KR20130039244A - Ｃｉｇｓ계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광흡수층의 증착 공정 시간을 단축시킴과 아울러 연속적인 증착 공정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있도록 한 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 기판을 이송시키는 기판 이송 수단; 상기 공정 챔버의 외부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 적어도 한 종류의 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 원료 증발 수단; 상기 기판에 마주보도록 상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 기판 상에 분사하는 소스 분사 수단; 및 상기 원료 증발 수단과 상기 소스 분사 수단 간에 연통되어 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스가 상기 소스 분사 수단에 공급되도록 가이드하는 가이드 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 CIGS계 화합물 태양 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광흡수층의 증착 공정 시간을 단축시킴과 아울러 연속적인 증착 공정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있도록 한 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 태양 전지는 시계나 계산기 등 휴대용 전자기기의 전원으로부터 넓은 개활지에 설치된 산업용 발전설비까지 폭넓게 이용된다. 또한, 최근 친환경 대체 에너지의 필요성이 증가함에 따라 태양 전지에 대한 관심이 고조되고 있다.
태양 전지의 구조 및 원리를 간단히 설명하면, 태양 전지는 P(positive)형 반도체와 N(nagative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양 전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
이와 같은 태양 전지는 기판형 태양 전지와 박막형 태양 전지로 구분할 수 있다.
상기 기판형 태양 전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양 전지를 제조한 것이고, 상기 박막형 태양 전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양 전지를 제조한 것이다.
상기 박막형 태양 전지는 광흡수층을 구성하는 재료를 기준으로 Si 박막형 태양 전지와 화합물 박막형 태양 전지로 나눌 수 있고, 그 중 화합물 박막형 태양 전지는 다시 Ⅱ-Ⅵ 태양 전지, CIGS계 화합물 태양 전지 등으로 분류할 수 있다.
상기 CIGS계 화합물 태양 전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se)의 4가지 원소가 합쳐져서 구성되는 CIGS계 화합물을 광흡수층으로 이용한 것이다. 이러한 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층은 증발 증착(Evaporation Deposition) 방법에 의하여 형성될 수 있다.
종래의 증발 증착 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10)의 하부에 설치된 4개의 용기(20, 30, 40, 50)의 상부에 기판(S)을 배치한 후, 저항 가열을 이용해 4개의 용기(20, 30, 40, 50) 각각에 저장된 구리(Cu) 소스, 인듐(In) 소스, 갈륨(Ga) 소스, 및 셀레늄(Se) 소스 각각을 동시에 증발시켜 기판(S)에 증착시킴으로써 기판(S)에 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층을 형성하게 된다.
그러나 종래의 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층의 형성 방법은 저항 가열에 의해 가열되는 용기의 가열 온도를 통해 각 소스를 증발시키기 때문에 용기의 열 손실에 의해 열 효율이 낮아 공정 시간이 증가하여 생산성이 떨어지며, 용기에 저장된 소스의 소진시 용기에 소스를 재충전해야 하므로 연속적인 증착 공정이 불가능하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광흡수층의 증착 공정 시간을 단축시킴과 아울러 연속적인 증착 공정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있도록 한 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 기판을 이송시키는 기판 이송 수단; 상기 공정 챔버의 외부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 적어도 한 종류의 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 원료 증발 수단; 상기 기판에 마주보도록 상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 기판 상에 분사하는 소스 분사 수단; 및 상기 원료 증발 수단과 상기 소스 분사 수단 간에 연통되어 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스가 상기 소스 분사 수단에 공급되도록 가이드하는 가이드 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 증발 원료는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 선택된 하나의 물질 또는 적어도 2 종류의 합금 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 원료 증발 수단은 상기 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시키고 플로팅 상태로 가열하여 상기 증발 소스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조 장치는 상기 원료 증발 수단에 상기 증발 원료를 공급하기 위한 증발 원료 공급 수단; 및 상기 원료 증발 수단에 상기 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며, 상기 운반 가스는 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조 장치는 상기 용기 내부에 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며, 상기 운반 가스는 상기 증발 원료에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 복수의 공정 공간을 가지는 공정 챔버; 상기 각 공정 공간에 설치되어 기판을 이송시키는 복수의 기판 이송 수단; 상기 공정 챔버의 외부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 각기 다른 종류의 증발 원료를 증발시켜 각기 다른 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 복수의 원료 증발 수단; 상기 각 공정 공간에 설치된 복수의 소스 분사 수단; 및 상기 각 원료 증발 수단과 상기 각 소스 분사 수단 간에 연통된 복수의 가이드 수단을 포함하여 구성되며, 상기 복수의 소스 분사 수단 각각은 해당 가이드 수단을 통해 연통된 원료 증발 수단으로부터 공급되는 증발 소스를 상기 기판 상에 분사하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 원료 증발 수단 각각은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 각기 다른 물질로 선택된 증발 원료를 증발시키는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 원료 증발 수단 각각은 상기 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시키고 플로팅 상태로 가열하여 상기 증발 원료를 증발시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제조 장치는 상기 복수의 원료 증발 수단 각각에 해당 증발 원료를 공급하기 위한 복수의 증발 원료 공급 수단; 및 상기 복수의 원료 증발 수단 각각에 상기 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며, 상기 운반 가스는 상기 각 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 해당하는 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법은 적어도 한 종류의 증발 원료를 원료 증발 수단의 용기에 수납하는 단계; 전자기 유도 가열을 이용해 용기에 수납된 상기 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 단계; 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 증발 소스를 상기 공정 챔버의 내부에 설치된 소스 분사 수단으로 공급하는 단계; 및 상기 소스 분사 수단의 하부로 기판을 이송시키면서 상기 소스 분사 수단으로부터 분사되는 증발 소스를 상기 기판 상에 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법은 전자기 유도 가열을 이용해 증발 원료를 플로팅 상태로 가열해 고속으로 증발시켜 기판 상에 증착함으로써 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층의 증착 공정 시간을 단축시킴과 아울러 연속적인 증착 공정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층을 형성하기 위한 증발 증착 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 원료 증발 수단을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 광흡수층을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예의 변형 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치에서 기판 이송 수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 원료 증발 수단을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 기판 상에 형성된 광흡수층을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예의 변형 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치에서 기판 이송 수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 원료 증발 수단을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 공정 챔버(100), 기판 이송 수단(200), 원료 증발 수단(300), 가이드 수단(400), 및 소스 분사 수단(500)을 포함하여 구성된다.
공정 챔버(100)는 기판(S) 상에 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층을 형성하기 위한 공정 공간을 제공한다. 이러한 공정 공간은 진공 상태로 유지될 수 있다.
상기 공정 챔버(100)의 양 측벽에는 기판(S)이 반입되거나 반출되는 기판 반입 게이트(미도시) 및 기판 반출 게이트(미도시)가 형성되어 있다.
기판(S)은 태양전지용 유리, 표시장치용 유리, 또는 탄산나트륨 라임 유리(soda lime glass)가 될 수 있다. 이러한 상기 기판(S) 상에는 몰리브덴(Mo) 등의 재질의 후면 전극층(미도시)이 형성되어 있으며, 후면 전극층은 태양 전지의 정극성(+) 전극으로 사용된다.
기판 이송 수단(200)은 공정 챔버(100)의 공정 공간에 설치되어 기판 반입 게이트로 반입되는 기판(S)을 기판 반출 게이트 쪽으로 이송한다. 이를 위해, 기판 이송 수단(200)은 컨베이어 벨트 또는 롤러 컨베이어 등으로 구성될 수 있다. 이러한 기판 이송 수단(200)은 기판(S)에 형성되는 광흡수층의 증착 조건(예를 들어, 두께) 등에 기초해 기판(S)을 이송한다.
원료 증발 수단(300)은 공정 챔버(100)의 일측 외부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 적어도 한 종류의 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스(Evaporation Source; ES)를 생성한다. 이때, 원료 증발 수단(300)은 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시켜 가열함으로써 증발 원료를 증발시킨다. 이를 위해, 원료 증발 수단(300)은 용기(310), 코일(320), 및 전원 공급 수단(미도시)을 포함하여 구성된다.
용기(310)는 증발 원료(330)를 수납하는 수납 공간을 가지도록 형성된다.
증발 원료(330)는 CIGS계 화합물을 포함하는 분말 또는 덩어리 형태로 이루어져 용기(310)에 공급되어 수납될 수 있다. 이러한 증발 원료(330)는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질 또는 적어도 2 종류의 합금 물질을 포함하도록 이루어질 수 있으며, 예를 들면 다음과 같다.
일 예로써, 증발 원료(330)는 구리, 인듐, 및 갈륨 각각의 물질과 구리 셀레늄(CuSe) 물질이 혼합된 분말 또는 덩어리로 이루어질 수 있으며, 상기 구리 셀레늄(CuSe) 물질은 인듐 셀레늄(InSe) 물질 또는 갈륨 셀레늄(GaSe) 물질로 대체될 수도 있다.
다른 예로써, 증발 원료(330)는 구리 셀레늄(CuSe) 물질, 인듐 셀레늄(InSe) 물질, 및 갈륨 셀레늄(GaSe) 물질 중에서 선택된 어느 하나의 물질과 상기 합금 물질(CIG)이 혼합된 분말 또는 덩어리로 이루어질 수 있다.
코일(320)은 용기(310)를 감싸도록 설치된다. 이러한 코일(320)은 전자기 코일로써 전원 공급 수단으로부터 공급되는 전원에 의해 전자기력을 발생시킴으로써 용기(310)에 수납된 증발 원료(330)를 용기(310)의 내벽으로부터 플로팅시킴과 아울러 플로팅 상태로 가열하여 증발 원료(330)를 증발시킨다. 즉, 코일(320)에 고주파 교류 전류가 인가되면, 증발 원료(330)는 코일(320)에 의해 생성되는 전자기장에 의해 포획되어 용기(310)의 내벽으로부터 플로팅되고, 플로팅 상태의 증발 원료(330)는 코일(320)의 권선 내에 발생되는 고전류에 의한 높은 가열 전력에 의해 고온으로 가열되어 증발되게 된다. 이에 따라, 증발 소스(ES)는 플로팅 상태의 증발 원료(330)에서 증발되므로 고순도를 가지게 된다.
상기의 코일(320)은 2개 이상으로 사용될 수 있으며, 용기(310)에 수납된 증발 원료(330)의 측면과 하부 방향에 대해 동일한 전자기력이 미치도록 용기(310)의 외부에 권선될 수 있다.
이와 같은, 원료 증발 수단(300)은 전자기 유도 가열을 통해 증발 원료(330)를 플로팅 상태로 가열함으로써 용기(310)에 의한 열 손실 없이 증발 소스(ES)를 생성하고, 증발 원료(330)의 증발 속도를 고속으로 수행하게 된다.
한편, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 증발 원료 공급 수단(350), 및 운반 가스 공급 수단(360)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
증발 원료 공급 수단(350)은 전술한 증발 원료(330)를 원료 증발 수단(300)에 공급한다. 즉, 증발 원료 공급 수단(350)은 전술한 용기(310)에서 증발되는 증발 원료(330)의 소모량에 따라 상기 증발 원료(330)를 용기(310)에 공급한다. 이를 위해, 용기(310)의 상측에는 원료 공급 홀(312)이 마련되고, 증발 원료 공급 수단(350)은 원료 공급 관(352)을 통해 상기 원료 공급 홀(312)에 연통된다. 이에 따라, 본 발명은 증발 원료 공급 수단(350)을 이용해 증발 원료(330)를 용기(310)에 공급함으로써 광흡수층의 증착 공정을 연속적으로 수행할 수 있다.
운반 가스 공급 수단(360)은 원료 증발 수단(300)에 운반 가스(Carrier Gas; CG)를 공급한다. 즉, 운반 가스 공급 수단(360)은 용기(310) 내부에 운반 가스(CG)를 공급하여 증발 원료(330)에서 증발되는 증발 소스(ES)를 가이드 수단(400)을 통해 소스 분사 수단(500)으로 운반한다. 이를 위해, 전술한 용기(310)의 하부 바닥면에는 가스 공급 홀(314)이 마련되고, 운반 가스 공급 수단(360)은 가스 공급 관(362)을 통해 상기 가스 공급 홀(314)에 연통된다.
상기의 운반 가스(CG)는 아르곤, 질소, 황화수소, 및 셀렌화수소 중에서 선택된 하나의 가스 또는 적어도 2 종류의 혼합 가스로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 운반 가스(CG)가 셀렌화수소 가스를 포함하여 이루어지는 경우에 있어서, 전술한 증발 원료(330)는 구리, 인듐, 및 갈륨 각각의 물질이 혼합된 분말 또는 덩어리로 이루어지거나, 구리, 인듐, 및 갈륨의 물질을 포함하는 합금 물질(CIG)과 구리 물질이 혼합된 분말 또는 덩어리로 이루어질 수 있다.
가이드 수단(400)은 관 형태로 형성되어 원료 증발 수단(300)과 소스 분사 수단(500) 간에 연통되도록 설치된다. 즉, 가이드 수단(400)의 일측은 전술한 용기(310)의 수납 공간에 연통되도록 용기(310)의 상부에 설치된다. 그리고, 가이드 수단(400)의 타측은 소스 분사 수단(500)에 연통되도록 공정 챔버(100)의 일 측벽을 관통하여 소스 분사 수단(500)의 일측면에 설치된다. 도 2에서, 가이드 수단(400)의 타측이 소스 분사 수단(500)의 일측면에 설치되는 것으로 도시하였으나, 상기 가이드 수단(400)의 타측은 소스 분사 수단(500)에 연통되도록 공정 챔버(100)의 상측 벽을 관통하여 소스 분사 수단(500)의 중심부 상측에 설치될 수도 있다. 이러한 가이드 수단(400)은 원료 증발 수단(300)에서 증발되는 증발 소스(ES)가 소스 분사 수단(500)에 공급되도록 가이드한다.
한편, 상기의 가이드 수단(400)이 낮은 온도를 가질 경우 이동되는 상기 증발 소스(ES)가 가이드 수단(400)의 내벽에 증착될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는 히팅 자켓(410)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 히팅 자켓(410)은 가이드 수단(400)을 감싸도록 설치되어 가이드 수단(400)을 소정의 온도로 유지시킨다.
소스 분사 수단(500)은 기판(S)에 마주보도록 공정 챔버(100)의 내부에 설치되어 원료 증발 수단에서 증발되어 전술한 가이드 수단(400)을 통해 공급되는 상기 증발 소스(ES)를 기판(S) 상에 분사한다. 이를 위해, 소스 분사 수단(500)은 몸체(510), 복수의 분사 홀(520), 및 온도 유지 부재(530)를 포함하여 구성된다.
몸체(510)는 공정 챔버(100)에 지지되어 가이드 수단(400)을 경유하는 공급되는 증발 소스(ES)를 저장한다. 이때, 상기 몸체(510)은 가이드 수단(400)의 타측에 의해 지지될 수도 있다.
복수의 분사 홀(520)은 몸체(510)의 하부에 소정 간격을 가지도록 형성되어 몸체(510)에 저장되는 증발 소스(ES)를 기판(S) 상에 분사한다. 이에 따라, 복수의 분사 홀(520)을 통해 분사되는 증발 소스(ES)는 기판 이송 수단(200)에 의해 소정의 속도로 이송되는 기판(S) 상에 증착됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(S)에 형성된 후면 전극(RE) 상에 CIGS계 태양 전지의 광흡수층(LAL)을 형성하게 된다.
전술한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치를 이용한 상기 광흡수층의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 적어도 한 종류의 증발 원료(330)를 원료 증발 수단(300)의 용기(310)에 수납한다.
다음, 원료 증발 수단(300)의 코일(320)에 전원을 인가함으로써 코일(320)에 인가되는 전원에 따른 전자기 유도 가열을 이용해 용기(320)에 수납된 증발 원료(330)를 증발시켜 전술한 증발 소스(ES)를 생성한다. 이때, 원료 증발 수단(300)은 전자기 유도 가열을 통해 증발 원료(330)를 용기(310)의 내벽으로부터 플로팅시키고, 플로팅 상태로 가열해 증발 소스(ES)를 생성하게 된다.
다음, 가이드 수단(400)을 통해 원료 증발 수단(300)에서 증발되는 증발 소스(ES)를 공정 챔버(100)의 내부에 설치된 소스 분사 수단(500)으로 공급한다.
다음, 기판 이송 수단(200)의 구동에 따라 기판(S)을 소스 분사 수단(500)의 하부로 이송시키면서 소스 분사 수단(500)으로부터 분사되는 증발 소스(ES)를 기판(S) 상에 증착함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(S)에 형성된 후면 전극(RE) 상에 CIGS계 태양 전지의 광흡수층(LAL)을 형성하게 된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법은 전자기 유도 가열을 이용해 증발 원료(330)를 플로팅 상태로 가열해 고속으로 증발시켜 기판(S) 상에 증착함으로써 광흡수층(LAL)의 형성 공정을 고속으로 수행할 수 있으며, 전자기 유도 가열을 이용하므로 용기(310)에 의한 열 손실 없이 증발 소스(ES)를 생성하고, 증발 원료(330)의 증발 속도를 고속으로 수행하게 된다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법은 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층의 증착 공정 시간을 단축시킴과 아울러 연속적인 증착 공정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치 및 제조 방법에서는 공정 챔버(100)의 내부에 마련된 단일의 공정 공간에서 단일 공정을 통해 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층(LAL)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 연속 공정을 통해 상기 광흡수층(LAL)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(100)의 내부를 복수의 공정 공간(102, 104, 106, 108)으로 구획하고, 구획된 각 공정 공간(102, 104, 106, 108)에서 광흡수층(LAL)을 구성하는 구리 물질, 인듐 물질, 갈륨 물질, 및 셀레늄 물질을 순차적으로 형성하는 연속 공정을 통해 기판(S) 상에 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층(LAL)을 형성하게 된다. 이때, 각 공정 공간(102, 104, 106, 108)은 구획 게이트(109)에 의해 구획될 수 있다.
구체적으로, 복수의 공정 공간(102, 104, 106, 108) 각각에는 전술한 기판 이송 수단(200) 및 전술한 소스 분사 수단(500)이 각각 설치된다. 이에 따라, 기판(S)은 기판 이송 수단(200) 각각의 구동에 의해 각 공정 공간(102, 104, 106, 108)으로 이송된다. 상기 각 기판 이송 수단(200)에 의해 이송되는 기판(S) 상에는 소스 분사 수단(500) 각각으로부터 분사되는 각기 다른 종류의 증발 소스가 증착되어 최종적으로 CIGS계 화합물로 이루어진 광흡수층(LAL)이 형성된다.
그리고, 복수의 공정 공간(102, 104, 106, 108) 각각에 대응되는 공정 챔버(100)의 외부에는 전술한 원료 증발 수단(300)이 각각 설치된다. 상기 복수의 원료 증발 수단(300) 각각은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 각기 다른 물질로 선택된 증발 원료를 증발시킨다.
상기 복수의 원료 증발 수단(300) 각각에는 전술한 증발 원료 공급 수단(350) 및 운반 가스 공급 수단(360) 각각이 접속된다. 또한, 복수의 원료 증발 수단(300) 각각과 복수의 소스 분사 수단(500) 각각의 사이에는 전술한 가이드 수단(400)이 각각 연통된다. 이에 따라, 상기 복수의 원료 증발 수단(300) 각각에서 증발되는 각기 다른 종류의 증발 소스는 해당하는 가이드 수단(400)을 통해 해당하는 소스 분사 수단(500)에 공급되어 기판(S) 상에 증착된다.
한편, 상술한 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치에서 원료 증발 수단(300)은 공정 챔버(100)의 외부에 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 도 6에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(100)의 내부에 설치될 수도 있다.
다른 한편, 상술한 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 예에 따른 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치에서 기판(S)은 유리 재질로 이루어지는 것을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 쉽게 휘어질 수 있는 플라스틱 또는 금속 재질의 가요성 기판(S)이 될 수 있다. 이 경우, 전술한 기판 이송 수단(200)은 컨베이어 벨트 또는 롤러 컨베이어 등으로 구성될 수 있지만, 룰투롤(Roll to Roll) 방식으로 구성되는 것이 바람직하다.
롤투롤 방식의 기판 이송 수단(200)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 공급 롤러(250), 제 1 가이드 롤러(252), 회수 롤러(260), 및 제 2 가이드 롤러(262)를 포함하여 구성될 수 있다.
공급 롤러(250)는 전술한 소스 분사 수단(500)의 일측에 대응되는 공정 챔버(미도시)의 내부 및 외부에 설치된다. 이러한 공급 롤러(250)에는 소정 길이의 기판(S)이 연속적으로 권취되어 있으며, 롤러 구동부(미도시)의 구동에 따라 권취된 기판(S)을 소스 분사 수단(500)의 하부 쪽으로 공급한다.
제 1 가이드 롤러(252)는 공급 롤러(250)로부터 공급되는 기판(S)이 소스 분사 수단(500)의 하부 쪽으로 반송되도록 가이드한다. 그리고, 제 1 가이드 롤러(252)는 소스 분사 수단(500)의 일측에 설치되어 소스 분사 수단(500)과 기판(S) 간의 거리를 일정하게 유지시킨다.
회수 롤러(260)는 전술한 소스 분사 수단(500)의 타측에 대응되는 공정 챔버(미도시)의 내부 및 외부에 설치된다. 이러한 회수 롤러(260)는 롤러 구동부(미도시)의 구동에 따라 소스 분사 수단(500)에 의해 광흡수층이 형성된 기판(S)을 권취하여 회수한다.
제 2 가이드 롤러(262)는 소스 분사 수단(500)에 의해 광흡수층이 형성된 기판(S)이 회수 롤러(260) 쪽으로 반송되도록 가이드한다. 그리고, 제 2 가이드 롤러(262)는 소스 분사 수단(500)의 타측에 설치되어 소스 분사 수단(500)과 기판(S) 간의 거리를 일정하게 유지시킨다.
이와 같은, 롤투롤 방식의 기판 이송 수단(200)은 소스 분사 수단(500)을 사이에 두고 공급 롤러(250)와 회수 롤러(260)의 구동에 따라 기판(S)을 연속적으로 반송하면서 소스 분사 수단(500)을 이용해 원료 증발 수단에 의해 증발된 증발 소스를 기판(S) 상에 증착하여 광흡수층을 형성함으로써 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 공정 챔버 200: 기판 이송 수단
300: 원료 증발 수단 310: 용기
320: 코일 330: 증발 원료
350: 증발 원료 공급 수단 360: 운반 가스 공급 수단
400: 가이드 수단 410: 히팅 자켓
500: 소스 분사 수단 510: 몸체
520: 분사 홀 530: 온도 유지 부재
300: 원료 증발 수단 310: 용기
320: 코일 330: 증발 원료
350: 증발 원료 공급 수단 360: 운반 가스 공급 수단
400: 가이드 수단 410: 히팅 자켓
500: 소스 분사 수단 510: 몸체
520: 분사 홀 530: 온도 유지 부재
Claims (27)
- 복수의 공정 공간을 가지는 공정 챔버;
상기 각 공정 공간에 설치되어 기판을 이송시키는 복수의 기판 이송 수단;
상기 공정 챔버의 외부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 각기 다른 종류의 증발 원료를 증발시켜 각기 다른 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 복수의 원료 증발 수단;
상기 각 공정 공간에 설치된 복수의 소스 분사 수단; 및
상기 각 원료 증발 수단과 상기 각 소스 분사 수단 간에 연통된 복수의 가이드 수단을 포함하여 구성되며,
상기 복수의 소스 분사 수단 각각은 해당 가이드 수단을 통해 연통된 원료 증발 수단으로부터 공급되는 증발 소스를 상기 기판 상에 분사하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 원료 증발 수단 각각은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 각기 다른 물질로 선택된 증발 원료를 증발시키는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 원료 증발 수단 각각은 상기 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시키고 플로팅 상태로 가열하여 상기 증발 원료를 증발시키는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 원료 증발 수단 각각에 해당 증발 원료를 공급하기 위한 복수의 증발 원료 공급 수단; 및
상기 복수의 원료 증발 수단 각각에 상기 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며,
상기 운반 가스는 상기 각 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 해당하는 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 원료 증발 수단 각각은,
상기 증발 원료가 수납되는 용기; 및
인가되는 전원에 따라 상기 용기 내부에 전자기력을 발생하여 상기 용기에 수납된 증발 원료를 플로팅 상태로 가열해 상기 증발 소스를 생성하는 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 공정 챔버;
상기 공정 챔버의 외부 또는 내부에 설치되어 전자기 유도 가열을 이용해 적어도 한 종류의 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 원료 증발 수단; 및
상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 상기 원료 증발 수단으로부터 증발되어 공급되는 상기 증발 소스를 기판 상에 분사하는 소스 분사 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단과 상기 소스 분사 수단 간에 연통된 가이드 수단을 더 포함하여 구성되며,
상기 가이드 수단은 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스가 상기 소스 분사 수단에 공급되도록 가이드하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 증발 원료는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 선택된 하나의 물질 또는 적어도 2 종류의 합금 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단은 상기 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시키고 플로팅 상태로 가열하여 상기 증발 소스를 생성하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단에 상기 증발 원료를 공급하기 위한 증발 원료 공급 수단; 및
상기 원료 증발 수단에 상기 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며,
상기 운반 가스는 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단은,
상기 적어도 한 종류의 증발 원료가 수납되는 용기; 및
인가되는 전원에 따라 상기 용기 내부에 전자기력을 발생하여 상기 용기에 수납된 증발 원료를 플로팅 상태로 가열해 상기 증발 소스를 생성하는 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 용기 내부에 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급 수단을 더 포함하여 구성되며,
상기 운반 가스는 상기 증발 원료에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 운반 가스 공급 수단은 상기 용기의 하부에 연통된 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 10 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 운반 가스는 아르곤, 질소, 황화수소, 및 셀렌화수소 중에서 선택된 하나의 가스 또는 적어도 2 종류의 혼합 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 가이드 수단을 감싸도록 설치되어 상기 가이드 수단의 온도를 소정의 온도로 유지시키는 히팅 자켓을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 7 항 또는 제 15 항에 있어서,
상기 소스 분사 수단은,
상기 공정 챔버에 지지되어 상기 가이드 수단을 경유하는 상기 증발 소스가 공급되는 몸체;
상기 몸체의 하부에 형성되어 상기 증발 소스를 상기 기판 쪽으로 분사하기 위한 복수의 분사 홀; 및
상기 몸체 내부에 형성되어 상기 몸체를 소정의 온도로 유지시키는 온도 유지 부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 공정 챔버의 내부에 설치되어 상기 기판을 상기 소스 분사 수단의 하부로 이송하는 기판 이송 수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 기판은 휘어질 수 있는 플라스틱 또는 금속 재질로 이루어지고,
상기 기판 이송 수단은 상기 소스 분사 수단을 사이에 두고 설치되어 상기 기판을 상기 소스 분사 수단의 하부로 반송하는 공급 롤러와 회수 롤러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 장치. - 적어도 한 종류의 증발 원료를 원료 증발 수단의 용기에 수납하는 단계;
전자기 유도 가열을 이용해 용기에 수납된 상기 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 단계; 및
소스 분사 수단을 통해 상기 증발 소스를 기판 상에 분사하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단과 상기 소스 분사 수단 간에 연통된 가이드 수단을 이용해 상기 원료 증발 수단에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 공급하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 증발 원료는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se) 중에서 선택된 하나의 물질 또는 적어도 2 종류의 합금 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 원료 증발 수단은 상기 전자기 유도 가열을 통해 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅(Floating)시키고 플로팅 상태로 가열하여 상기 증발 소스를 생성하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 용기 내부에 운반 가스를 공급하는 단계를 더 포함하여 이루어지며,
상기 운반 가스는 상기 용기에서 증발되는 상기 증발 소스를 상기 소스 분사 수단으로 운반하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 23 항에 있어서,
상기 운반 가스는 아르곤, 질소, 황화수소, 및 셀렌화수소 중에서 선택된 하나의 가스 또는 적어도 2 종류의 혼합 가스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 증발 원료를 증발시켜 적어도 한 종류의 물질로 이루어진 증발 소스를 생성하는 단계는,
상기 용기를 감싸도록 권선된 코일에 전원을 인가함으로써 상기 코일에 의해 발생되는 전자기력에 따라 상기 용기로부터 상기 증발 원료를 공간적으로 플로팅시키고 플로팅 상태로 가열해 증발시키는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 소스 분사 수단의 하부로 상기 기판을 이송시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 기판을 이송시키는 단계는,
상기 소스 분사 수단을 사이에 두고 설치된 공급 롤러와 회수 롤러의 구동에 따라 상기 기판을 상기 소스 분사 수단의 하부로 이송하는 것을 특징으로 하는 CIGS계 화합물 태양 전지의 광흡수층 제조 방법.
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