너지는 플렉서블 기판(100a, 100b) 표면에 존재하는 오염 물질의 부착력 보다 훨씬 크므로 플라즈마를 통하여 플렉서블 기판(100a, 100b) 표면을 세정할 수 있다.
이송장치(360)는 플라즈마 발생장치(310)가 플라즈마 상압방전을 실시하는 동안 플렉서블 기판(100a, 100b)을 일정한 속도로 이송한다.
반면에 본 발명의 실시예에서 사용되는 상압 플라즈마 세정 공정은 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 플렉서블 기판(100a, 100b)의 표면을 세정한다. 이에 따라 상압 플라즈마 세정은 화학 약품을 사용하지 않고 진공 상태가 아닌 대기압 상태에서 세정이 이루어질 수 있다. 이에 따라 상압 플라즈마 세정은 화학 약품을 사용하는 습식 세정에 비하여 세정 공정에 따른 비용이 절감될 수 있다.
또한 상압 플라즈마 세정 공정은 대기압 상태에서 세정이 이루어지므로 진공 챔버에 플렉서블 기판을 로딩하는 과정없이 플렉서블 기판의 이송 중에 이루어질 수 있다. 이에 따라 태양전지의 제조 시간이 단축될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예의 경우 롤(400)에 의하여 플렉서블 기판(100a, 100b)이 풀리거나 감기는 과정에서 형성되는 정전기 및 오염 물질을 제거할 수 있으므로 안정적인 동작을 수행하는 태양전지를 제작할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100a, 100b : 플렉서블 기판 110a, 110b : 제1 전극
120a, 120b : 제1 도전성 반도체층 130a, 130b : 진성 반도체층
140a, 140b : 제2 도전성 반도체층 150a, 150b : 제2 전극
200 : 정전기 제거 장치 210 : 방전전극
220 : 방전전극소켓 230 : 접지전극
240 : 고전압발생부 250 : 제어기
260 : 공기통 300 : 상압 플라즈마 장치
310 : 플라즈마 발생장치 340 : 전원공급장치
350 : 가스공급장치 360 : 이송장치
400 : 롤
120a, 120b : 제1 도전성 반도체층 130a, 130b : 진성 반도체층
140a, 140b : 제2 도전성 반도체층 150a, 150b : 제2 전극
200 : 정전기 제거 장치 210 : 방전전극
220 : 방전전극소켓 230 : 접지전극
240 : 고전압발생부 250 : 제어기
260 : 공기통 300 : 상압 플라즈마 장치
310 : 플라즈마 발생장치 340 : 전원공급장치
350 : 가스공급장치 360 : 이송장치
400 : 롤
Claims (7)
- 정전기가 형성된 플렉서블 기판이 준비되는 단계;
상기 플렉서블 기판에 대하여 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계;
상기 플렉서블 기판 상에 제1 전극이 형성되는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층이 형성되는 단계; 및
상기 제2 도전성 반도체층 상에 제2 전극이 형성되는 단계
를 포함하는 태양전지용 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 플렉서블 기판은 금속 포일이나 폴리머 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 스퍼터링 공정이 이루어지는 공정챔버에서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
제1 도전성 반도체층, 진성 반도체층 및 제2 도전성 반도체층은 PECVD 공정이 이루어지는 공정챔버에서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 플렉서블 기판에 대하여 정전기 제거 및 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 동안 상기 플렉서블 기판은 이송되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 정전기 제거는 대기 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판의 처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나에 대한 레이저 스크라이빙 공정이 이루어진 후 석션 헤드를 지닌 초음파 세정 장치에 의하여 세정 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판의 처리방법.
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