KR20130098143A - Ｃｉｇｓ 태양 전지 제조를 위한 통합적 방법 - Google Patents

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구이젠 장
토니 치앙
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Abstract

본 명세서는 통합적으로 변화될 수 있으며 평가될 수 있는 Cu2ZnSnS4(CZTS) 태양 전지 및 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(Copper Indium Gallium DiSelenide, CIGS) 태양 전지의 서로 다른 유형의 형성 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 모두 통합적 공정 기구를 사용한 위치-분리된 구역의 형성 및 태양 전지 영역을 형성하기 위한 이러한 위치-분리된 구역의 사용을 포함한다. 그러므로, 복수의 태양 전지가 통합적 방법론에서의 사용을 위하여 단일 기판상에서 신속하게 형성될 수 있다. 기재된 방법의 어떠한 개별 공정도 변화된 공정 조건 및 물질을 시험하기 위하여 통합적으로 변화될 수 있다.

Description

ＣＩＧＳ 태양 전지 제조를 위한 통합적 방법{COMBINATORIAL METHODS FOR MAKING CIGS SOLAR CELLS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2010.05.04. 출원된 미국 가출원 일련번호 61/331,347의 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 그 전체가 참고문헌으로 수록된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 반도체 공정에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 통합적 방법론을 사용하여 Cu2ZnSnS4(CZTS) 태양 전지 및 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(Copper Indium Gallium Selenide, CIGS) 태양 전지의 형성 방법 및 형성된 시험 기판이 기재된다.
발명의 배경
통합적 공정(Combinatorial processing)은 반도체 공정뿐만 아니라 배터리, 촉매, 의약품, 및 생명공학과 같은 또 다른 산업에서 형성된 재료, 공정, 및 반도체 소자를 평가하기 위하여 사용되어왔다. 통합적 공정을 태양 응용분야에 적용하기 위한 상당한 노력이 이루어지지 않았다.
청정 재생 에너지(clean renewable energy) 공급원이 요구됨에 따라 태양 전지가 광범위하게 연구되었다. 현재, 단-결정실 및 다-결정질 실리콘 태양 전지가 시장에서 지배적인 기술이다. 단-결정실 및 다-결정질 실리콘 태양 전지는 태양광을 효율적으로 흡수하기 위한 두꺼운 실리콘 층을 요구한다. 이는 결정질 실리콘 태양전지에 대한 낮은 물질 이용률을 결정하며, 이에 따라 저비용 전기의 달성을 어렵게 한다. 다른 한편으로, 박막 태양 전지는 태양광을 직접 전기로 효율적으로 전환하는 고유의 물질 특성으로 인하여 흡수재 물질의 매우 얇은 층을 요구한다. 비결정질/마이크로결정질 실리콘(Si), 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 및 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS)가 박막 태양 전지에서 사용되는 현재 생산중인 세 가지 선도 물질이다. 이들 세 가지 박막 태양 전지 중에서, CIGS는 최고의 실험실 전지 효율(20%에 근접함) 및 최고의 대면적 모듈 효율(>12%)을 가진다.
특히, 구리-아연-주석-황화물(copper-zinc-tin-sulfide, Cu2ZnSnS4) (CZTS) 태양 전지 및 CIGS 태양 전지의 통합적 평가를 위하여 진공 공정 기구를 사용하는 태양 전지 시험 기판의 개발이 이루어지지 않았다. 재료, 단위 공정, 또는 공정 순서에서의 발전이 태양 전지에 대하여 지속적으로 추구된다. 그렇지만, 태양광 회사들은 전체 기판 공정(full substrate processing)에 대한 연구 개발(R&D)을 수행한다. 이러한 접근법은 증가된 R&D 비용 그리고 시간적 및 비용 효율적 방식으로 광범위한 실험을 수행하는 것에 대한 무능력을 야기하였다.
친환경적이고, 지속가능하며, 재생가능한 에너지 공급원에 대한 증가하는 수요가 대면적의, 박막(TF) 태양광(photovoltaic, PV) 장치의 개발을 촉구하고 있다. 전 세계적인 에너지 수요의 상당한 백분율을 제공하는 장기간의 목적으로, 지구에 풍부하고(Earth-abundant), 태양광 장치에서의 사용을 위한 높은 전환 효율성 물질에 대한 수반되는 요구가 존재한다. 많은 지구에 풍부한 직접-밴드갭 반도체 물질은 현재 초대규모(Very Large Scale, VLS) 생산(예컨대 100 기가와트(GW) 초과)에서 높은 효율성 및 저비용 둘 모두에 대한 잠재력의 증거를 나타내는 것으로 보이나, 이들의 개발 및 특성화에 대하여 거의 관심이 주어지지 않고 있다.
모든 박막 PV 기술 중에서, CIGS 및 CdTe만이 10% 초과의 안정화된 모듈 효율성을 갖는 용량 생산에 도달한 두 가지 물질이다. 태양 전지 생산 용량은 2050년에 27 테라와트(TW)의 2배로 예상되는 급격히 성장하는 에너지 수요를 만족하기 위하여 다가오는 수십 년 이내에 엄청나게 증가하여야만 한다. 그렇지만, 인듐(In), 갈륨(GA) 및 텔루륨(Te)의 공급이 CIGS 및 CdTe 태양 패널 태양광 패널(solar panel)의 연간 생산을 억제할 수도 있다. 더욱이, 인듐 및 갈륨의 가격 인상 및 공급 부족이 CIGS PV와 함께 평판 디스플레이(flat panel display, FPD) 및 발광 다이오드(LED)에서 사용되는 이러한 물질에 대한 집약적인 수요로부터 야기될 수 있다. 더욱 광범위하게 구입 가능한 원료를 사용하여 박막 PV와 관련된 제조 및 R&D 기반을 촉진하는 장치를 개발하기 위한 노력이 세상을 위하여 최우선적으로 고려되어야 한다.
CZTS 케스터라이트(kesterite)가 PV 분야로부터 증가하는 관심을 축적하는 지구에 풍부한 물질 시스템 중 한 가지 유형이다. IBM은 최근 9.66% 전환 효율 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CTZSS) 태양 전지를 발표하였다. 이러한 태양 전지는 하이드라진계 용액으로부터 스핀 코팅된 필름을 사용하였다; 그렇지만, 하이드라진은 공지된 독성물질이다. 또한 상기 전지는 CdS 완충 층 내 카드뮴 및 마그네슘 플루오라이드 반사-방지 코팅을 사용하였다. 이러한 물질 세트가 제조에 대하여 바람직하지 않을 수 있지만, 매우 짧은 시간 기간에 걸친 급격한 효율 개선은 PV에 대한 CZTS-유형 물질의 잠재력을 나타낸다. 여전히, 이러한 알려진 성능과 32%의 이론적 단일 접합 효율 사이의 상당한 간격이 존재한다.
지구에 풍부한 물질을 이용하는 박막 PV 장치의 미완성은 시간-대-상업화(time-to- commercialization)와 관련하여 대담한 도전과제를 제시한다. 이러한 동일한 미완성은 또한 돌파구 발견을 위한 매력적인 가능성을 제안한다. CZTS와 같은 4차 시스템(quaternary system)은 다중 동력학적 경로(kinetic pathway), 열역학적 상평형 고찰, 결함 화학, 및 계면 제어의 관리를 요구한다. 관리될 광대한 단계-공간(phase-space)은 공정 파라미터, 공급원 물질 선택, 조성, 및 전반적인 통합 계획(integration scheme)을 포함한다. 종래의 R&D 방법은 이러한 복잡성을 해결하기 위해 장비가 제대로 구비되지 않으며(ill-equipped), 전통적으로 R&D의 느린 진척은 이미 달성된 박막 PV 제조 라인의 점진적으로 개선하는 성능과 필적될 때 임의 새로운 물질이 산업적 타당성에 도달하는 것을 제한할 수 있다.
그렇지만, 물질, 전지 구조 및 제조 공정의 복잡성으로 인하여, 기초적인 과학적 이해 및 대규모 제조가능성 둘 모두는 CZTS 및 CIGS 태양 전지에 대하여 개선될 것이다. 태양광 산업이 그리드 패리티(grid parity)를 달성하기 위해 압박함에 따라, 훨씬 더 신속하고 더 광범위한 연구가 제조 공정의 더 높은 효율성 및 더 낮은 비용을 위한 물질, 장치 및 공정 윈도우를 탐구할 필요가 있다. 통합적으로 변화될 수 있고 평가될 수 있는 서로 다른 유형의 CZTS 태양 전지 및 CIGS 태양 전지를 형성하는 방법이 필요하다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 다양한 실시예를 이하의 상세한 설명 및 첨부한 도면에 기재한다.
도 1은 기판상에 4개의 주된 층을 포함하는 CZTS 태양 전지의 소자 구조체이다.
도 2는 a) HPC PVD 챔버의 사진, b) HPC PVD 챔버를 사용하는 CZTS 전구체 코-스퍼터링(co-sputtering)의 개략도(최대 4개의 스퍼터 공급원 가능), 및 c) 위치-분리된 CIGS/CZTS 전지가 구비된 5"x5" 몰리브덴 (Mo) 코팅된 소다-석회 유리 (SLG) 기판의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 3은 동일한 Mo 후면 접촉 층에 증착된 두 개의 CIGS 필름의 동일한 배율로 이들 평면도에 도시된 바와 같이, 증착 파라미터에 따른 CIGS/CZTS 형태 변화를 도시하며, 여기서 공칭 결절 크기는 대략 1/10만큼(an order of magnitude) 감소된다.
도 4는 몰리브덴과 같은 후면 접촉 층으로 코팅된 기판을 도시한다.
도 5는 기판에 Mo를 코팅하기 위한 고생산성 통합기술(High Productivity Combinatorial, HPC) 물리 기상 증착(PVD 또는 스퍼터링) 챔버를 도시한다.
도 6은 필름 스택의 개략도이다.
도 7은 로(furnace)에서 셀렌화될 수 있는 CIG 전구체 필름을 코-스퍼터링 또는 순차 스퍼터링하기 위하여 Cu, Cu-Ga 및 In을 사용하는 표적의 구성을 나타낸다.
도 8은 특히 CIGS 증착 시작시에 Na를 흡수재 전구체에 혼입시키기 해 4th 표적에서 소듐(Na) 화합물을 사용하는 또 다른 구성을 나타낸다.
도 9는 CIGS 필름을 동시에 코-스퍼터링하기 위해 Cu2Se, In2Se3 및 Ga2Se3을 사용하는 표적의 또 다른 구성을 나타낸다.
도 10은 대표적인 CIGS 증착을 도시한다.
도 11은 위치-분리된 CBD 완충 층을 도시한다.
도 12는 전체 기판(full substrate) CBD 완충 층을 도시한다.
도 13은 위치-분리된 진성 아연 산화물(ZnO) 윈도우 층 증착을 도시한다.
도 14는 위치-분리된 도핑된 ZnO 윈도우 층 증착을 도시한다.
도 15는 금속 그리드 증착을 도시한다.
도 16은 전지 영역을 정의하기 위한 기계적/레이저 스크라이빙을 도시한다.
도 17은 CIGS 위치-분리된 전지 측정을 도시한다.
상세한 설명
하나 이상의 실시예의 상세한 설명이 첨부한 도면과 함께 제공된다. 상세한 설명은 이러한 실시예와 관련하여 제공되지만, 임의 특정한 실시예를 한정하는 것은 아니다. 범위는 단지 청구범위에 의해 한정되며 다양한 대안, 변형, 및 균등물이 포함된다. 다양한 구체적인 상세사항이 완전한 이해를 제공하기 위하여 이하의 설명에 제시된다. 이러한 상세사항은 예시의 목적을 위하여 제공되며 기재된 기술은 이러한 특정 상세사항 일부 전부 없이 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확성 목적을 위하여, 실시예에 관련된 기술 분야에서 공지된 기술 물질은 설명의 불필요한 불명확화를 회피하기 위하여 상세하게 설명되지 않았다.
물질, 공정, 및 장치를 통합적으로 시험하기 위한 태양 전지 시험 기판의 형성 방법이 본 명세서에 기재된다. 통합적 공정은 복수의 실험이 단일 기판 그리고 태양 전기 공정 작업 및 태양 전지 물질의 신속한 평가에 관하여 수행되도록 한다. 태양 전지 시험 기판은 서로 다른 통합적 공정을 동시에, 순차적으로, 또는 동시 및 순차적인 것의 일부 조합으로 수행하도록 설계된다. 통합적 공정에 대한 시스템 및 물질은 미국 특허 출원 공개 번호 2007/0267631(2006.05.18. 출원) 및 미국 특허 7,544,574 (2006.02.10. 출원)에 제시되어 있으며, 이들 두 문헌은 그 전체가 참고문헌으로 본 명세서에 수록된다. 본 발명의 실시예는 통합적으로 변화하고 평가될 수 있는 서로 다른 유형의 CZTS 태양 전지 및 CIGS 태양 전지를 형성하는 방법을 기재한다. 이러한 방법론은 모두 통합적 공정 기구를 사용하는 위치-분리된 구역의 형성 및 태양 전지 영역을 형성하기 위한 이러한 위치-분리된 구역의 사용을 포함한다. 그러므로, 복수의 태양 전지가 통합적 방법론에서의 사용을 위하여 단일 기판상에서 신속하게 형성될 수 있다. 기재된 방법의 어떠한 개별 공정도 변화된 공정 조건 및 물질을 시험하기 위하여 통합적으로 변화될 수 있다.
통합-기반 신속 프로토타이핑 방법(combinatorial-based rapid device prototyping method)의 사용은 학습 속도를 극적으로 증가시키기 위하여 주(week)별로 수백의 독특한 태양 전지의 제조, 전반적 특성화, 및 분석을 가능하게 한다. 대안적인 장치 구조, 공정 일체화 계획, 및 물질 조성이, 종래 방법 및 기구를 사용하는 다른 방식으로는 불가능한 속도로 체계적으로 탐구된다. 지구에 풍부한 박막 PV 장치에 적용되는 이러한 개발 진척은 이러한 분야에서 R&D의 수십 배 가속을 제시할 수 있다.
CZTS는 황동광(chalcopyrite) 구조 I-III-VI2 화합물 CIGS로부터 유래한 화합물 반도체이며, 여기서 인듐/갈륨은 아연/주석으로 치환되며 셀레늄(Se)은 황(S)으로 치환된다. CZTS 내 치환된 원소는 CIGS 원소보다 비교적 수십 배 더 풍부하다. CZTS는 1.45 내지 1.6 eV의 밴드갭을 갖는 것으로 보고되었으며, 이는 태양 전지의 흡수 층의 최적 값에 매우 근접한다. 추가로, CZTS의 밴드 끝단 흡수 계수(band edge absorption coefficient)는 cm 당 104 초과이며 이는 박막 태양 전지 흡수재 후보군으로서의 이의 사용을 가능하게 한다. 흡수 계수는 단위 두께 당 물질에 의해 흡수된 빛의 분율의 측정치이다.
도 1을 참고하면, CZTS 소자 구조체는 기판상의 4개의 주된 층의 증착, 즉 후면 접촉 층(전형적으로 Mo), 흡수 층(CZTS), 카드뮴 황화물(CdS) 또는 아연 황화물(ZnS)의 완충 층 및 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 알루미늄 아연 산화물(Al:ZnO)의 전면 접촉 층을 포함할 수 있다. 각각의 물질 및 증착 공정은 제조 비용을 감소시키고 전지 효율성을 증가시키는 기회를 제공한다. 더욱이, 현재 CIGS 공정과 비교하여 공정 흐름의 유사성은 더욱 친환경적인, 지구에 풍부한 물질을 사용하여 더욱 낮은 비용의 장치를 생산하기 위한 기존 생산 자산 개조의 매력적인 가능성을 제공한다.
다양한 기술이 소자 스택에서 가장 중요한 층인 CZTS 흡수 층을 증착하기 위하여 사용되어왔다. 이러한 기술은 황화(sulfurization)가 뒤따르는 전자 빔 증착, 혼성 스퍼터링, 황화에 의한 진공 증발, 수소 셀레나이드(H2Se) 어닐링이 뒤따르는 졸-겔, 펄스 레이저 증착, 황화가 뒤따르는 스퍼터링, 단일 단계 RF(radio frequency) 스퍼터링, 전기도금, 및 스프레이 열분해를 포함한다.
주문 제작HPC 공정 장비, 전기-시험 차량, 특성화 스위트(characterization suites), 실험계획법 및 데이터 분석을 위한 주문형 소프트웨어로 구성되며, 워크플로우(workflow)의 각각의 구성요소는 물질 공정 공간의 신속하고 효율적인 탐구 및 소자 구조로의 일체화를 제공하도록 설계된다. HPC 시스템 및 방법은 신규한 PV 물질을 사용하는 작업의 각 단계를 촉진하며, 발견, 개발, 최적화, 및 제조 규모-증대를 촉진한다.
한 실시예에서, PVD 또는 황화가 뒤따르는 스퍼터링 및/또는 황 함유 전구체 공급원(화합물 표적)과 결합된 스퍼터링이 CZTS 증착을 위하여 사용될 수 있다. PVD는 조성 및 균일성 제어의 높은 등급을 제공하며, 대량 생산으로 제조법을 전달하기 위한 장비가 이미 최대 18m2의 유리 형성 인자에 대하여 광범위하게 활용 가능하다. 본 실시예에서, 유입되는 유리는 Mo의 사전-코팅된 후면 접촉 층을 가진다. 유리는 세정되고 그 후 통합 PVD 챔버로 로딩되어 CZTS 전구체(예컨대, Cu, ZnS 및 SnS2)를 공-증착(co-deposit)할 수 있다.
도 2는 HPC PVD 기구 및 위치-분리된 방식으로 다양한 조건 하에서 순차적인 및 동시적인 코-스퍼터링된 필름을 증착하기 위한 자신의 고유 능력의 실시예를 나타낸다. 이중 회전 단(도 2b)은 위치-분리(site-isolation)를 생성하며 이에 따라 박막(thin film)이 사용자 특화된 위치에서 주어진 기판상에 증착될 수 있다. 코-스퍼터링(co-sputtering)은 4가지의 완전히 독립된 스퍼터 공급원을 사용하여 다양한 조성이 증착되도록 한다. 기판과 각각의 총의 스퍼터 표적 사이의 공간이 또한 독립적으로 제어될 수 있다. 한 실시예에서 기구(tool)는 4가지 서로 다른 공정 기체를 지지할 수 있으며 이에 따라 증착은 반응성 스퍼터링을 사용하여 수행될 수 있다. 스퍼터 총에 대한 전력 공급원은 직류(DC), 펄스 DC, 또는 RF일 수 있다.
한 실시예에서, HPC PVD 기구는 각도 아티팩트(artifact)를 수반하지 않고 그리고 매우 우수한 스팟-내(within-spot) 및 스팟-대-스팟(spot-to- spot) 균일성을 수반하면서 위치-분리된 구역을 증착할 수 있다. 위치 분리된 구역은 그 지름이 약 10 mm 내지 30 mm 범위일 수 있다. 위치-분리된 구역의 증착은 서로 다른 복합 다중-층 스택의 어레이를 생성할 수 있으며 등급화된(graded) 사전-반응된 흡수 층이 단일 기판상에 증착될 수 있다(도 2c). 결과는 필름 조성, 증착 파라미터, 및 두께에 대한 매우 우수한 제어를 가지면서 독특한 CZTS 스택을 신속하게 형성하는 능력이다. 따라서, HPC PVD 기구는 VLS 제조를 위하여 선택될 최종 증착 방법과 상관없이, 최적의 3차 및 4차 TF PV 조성을 조정하기 위해 필요한 학습을 신속하게 가속시킬 수 있다.
[39] 한 실시예에서, HPC PVD 방법론이 CIGS 박막 시스템에 대해 기준선을 잡기 위해 적용될 때, P-30 기구 내 Cu, CuGa, 및 In 표적은 각각의 물질에 대한 1-3 Å/s 증착 속도가 스퍼터링 전력에 의해 선형적으로 증가하였음을 나타냈다. 또한, 코-스퍼터링은 복합 적층 실험을 위한 균일한 이중 및 삼중 층 내 필름 화학양론의 정밀한 제어를 가능하게 하였다. 코-스퍼터링이 복수의 공급원으로부터 본질적으로 부가적인 증착을 제공하기 때문에, 증착 속도는 이와 유사하게 본질적으로 부가적이며 3-7Å/s 범위이다. 본 실시예에서, 반복성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
도 3은 PVD 레시피 파라미터의 제어를 통하여 유도될 수 있는 필름 형태에서의 큰 차이의 예를 나타낸다. Cu-In-Ga 사전-반응된 흡수 층 필름은 두께 및 조성을 고정된 상태로 유지하는 HPC PVD 기구 내에서 가변적인 조건 하에서 증착되었다. 형태는 단지 PVD 레시피의 변화로 인하여, 공칭적으로 ~1 - 10 ㎛의 결절 크기(왼쪽)로부터 10배 감소된 결절 크기(오른쪽)로 극적으로 변화하였다. 적절한 제어에 의해, 결절 크기가 감소될 수 있으며 형태가 개선될 수 있으며 이에 따라 AFM 측정은 단지 10nm RMS 표면 거칠기를 나타낸다.
소다 석회 유리 기판으로부터 삼출(out-diffusion)을 통한 의도적인 또는 간접적인 소듐 도핑이 CIGS 효율성을 상당히 촉진시켰음이 밝혀졌다. 기본적인 메커니즘은 잘 이해되지 않는다. HPC PVD 챔버를 사용하여, CZTS에 대한 도핑 연구가 제4 공급원을 사용하여 체계적으로 그리고 제어가능하게 탐구될 수 있다.
전지를 H2S 기체 또는 S 증기 환경에서 고온의 로(500-600℃)에서 황화(sulfurization) 처리시킬 수 있다. 서로 다른 조성/등급을 갖는 단일 기판상의 독특한 CZTS 전구체를 갖는 각각의 전지를 동일한 황화(sulfurization) 공정을 겪게 할 수 있다.
HPC 워크플로우에서 코-스퍼터링 및 위치-분리를 사용하는 능력은 또한 완충 및 전면 접촉 층의 증착에 적용될 수 있으며, 이는 통합적으로 독특한 CZTS 태양광 전지 어레이의 신속한 생성(build-up)을 가능하게 한다.
증발 또는 PVD를 사용하여 금속 그리드를 증착한 이후, 전지를 기계적 또는 레이저 스크라이빙으로 정밀하게 정의할 수 있다. 최종적으로 단일 기판상의 위치-분리된 태양 전지는 고-처리량, 자동화된 방식을 특징으로 한다.
HPC PVD 및 보조 어닐링 챔버를 자동화된 전면 계면을 갖는 클러스터 기구 내에 통합시킬 수 있으며, 이에 따라 CZTS 공정 흐름이 진공을 파괴하지 않으면서 수행될 수 있으며, 이는 반도체 필름 품질 및 태양 전지 에너지 전환 효율에 대하여 유리할 수 있다.
박막 물질 예컨대 CZTS는 지구에서 풍부하고 저렴한 PV 태양 에너지 생성에 대한 잠재력을 제공하는 것으로 나타난다. HPC 워크플로우는 완전한 태양 모듈로의 일체화를 위한 CZTS 물질을 신속하고 효율적으로 탐구하고 최적화하는 능력을 제공한다. HPC PVD 챔버를 후면 접촉 층, CZTS 흡수재, 완충 층, 및 전면 접촉 층을 증착하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 황화(sulfurization)/셀렌화(selenization)를 위한 어닐링 챔버, 레이저 스크라이버, 및 또 다른 필수적인 공정/계측 기구가 사용된다.
진행중인 목적은 물질/공정 공간 내에서 많은 복합 상호의존성의 전체 특성화를 요구하는, 전체 CZTS 태양 전지를 최적화하는 것이다. 이러한 접근법 및 노력의 규모는 세계적인 기록 효율성을 상당히 개선시킬 것으로 예상된다. 더욱 중요하게는, 윈도우잉(windowing) 및 특성화를 처리하는 통합적인 접근법은 상업화에 대한 감소된 시간을 유발하여야 한다. HPC 워크플로우로부터 유발되는 공정-의존성 및 장치의 더욱 기본적인 이해는 더욱 비용-효율적인 생산 기구의 획득을 가능하게 하며, 파일럿 라인의 신속한 디버깅(debugging)을 촉진할 것이며, 그리고 VLS 생산에 대한 더욱 신속한 램프(ramp)를 구동할 것이다.
본 발명의 실시예는 또한 가속된 속도에서 CIGS 태양 전지를 제조하기 위해 HPC 방법론을 사용한다. 본 발명의 실시예는 단일 기판상에서 위치-분리된 태양 전지를 제조하는 것을 가능하게 한다. 공정 흐름은 기판(강성 유리 또는 연성 포일 예컨대 스테인리스 강)으로부터 시작한다. 기판을 그 후 도 4에 도시된 바와 같이 Mo와 같은 후면 접촉 층으로 코팅할 수 있다. Mo를 도 5에 도시된 바와 같은 HPC PVD 챔버에서 증착할 수 있다. 서로 다른 스퍼터링 공정 조건 예컨대 압력, 전력, 및 기판 온도를 각각의 위치-분리된 구역에 대하여 사용할 수 있다. 도 2로부터 제시될 수 있듯이, 태양 전지를 시험하는 동안 편리한 조사를 위하여, 위치 분리된 Mo 층을 동일 챔버 내에서 증착하는 동안 섀도우 마스크를 통하여 전극 패드가 스퍼터링될 수 있거나 또는 더 큰 스퍼터링 영역을 갖는 또 다른 챔버에서 단일 증착으로 섀도우 마스크를 통하여 한번에 수행될 수 있다.
Mo를 증착한 이후, CIGS 흡수 층을 도 6-9에 제시된 바와 같은 또 다른 스퍼터링 챔버에서 증착할 수 있다. 도 6은 필름 스택의 개략도이다. 도 7은 이하에서 설명되듯이 로(furnace) 내에서 셀렌화될 CIG 전구체 필름을 코-스퍼터링 또는 순차 스퍼터링하기 위하여 Cu, Cu-Ga 및 In을 사용하는 표적의 구성을 나타낸다. 순차 스퍼터링에 대하여, 층은 Cu-Ga/In 또는 In/Cu-Ga 이중층, 또는 Cu-Ga/In/Cu-Ga/In/Cu-Ga/In 다중-층, 또는 다양한 원소 조성을 갖는 또 다른 순서의 임의 조합일 수 있다.
도 8은 특히 CIGS 증착 시작시에 Na를 흡수재 전구체에 혼입시키기 해 4th 표적에서 Na 화합물을 사용하는 또 다른 구성을 나타낸다. 도 9는 CIGS 필름 전부를 한번에 코-스퍼터링하기 위해 Cu2Se, In2Se3 및 Ga2Se3을 사용하는 표적의 또 다른 구성을 나타낸다. 산출된 필름은 CIGS 흡수 층을 형성하기 위해 본 단계 이후에 셀렌화를 필요로 하거나 필요로 하지 않을 수 있다. 여기에 기재된 모든 CIG 또는 CIGS 증착에 대하여, 기판 온도가 실온으로부터 최대 600℃까지 변할 수 있다. CIG 또는 CIGS 증착과 이전 Mo 층 사이의 정렬은 높은 정밀도를 요구하지 않는다. 이는 Mo 상부의 스택이 이하에서 설명되듯이 더 작은 영역으로 스크라이빙 될 것이기 때문이다.
CIG 전구체 증착 및/또는 CIGS 증착 이후에, 도 10에 제시되듯이, 필름을 Se-함유 환경의 고온에서 로 내에서 셀렌화할 수 있다. H2Se 또는 Se 증기를 사용하여 원하는 다결정질 CIGS 필름으로 필름을 셀렌화할 수 있다. 온도는 300 내지 600℃에서 변할 수 있다. 공정은 온도 프로파일링에 따른 하나 또는 둘 또는 그 이상의 단계에서 수행될 수 있다.
화학 용액 증착(Chemical Bath Deposition, CBD) 공정을 그 후 기판에 적용하여 CIGS 흡수재의 상단에 얇은 완충 층을 증착할 수 있다. 또 다른 HPC 장치 F20을 사용하여 도 11에 도시된 바와 같은 위치-분리된 필름을 증착할 수 있다. 전술한 바와 같이 CdS 스팟과 이전 필름 스택 사이의 정렬은 중요하지 않은데 왜냐하면 기계적 또는 레이저 스크라이빙이 사용되어 Mo 층 상부의 스택을 선택적으로 제거하여 태양 전지 영역을 정밀하게 정의할 수 있기 때문이다.
블랭킷 필름을 또한 도 12에 도시된 바와 같이 통상적인 설비를 사용하여 증착할 수 있다. CdS 층을 본 단계 이후에 또는 스크라이빙 단계에서 제거하여 Mo 전극을 노출시키고 서로 다른 스팟을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 진성 ZnO(IZO) 및 도핑된 ZnO(AZO)를 그 후 도 13 및 14에 도시된 바와 같이, 위치-분리된 스팟이 있는 동일한 HPC 스퍼터링 챔버를 사용하여 순차적으로 증착할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이전 층에 대한 IZO 및 AZO의 정렬은 중요하지 않을 수 있다. 스팟의 금속 그리드를 도 15에 도시된 바와 같이 태양 전지 스택 상부로 증발 또는 스퍼터링 시킬 수 있다. 기계적 또는 레이저 스크라이빙을 사용하여 도 16에 도시된 바와 같이 전지 영역을 정의할 수 있다. 도 17은 이러한 위치-분리된 CIGS 전지의 측정을 나타낸다.
비록 전술한 실시예가 이해의 명확성 목적을 위하여 일부 상세하게 기술되었을지라도, 본 발명은 제공된 상세사항에 한정되지 않는다. 본 발명을 실시하기 위한 많은 대안적인 방법이 존재한다. 기재된 실시예는 예시적인 것이며 제한적이지 않다.

Claims (23)

  1. 단일 기판상에 복수의 태양 전지를 통합적으로 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    하나 이상의 후면 접촉 층을 상기 기판상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계;
    하나 이상의 흡수재 층을 상기 하나 이상의 후면 접촉 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계;
    하나 이상의 완충 층을 상기 하나 이상의 흡수재 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계;
    하나 이상의 전면 접촉 층을 상기 하나 이상의 완충 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 상기 하나 이상의 후면 접촉 층, 하나 이상의 흡수재 층, 하나 이상의 완충 층, 및 하나 이상의 전면 접촉 층은 함께, 하나 이상의 시험가능한 태양 전지를 위한 하나 이상의 위치-분리된 공정 구역을 정의하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 증착 압력이 상기 하나 이상의 흡수재 층을 최소 2개의 서로 다른 위치-분리된 공정 구역상에 증착하기 위하여 사용되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 증착 전력이 상기 하나 이상의 흡수재 층을 최소 2개의 서로 다른 위치-분리된 공정 구역상에 증착하기 위하여 사용되는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 증착 전력 공급원 종류가 상기 하나 이상의 흡수재 층을 최소 2개의 서로 다른 위치-분리된 공정 구역상에 증착하기 위하여 사용되는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 서로 다른 기판 온도가 상기 하나 이상의 흡수재 층을 최소 2개의 서로 다른 위치-분리된 공정 구역상에 증착하기 위하여 사용되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 후면 접촉 층을 위치 분리된 방식으로 상기 기판상에 증착하는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 상기 하나 이상의 후면 접촉 층을 증착하는 단계는 상기 하나 이상의 흡수재 층을 증착하는 단계 이전에 수행되는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 하나 이상의 후면 접촉 층에 연결된 하나 이상의 전극 패드를 증착하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층은 물리 기상 증착에 의해 증착되는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 완충 층은 화학 용액 증착(chemical bath deposition)에 의해 증착되는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 중 하나 이상을 도판트로 도핑하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 각각을 황화(sulfurizing)시키는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 각각을 셀렌화(selenizing)시키는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 각각의 위치-분리된 공정 구역상에 태양 전지를 정의하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  14. 단일 기판상에 복수의 태양 전지를 통합적으로 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    하나 이상의 후면 접촉 층을 기판상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 후면 접촉 층은 몰리브덴을 포함함;
    하나 이상의 흡수재 층을 상기 하나 이상의 후면 접촉 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 흡수재 층은 CZTS를 포함함;
    하나 이상의 완충 층을 상기 하나 이상의 흡수재 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 완충 층은 CdS 또는 ZnS 중 어느 하나를 포함함;
    하나 이상의 전면 접촉 층을 상기 하나 이상의 완충 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 전면 접촉 층은 ITO or Al:ZnO 중 어느 하나를 포함함;
    을 포함하며,
    여기서 상기 하나 이상의 후면 접촉 층, 하나 이상의 흡수재 층, 하나 이상의 완충 층, 및 하나 이상의 전면 접촉 층은 함께, 하나 이상의 시험가능한 태양 전지를 위한 하나 이상의 위치-분리된 공정 구역을 정의하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층을 증착하는 단계는 구리, 아연 황화물 및 주석 황화물을 실질적으로 동시에 증착하는 것을 포함하는, 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 중 하나 이상을 도판트로 도핑하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 도판트는 소듐, 포타슘 및 안티몬 중 하나를 포함하는, 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 각각을 황화(sulfurizing)시키는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  19. 단일 기판상에 복수의 태양 전지를 통합적으로 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    하나 이상의 후면 접촉 층을 기판상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계;
    하나 이상의 흡수재 층을 상기 하나 이상의 후면 접촉 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 흡수재 층은 CIGS를 포함함;
    하나 이상의 완충 층을 상기 하나 이상의 흡수재 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 완충 층은 CdS, ZnS 또는 In2Se3 중 하나를 포함함;
    하나 이상의 전면 접촉 층을 상기 하나 이상의 완충 층상에 위치 분리된 방식으로 증착하는 단계, 여기서 상기 전면 접촉 층은 ITO 또는 Al:ZnO 중 하나를 포함함;
    을 포함하며,
    여기서 상기 하나 이상의 후면 접촉 층, 하나 이상의 흡수재 층, 하나 이상의 완충 층, 및 하나 이상의 전면 접촉 층은 함께, 하나 이상의 시험가능한 태양 전지를 위한 하나 이상의 위치-분리된 공정 구역을 정의하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층을 증착하는 단계는 구리, 갈륨 및 인듐을 실질적으로 동시에 증착하는 것을 포함하는, 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 중 하나 이상을 도판트로 도핑하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 도판트는 소듐, 포타슘 및 안티몬 중 하나를 포함하는, 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수재 층 각각을 셀렌화(selenizing)시키는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
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