KR20120007166A - 안전한 셀레늄 소스를 이용한 cis계 박막태양전지 흡수층 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래 셀렌화 공정에서 사용하던 고체 셀레늄(Se) 또는 유독성의 H2Se 기체를 대신해 안전한 액체 셀레늄 소스(source)를 사용하여 셀렌화 처리하는 안전한 셀레늄 소스를 이용한 CIS계 박막태양전지 흡수층의 제조방법 및 상기 흡수층을 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 제조방법은 셀렌화 공정에서 유독성이 강한 H2S 기체 대신 액체 셀레늄 소스를 사용함으로써 안전장치에 관한 별도의 공정 및 장치가 불필요하며, 고품질의 CIS계 흡수층을 안전하고 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 안전한 셀레늄 소스를 이용한 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 셀렌화 공정에서 사용하던 고체 셀레늄(Se) 또는 유독성의 H2Se 기체 대신 안전한 액체 셀레늄 소스를 사용하여 셀렌화 처리하는 CIS계 박막태양전지 흡수층의 제조방법에 관한 것이다.
칼코피라이트(chalcopyrite) 구조의 구리인듐갈륨셀렌(CuInSe2; CIS)계 화합물은 직접 천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수(~1×105 ㎝-1)와 밴드갭 조절의 용이성 및 열적 안정성 등으로 인해 고효율 박막태양전지용 흡수층과 적외선영역의 광검출기 재료로 주목받고 있다.
특히, CIS계에 속하는 Cu(InGa)Se2(CIGS) 태양전지의 경우, 박막태양전지 중 세계 최고 효율인 19.9%를 달성한바 있으며, 이는 기존 다결정 웨이퍼형 실리콘 태양전지의 효율에 근접하는 수치이다.
현재까지 연구되고 있는 CIS 태양전지의 흡수층 제작방법은 동시증착(co-evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 전착(electro-deposition)법, 유기금속 기상성장법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)법 등이 있고, 상용화가 추진 중인 제작방법은 동시증착법과 스퍼터링법이다.
이중 스퍼터링법은 비교적 장치가 간단하고 손쉽게 금속 또는 절연체를 증착할 수 있어, 연구용은 물론 생산용으로 폭넓게 활용되고 있다.
통상적으로 CIGS 박막은 몰리브덴(molybdenum; Mo) 배면전극이 증착된 유리기판 위에 Cu/In/Ga 금속을 스퍼터링 장비를 이용하여 증착하고 셀레늄(Se) 기체 분위기에서 열을 가하여(열처리) 흡수층을 제조한다.
Mo 배면전극 위에 증착된 금속을 Se 분위기에서 열처리하는 공정을 셀렌화(selenization)이라 하며, 일반적으로 셀렌화 공정에는 Se 공급 유량 조절이 용이하고 반응성이 좋은 H2Se 기체가 사용되지만, H2Se 기체는 독성이 강할 뿐만 아니라 사용상 가스 누출을 막는 안전장치 등의 추가 장비가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래 셀렌화 공정에서 사용하던 유독기체(H2Se) 대신 독성이 적은 액체 셀레늄 소스(source)를 캐리어 가스로 기화하여 셀렌화 공정에 사용함으로써 유독기체에 의한 문제점을 해결하고 본 발명을 성공적으로 완성하였다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 액체 셀레늄 소스를 사용하는 셀렌화 공정을 포함하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 CIS계 박막태양전지의 흡수층을 제조하는데 있어서, 액체 셀레늄 소스(source)를 사용하는 셀렌화 공정을 포함하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 액체 셀레늄 소스는 다이메틸셀레나이드(Dimethylselenide, (CH3)2Se), 다이터트부틸셀레늄(Di-tert-butylselenium, t-(C4H9)2Se), 메틸알리셀레늄(Methylallyselenium, (CH3)Se(C3H5)), 다이알리셀레늄(Diallyselenium, (C3H5)2Se), 다이이소필셀레늄(i-(C3H7)2Se) 등에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 액체 셀레늄 소스를 캐리어 가스로 기화시킨 후 셀렌화 공정에 이용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 제조방법은 종래 셀렌화 공정에서 사용하던 유독성이 강한 H2S 기체를 대신해 액체 셀레늄 소스(source)를 사용함으로써 안전장치에 관한 별도의 공정 및 장치가 불필요하며, 고품질의 CIS계 흡수층을 안전하고 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀렌화 장치도를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 CIS계 박막태양전지의 흡수층은 기판 위에 배면전극을 증착하는 단계; 상기 배면전극 위에 Cu-Ⅲ족 금속을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 금속 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 제조하는 단계로 이루어지는 CIS계 박막태양전지의 흡수층을 제조함에 있어서, 상기 셀렌화 공정은 액체 셀레늄 소스(source)를 사용하는 공정을 포함하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 기판은 유리기판, 알루미나와 같은 세라믹 기판 또는 스테인리스 스틸과 같은 금속기판 중에서 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 소다라임 유리기판인 것이 좋고, 상기 배면전극은 몰리브덴(Mo)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 배면적극 위에 증착되는 Ⅲ족 금속은 In 및 Ga 중 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀렌화 공정에서는 종래 유독성의 H2Se 기체와 비교하여 상대적으로 독성이 적은 다이메틸셀레나이드(Dimethylselenide, (CH3)2Se), 다이터트부틸셀레늄(Di-tert-butylselenium, t-(C4H9)2Se), 메틸알리셀레늄(Methylallyselenium, (CH3)Se(C3H5)), 다이알리셀레늄(Diallyselenium, (C3H5)2Se), 다이이소필셀레늄(i-(C3H7)2Se) 등에서 선택되는 1종 이상의 액체 셀레늄 소스를 캐리어 가스로 기화하여 사용하는 것이 바람직한데, 이때 상기 캐리어 가스로는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 기체를 이용하는 것이 좋다.
상기와 같은 셀렌화 공정을 통해 CIS계 흡수층을 제조함에 따라 유독기체에 의한 위험을 방지하고, 유독기체 발생에 따른 안전장치 등의 설비가 불필요하게 되어 공정의 단가가 저렴해 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀렌화 장치도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 CIS계 박막태양전지의 흡수층은 세정된 Mo/유리기판 위에 스퍼터링법으로 증착된 Cu-Ⅲ족 금속 박막(Cu-Ⅲ 금속/Mo/유리)를 셀렌화 챔버에 도입한다. 셀렌화 챔버에 Cu-Ⅲ 금속/Mo/유리를 도입한 후에는 폄프로 챔버 내의 공기를 제거하고, 질량 유량계(Mass flow controller, MFC)를 이용하여 질소(N2) 캐리어 가스를 셀렌화 챔버로 주입한다. 이때, 질소 캐리어 가스는 액체 셀레늄 소스와 함께 챔버쪽으로 들어가는데 질소 캐리어 가스의 압력을 조절하여 챔버의 압력을 1 atm 이하로 제어한다.
챔버가 일정한 압력에 도달하면 Cu-Ⅲ 금속/Mo/유리에 열을 가하는데, 이때 Cu/Ⅲ족 금속의 비율(조성)에 따라 달라질 수는 있으나 400~600℃의 열을 급속하게 가하는 것이 바람직하다. 급속가열은 공정시간을 단축함으로 CIS계 박막태양전지 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 400℃ 미만으로 가열할 경우 Cu2-xS 등과 같은 2차 상(2nd phase)이 CIS 결정내에 포함되어 있어 박막태양전지의 성능을 떨어뜨릴 수 있으며, 600℃를 넘으면 과도한 열 공급으로 인해 오히려 CIS 박막태양전지의 성능이 떨어지는 문제가 있으므로 400~600℃ 사이에서 가열하여야 양호한 박막태양전지가 제조될 수 있다.
또한, CIS 박막의 특성은 박막의 조성뿐만 아니라 기판의 온도, 증착 시간 등에 의해서도 크게 변할 수 있기 때문에 엄밀한 공정의 제어가 필수적이며, 본 발명에서는 이를 위해 셀렌화 공정에서의 기판온도는 400 내지 500℃, 셀렌화 시간은 3분으로 조절하였다.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (7)
- 기판 위에 배면전극을 증착하는 단계; 상기 배면전극 위에 Cu-Ⅲ족 금속을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 금속 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 제조하는 단계로 이루어지는 CIS계 박막태양전지의 흡수층을 제조함에 있어서,
상기 셀렌화 공정은 액체 셀레늄 소스(source)를 사용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판은 소다라임 유리기판인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 배면전극은 몰리브덴(Mo)인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 배면적극 위에 증착되는 Ⅲ족 금속은 In 및 Ga 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 액체 셀레늄 소스는 다이메틸셀레나이드(Dimethylselenide, (CH3)2Se), 다이터트부틸셀레늄(Di-tert-butylselenium, t-(C4H9)2Se), 메틸알리셀레늄(Methylallyselenium, (CH3)Se(C3H5)), 다이알리셀레늄(Diallyselenium, (C3H5)2Se), 다이이소필셀레늄(i-(C3H7)2Se)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 액체 셀레늄 소스는 캐리어 가스로 기화하여 사용하는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 기체인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막태양전지 흡수층 제조방법.
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KR101356212B1 (ko) * | 2012-07-04 | 2014-01-28 | 한국광기술원 | Cis계 박막태양전지 흡수층 제조방법 및 제조 장치 |
KR101490386B1 (ko) * | 2012-12-18 | 2015-02-06 | 한국생산기술연구원 | 3성분계 셀렌화합물 소결체 제조방법 |
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2010
- 2010-07-14 KR KR1020100067771A patent/KR20120007166A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101356212B1 (ko) * | 2012-07-04 | 2014-01-28 | 한국광기술원 | Cis계 박막태양전지 흡수층 제조방법 및 제조 장치 |
KR101490386B1 (ko) * | 2012-12-18 | 2015-02-06 | 한국생산기술연구원 | 3성분계 셀렌화합물 소결체 제조방법 |
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