KR20130058271A - Cis계 박막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CIS계 박막 제조방법에 관한 것으로서, 셀렌화 공정을 2회 실시하여 CIS계 결정질 박막을 형성할 때 공간(cavity)결함이 없는 CIS계(Cu-III-VI2계, 다시말해 Cu(InXGa1-X)(SYSe1-Y)2) 박막을 제조하기 위한 CIS계 박막 제조방법을 제공한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, (a) 배면전극 상에 인듐(In)을 증착하고 제1셀렌화 공정으로 인듐셀렌(InxSey)을 형성하는 단계; 및 (b) 인듐셀렌 위에 구리(Cu)를 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, (a) 배면전극 상에 인듐(In)을 증착하고 제1셀렌화 공정으로 인듐셀렌(InxSey)을 형성하는 단계; 및 (b) 인듐셀렌 위에 구리(Cu)를 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 CIS계 박막 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 몰리브텐(Molybdenum: Mo) 배면전극이 증착된 기판위에 "III족 금속막-Cu 막"을 증착(혹은 적층)하고 셀렌화(혹은 황화)처리하여 CIS계 결정질 박막을 형성할 때 공간(cavity)결함이 없는 CIS계(Cu-III-VI2계, 다시말해 Cu(InXGa1-X)(SYSe1-Y)2) 박막을 제조하는 방법을 제공한다.
칼코피라이트(chalcopyrite) 구조의 구리인듐셀렌(CuInSe2; CIS)계 화합물은 직접 천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수(1ㅧ 105 ㎝-1)와 밴드갭 조절의 용이성 및 열적 안정성 등으로 인해 고효율 박막태양전지용 흡수층과 적외선영역의 광검출기 재료로 주목받고 있다.
특히, CIS계(Cu(InXGa1-X)(SYSe1-Y)2)에 속하는 Cu(InGa)Se2 (CIGS) 태양전지의 경우, 박막태양전지 중 세계 최고 효율인 20.1%를 달성한바 있으며, 이는 기존 다결정 웨이퍼형 실리콘 태양전지의 효율에 근접하는 수치이다.
현재까지 연구되고 있는 CIS계 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 스퍼터링법이 주를 이룬다. 이중 스퍼터링법은 비교적 장치가 간단하고 손쉽게 금속 또는 절연체를 대면적으로 증착할 수 있어 제품을 생산하는 장치로 폭넓게 활용되고 있으며, 많은 박막태양전지 기업에서 Cu와 III족 금속을 Mo 배면전극위에 스퍼터링 증착 후 셀렌화(selenization)를 통해 CIS계 흡수층 박막을 제조하고 있다.
통상적으로 CIGS 박막은 몰리브덴(molybdenum; Mo) 배면전극이 증착된 유리기판 위에 스퍼터링 장비를 이용하여 Cu-Ga-In 금속(금속과 셀레나이드 화합물을 포함) 한층한층 적층하고 셀레늄(Se) 소스를 주입하고 열을 가하여 식혀(열처리) 흡수층을 제조한다.
Mo 배면전극 위에 증착된 금속을 Se 분위기에서 열처리하는 공정을 셀렌화(selenization)이라 하며, 일반적으로 대면적의 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.
이러한, 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치 및 그 제조방법에 대해서는 대한민국등록특허 제 10-0922890호(발명의 명칭 : CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지)(이하 '종래기술')외에 다수 출원 및 등록되어있다.
상기 종래기술은 화합물 박막 태양전지의 광흡수층의 제조방법에 있어서, 기판의 상부에 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물의 제 1혼합층과 구리인듐(CuIn) 및 셀레나이드 화합물의 제 2혼합층을 적층하여 전구체를 형성하는 단계; 및 상기 전구체를 열처리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 혼합 금속 및 셀레나이드 화합물을 함께 사용하여 전구체를 형성함으로써, 셀렌화 공정에서 기판과의 접착 문제를 유발하지 않고 CIGS 광흡수층을 형성하는 효과가 있었다.
다만, 셀렌화 공정 후 CIGS 광흡수층과 Mo 배면전극 사이에 공간(cavity)이 형성되어 CIGS 박막과 Mo배면전극의 접촉면적이 줄어드는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 셀렌화 공정을 2회 실시하여 CIS계 결정질 박막을 형성할 때 공간(cavity)결함이 없는 CIS계(Cu-III-VI2계, 다시말해 Cu(InXGa1-X)(SYSe1-Y)2) 박막을 제조하기 위한 CIS계 박막 제조방법을 제공한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, (a) 배면전극 상에 인듐(In)을 증착하고 제1셀렌화 공정으로 인듐셀렌(InxSey)을 형성하는 단계; 및 (b) 인듐셀렌 위에 구리(Cu)를 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 (a) 단계 이전에, 기판위에 배면전극을 증착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 제1셀렌화 공정 또는 제2셀렌화 공정에서 기판의 온도는 250 ℃ 내지 550 ℃인 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, (a) 배면전극 상에 구리(Cu)를 증착하고 제1셀렌화 공정으로 구리셀렌(CuxSey)을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 구리셀렌 위에 인듐(In)을 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계; 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, Mo 배면전극과 CIS계 박막 사이에 공간결함이 줄어들어 CIS계 박막태양전지의 효율 향상 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 CIS계 박막 제조방법의 흐름도.
도 2 는 종래 기술에 따라 제조된 CIS계 박막의 측면도.
도 3 은 본 발명의 CIS계 박막 제조방법에 따라 제조된 CIS계 박막의 측면도.
도 2 는 종래 기술에 따라 제조된 CIS계 박막의 측면도.
도 3 은 본 발명의 CIS계 박막 제조방법에 따라 제조된 CIS계 박막의 측면도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 CIS계 박막 제조방법에 관하여 도 1 내지 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 CIS계 박막 제조방법의 흐름도로서, 도시된 바와 같이 기판(10) 위에 배면전극(20)을 증착하는 단계(S100), 배면전극(20) 위에 인듐(In) 금속을 증착하는 단계(S200), 제1셀렌화 공정으로 InxSey를 형성하는 단계(S300), InxSey 위에 구리(Cu) 금속을 증착하는 단계(S400) 및 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층(30)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2 는 종래 기술에 따라 제조된 CIS계 박막의 측면도로서, 도시된 바와 같이 종래에는 유리 기판(10)에 배면전극(20)을 형성하고 그 상단에 CIS계 박막을 형성하였다.
종래에는 배면전극(20) 상에 구리와 인듐을 한꺼번에 증착시킨 후 단 한번의 셀렌화 공정을 거쳤기 때문에 배면전극(20)과 CIS계 흡수층(30) 사이에 빈 공간(40)이 형성되어 CIS계 박막의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 CIS계 박막 형성시 2번의 셀렌화 공정으로 빈공간(40)을 획기적으로 감소시켰다.
먼저, 상기 S100 단계에서는 기판(10) 위에 배면전극(20)을 증착한다. 이때, 상기 기판(10)은 유리기판, 세라믹 기판 또는 금속기판 등이 쓰일 수 있다. 또한 상기 배면전극(20)은 몰리브덴(Mo)이 쓰일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 S200 단계에서는 상기 배면전극(20) 위에 인듐(In) 또는 인듐-갈륨(In-Ga) 금속을 증착한다. 다만, 배면전극(20)에 증착하는 금속은 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 제1셀렌화 공정으로 배면전극(20)위에 형성된 인듐(In)계 금속과 셀레나이드 화합물이 결합하여 InxSey를 형성한다(S300). 상기 제1셀렌화 공정은 셀레나이드 화합물을 스퍼터링법, 동시증착법 등을 이용하여 배면전극(20)에 이미 형성된 인듐 금속과 결합시켜 InxSey이 되도록 할 수 있다.
또한, 인듐 금속을 배면전극(20)에 증착하는 것(S200)과 제1셀렌화 공정(S300)을 동시에 실행하여 배면전극(20) 위에 InxSey를 형성할 수도 있다.
뒤이어, 상기 형성된 InxSey에 구리(Cu) 금속을 증착하고(S400), 증착된 InxSey 및 구리(Cu)에 다시 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층(30)을 형성한다(S500).
이때, 구리(Cu) 와 제2셀렌화 공정을 동시에 행할 수도 있고, 구리(Cu)를 먼저 증착시킨 후 제2셀렌화 공정을 진행할 수도 있다.
또한, 인듐을 먼저 증착하고 제1셀렌화 공정을 거쳐 구리를 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 박막을 형성할 수도 있으나, 인듐과 구리의 순서를 바꿔 구리를 먼저 증착하고 제1셀렌화 공정을 거쳐 인듐을 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 박막을 형성할 수도 있다.
그리고, 바람직하게는 상기 제1셀렌화 공정 또는 제2셀렌화 공정시 기판(10)의 온도를 250 ℃ 내지 550 ℃ 로 열처리한다.
따라서, 기존에 배면전극(20) 및 기판(10)위에 종래 Cu-In-Ga 금속 적층 후에 셀렌화를 통하여 제조한 CIS계 박막에 형성된 공간결함이 발생하던 것을, 본 발명에 따르면 2회 셀렌화 공정을 도입함으로 CIS계 박막과 배면전극(20)사이의 공간결함을 완전히 제거된 CIS계 박막을 제공함으로 효율을 높일 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 기판 20 : 배면전극
30 : CIS계 흡수층 40 : 빈 공간
30 : CIS계 흡수층 40 : 빈 공간
Claims (4)
- (a) 배면전극 상에 인듐(In)을 증착하고 제1셀렌화 공정으로 인듐셀렌(InxSey)을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 인듐셀렌 위에 구리(Cu)를 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에,
기판위에 배면전극을 증착하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1셀렌화 공정 또는 제2셀렌화 공정에서 기판의 온도는 250 ℃ 내지 550 ℃인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 제조방법.
- (a) 배면전극 상에 구리(Cu)를 증착하고 제1셀렌화 공정으로 구리셀렌(CuxSey)을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 구리셀렌 위에 인듐(In)을 증착하고 제2셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 단계; 포함하는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 제조방법.
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