KR20140074248A - 태양전지 기판용 강박, 태양전지 기판, 태양전지 및 그들의 제조 방법 - Google Patents

태양전지 기판용 강박, 태양전지 기판, 태양전지 및 그들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

태양 전지의 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 적용해도, 좌굴이 일어나기 어려운 태양전지 기판용 강박 및 그 제조 방법과 태양 전지 기판, 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하기 위해, 구체적으로는 Cr을 7∼40질량% 포함하고, 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 930㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박이다.

Description

태양전지 기판용 강박, 태양전지 기판, 태양전지 및 그들의 제조 방법{STEEL FOIL FOR SOLAR CELL SUBSTRATE, SOLAR CELL SUBSTRATE, SOLAR CELL, AND METHODS FOR MANUFACTURING THE STEEL FOIL AND THE SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 기판용 강박(steel foil for solar cell substrate), 특히, 두께 20∼200㎛의 태양전지 기판용 강박에 관한 것이다.
종래부터, 태양전지 기판용 재료로서는 유리(glass)가 사용되고 있지만, 근래, 특허문헌 1∼3 등에는 강도나 내약품성(chemical resistance)의 관점에서 두께 1㎜ 이하의 광휘 소둔(bright annealing) 후의 스테인리스 강판(예를 들면, SUS430)이 제안되고 있다. 이러한 스테인리스 강판을 기판에 이용하면, 기판을 코일(coil)의 상태에서 취급하는 것이 가능하게 되므로, 태양전지는 대량 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 불리는 연속 프로세스(continual process)로 제조되도록 되어 오고 있다. 최근에는 비용 저감(cost reduction)을 도모하기 위해, 두께 20∼200㎛ 정도의 스테인리스박이 검토되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 4에는 절연성(insulation properties)이나 열안정성(thermal stability)이 우수하고, 태양전지로서 요철 텍스쳐 구조(concave-convex texture structure)를 갖는 이면 반사층(reflective layer of back side)이 제작 가능한 실리카계 무기 폴리머(sol-gel silica glass)로 피복된 스테인리스박이 제안되고 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개공보 소화64-72571호 특허문헌 2 : 일본국 특허공개공보 평성5-306460호 특허문헌 3 : 일본국 특허공개공보 평성6-299347호 특허문헌 4 : 일본국 특허공개공보 제2006-270024호
그러나, 특허문헌 4에 기재와 같은 스테인리스박띠를 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 적용하면 박띠에 좌굴(buckling)이 일어나, 좌굴부가 롤(roll)에 얹혀 주름(wrinkle), 꺾임(broken surface), 드로잉(drawing) 등이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 적용해도, 좌굴이 일어나기 어려운 태양전지 기판용 강박 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, Cr을 7∼40질량% 포함하고, 압연 방향(rolling direction)으로 직각 방향의 인장 강도(tensile strength)가 930㎫ 이상인 강박을 이용하는 것이 효과적인 것을 알아내었다.
본 발명은 이러한 지견에 의거하여 이루어진 것으로써, Cr을 7∼40질량% 포함하고, 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 930㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박을 제공한다.
본 발명의 태양전지 기판용 강박에서는 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 1000㎫ 이상이거나, 미크로 조직이 압연 조직인 채인 것이 바람직하다. 또, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10-6/℃ 이하이거나, 미크로 조직이 페라이트 조직을 주체로 하는 조직인 것이 바람직하다.
본 발명인 태양전지 기판용 강박은 Cr을 7∼40질량% 포함하고, 두께 1㎜ 이하의 광휘 소둔 후 또는 소둔하고, 산세 후의 강판을, 압하율(rolling reduction) 50% 이상에서 냉간압연(cold rolling)하는 것에 의해서 제조할 수 있다. 이 때, 압하율 70% 이상에서 냉간압연하거나, 페라이트 조직(ferrite structure)을 갖는 광휘 소둔 후 또는 소둔하고, 산세 후의 강판을 이용하거나, 냉간압연 후, 불활성 가스 분위기(inert gas atmosphere) 중에서 400∼700℃의 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또, 상기의 태양전지 기판용 강박을 이용한 것을 특징으로 하는 태양전지 기판이나, 이 태양전지 기판을 이용한 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기의 태양전지 기판을 이용해서 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다. 이 때, 롤투롤 방식의 연속 프로세스가, 클리닝-백 전극 스퍼터링-태양전지 처리-셀렌화 처리-버퍼층 형성-톱 전극 스퍼터링-전극 형성-슬릿의 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해, 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 적용해도, 좌굴이 일어나기 어려운 태양전지 기판용 강박을 제조할 수 있게 되었다.
도 1은 압하율과 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명재로, SUS430-박두께 50㎛의 압연 조직의 미크로 조직을 나타낸다.(압하율 83%)
도 2b는 본 발명재로, SUS430-박두께 50㎛의 700℃(불활성 가스 분위기 중)의 열처리재의 미크로 조직을 나타낸다.(압하율 83%)
도 2c는 본 발명재로, SUS430-박두께 50㎛의 400℃(불활성 가스 분위기 중)의 열처리재의 미크로 조직을 나타낸다.(압하율 83%)
도 2d는 종래재(비교재)로, SUS430-박두께 50㎛의 소둔재(재결정재)의 미크로 조직을 나타낸다.(압하율 83%)
1) 태양전지 기판용 강박
본 발명에 있어서, 기재로서 사용하는 강박에 대해서는 태양전지의 기판에서 필요하게 되는 내식성을 갖는 한 특별한 제약은 없다. 단, Cr량이 7질량% 미만에서는 장기 사용시의 내식성(corrosion resistance)이 부족하고, 기판의 부식의 문제가 있으며, 40질량%를 넘으면 강박 제조에 있어서의 중간 제품(partly-finished product)인 열연강판(hot rolled steel sheet)의 인성(toughness)이 현저하게 저하하고, 제조 라인(manufacturing line)을 통판할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다. 그 때문에, Cr량은 7∼40질량%로 할 필요가 있다. 이러한 강으로서는 SUS430(17%Cr강), SUS447J1(30%Cr-2%Mo강), 9%Cr강, 20%Cr-5%Al강, SUS304(18%Cr-8%Ni강) 등을 들 수 있다.
이하, 특히 바람직한 성분 조성을 나타내면, 다음과 같다. 또한, 강의 성분 조성을 규정하는 성분%는 모두 질량%를 의미한다.
C: 0.12% 이하
C는 강 중의 Cr과 결합하여, 내식성(corrosion resistance)의 저하를 초래하기 때문에 낮을수록 바람직하지만, 0.12% 이하이면 내식성을 현저히 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.12% 이하가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.04% 이하이다.
Si: 2.5% 이하
Si는 탈산(deoxidation)에 이용하는 원소이지만, 과잉으로 함유되면, 연성의 저하를 초래하기 때문에, 2.5% 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.0% 이하이다.
Mn: 1.0% 이하
Mn은 S와 결합해서 MnS를 형성하고, 내식성을 저하시키기 때문에, 1.0% 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.8% 이하이다.
S: 0.030% 이하
상술한 바와 같이, S는 Mn과 결합해서 MnS를 형성하고, 내식성을 저하시키기 때문에, 0.030% 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.008% 이하이다.
P: 0.050% 이하
P는 연성의 저하를 초래하기 때문에 낮을수록 바람직하지만, 0.050% 이하이면 연성을 현저히 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.050% 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.040% 이하이다.
Cr: 7% 이상, 40% 이하
Cr량이 7질량% 미만에서는 장기 사용시의 내식성이 부족하고, 기판의 부식의 문제가 있으며, 40질량%를 넘으면 강박 제조에 있어서의 중간 제품인 열연강판의 인성이 현저히 저하하고, 제조 라인을 통판할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다. 그 때문에, Cr량은 7∼40질량%로 할 필요가 있다.
이상, 필수 성분에 대해 설명했지만, 본 발명에서는 그 밖에도 이하에 설명하는 원소를 적절히 함유시킬 수 있다.
Nb, Ti, Zr 중에서 선택한 적어도 1종을 합계: 1.0% 이하
Nb, Ti, Zr는 모두, 강 중의 C, N을 탄화물이나 질화물, 혹은 탄질화물로서 고정시키고, 내식성을 개선하는데 유용한 원소이다. 단, 1.0%를 넘어 함유하면 연성(ductility)의 저하가 현저하게 되므로, 이들 원소는 단독 첨가 또는 복합 첨가의 어느 경우도 1.0% 이하로 한정한다. 또한, 이들 원소의 첨가 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는 0.02% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.
Al: 0.20% 이하
Al은 탈산에 이용되는 원소이지만, 과잉으로 함유되면 연성의 저하를 초래하기 때문에, 0.20% 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.15% 이하이다.
N: 0.05% 이하
N은 강 중의 Cr과 결합해서 내식성의 저하를 초래하기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 0.05% 이하이면 내식성을 현저히 저하시키는 일은 없다. 이 때문에, 0.05% 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.015% 이하이다.
Mo: 0.02% 이상 4.0% 이하
Mo는 강박의 내식성, 특히 국부 부식성(localized corrosion)을 개선하는데 유효한 원소이며, 이 효과를 얻기 위해서는 0.02% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 4.0%를 넘어 함유하면 연성의 저하가 현저하게 되므로, 상한은 4.0%가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 2.0% 이하이다.
또, 그 밖에도, 내식성의 개선을 목적으로 해서, Ni, Cu, V, W를 각각 1.0% 이하로 함유시킬 수도 있다. 또한, 열간 가공성(hot workability)의 향상을 목적으로 해서, Ca, Mg, REM(Rare Earth Metals), B를 각각 0.1% 이하로 함유시킬 수도 있다.
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 불가피한 불순물 중, O(산소)는 0.02% 이하인 것이 바람직하다.
태양전지를 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 의해 제조하기 위해서는 코일형상의 기판용 강박을, 예를 들면, 클리닝(cleaning)-백전극 스퍼터링(sputtering Mo back contact)-태양전지 처리(광흡수층 형성(deposite absorber layer)-셀렌화 처리(selenization)-버퍼층 형성(Cds buffer layer(chemical bath deposition))-톱 전극 스퍼터링(sputter top elctrode)-전극 형성(deposite front electrode)-슬릿(slitting)과 같은 대부분의 공정에서 처리할 필요가 있다. 그 때문에, 기판용 강박은 롤에 의해서 수 회나 구부림(bend)/되구부림(unbend)의 가공을 받으므로 좌굴이 일어나기 쉬운 상황에 놓여 있다. 특히, 강박의 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 작으면(부드러우면) 롤을 통과할 때에 압연 방향으로 평행한 좌굴에 의한 주름(버클링)이 발생한다. 이 좌굴의 방지에는 상술한 바와 같이, 기판용 강박의 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도를 930㎫ 이상, 바람직하게는 1000㎫ 이상으로 해서 박의 강성(stiffness)을 올리는 것이 효과적이다.
또, 미크로 조직은 도 2a∼도 2c에 나타내는 압연 조직인 채인 것이 바람직하다. 여기서, 도 2a∼도 2c에 나타내는 압연 조직인 채는 냉간압연인 채 또는 불활성 가스 분위기 중에서 400∼700℃, 0∼5분의 열처리를 실시한 조직을 말하며, 압연 조직의 일부 또는 전부가, 열처리로 재결정하지 않고, 편평립인 채 잔존한 조직인 것을 말한다. 압연 조직의 체적률은 50vol% 이상, 바람직하게는 90vol% 이상이다. 또한, 도 2d는 소둔재(재결정재)를 나타내며, 재결정해 버리면 애스펙트비(장축÷단축)가 대략 1에 가까워진다. 도 2a∼도 2d의 미크로 조직은 왕수(王水) 에칭 후 1000배로 현미경 관찰한 것이다.
또한, SUS304 등의 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10-6/℃를 넘는 강박을 기판에 사용하면, Cu(In1-XGaX)Se2 박막(이후, CIGS 박막이라 함)이 기판과의 선팽창률의 차이로, 제조 중에 박리하는 문제가 발생한다. 따라서, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률은 12.0×10-6/℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 0∼100℃에 있어서의 선팽창률은 12.0×10-6/℃ 이하로 하기 위해서는 SUS430이나 SUH409L 등의 페라이트계 스테인리스강, 페라이트 조직을 갖는 9질량% Cr강 등의 페라이트 조직을 주체로 하는 조직으로 하는 것이 바람직하다. 페라이트 조직을 주체로 하는 조직은 페라이트의 면적률이 95% 이상인 것을 의미한다. 잔부의 조직은 오스테나이트 조직, 마텐자이트 조직의 1종 이상이 5% 미만이다.
2) 태양전지 기판용 강박의 제조 방법
본 발명인 태양전지 기판용 강박은 Cr을 7∼40질량% 포함하고, 두께 1㎜ 이하의 광휘 소둔 후 또는 소둔하고, 산세 후의 강판을, 압하율 50% 이상으로 냉간압연하는 것에 의해서 제조할 수 있다. 이것은 도 1에 나타내는 바와 같이, SUS430 등에서는 압하율을 50%이상으로 하면 930㎫ 이상의 인장 강도가 얻어지기 때문이다. 압하율을 70% 이상으로 하면 1000㎫ 이상의 인장 강도가 얻어진다.
또, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률을 12.0×10-6/℃ 이하로 하는 강박으로 하기 위해서는 SUS430이나 SUH409L 등의 페라이트계 스테인리스강, 페라이트 조직을 갖는 9질량%Cr강 등의 페라이트 조직을 갖는 광휘 소둔 후 또는 소둔하고, 산세 후의 강판을 이용하면 좋다.
또, 냉간압연 채라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있지만, 냉간압연 후, N2 가스, AX 가스(혹은 암모니아 분해 가스라고도 함)(NH3 cracking gas)(75vol%H2+25vol%N2), H2 가스, HN 가스(5vol%H2+95vol%N2), Ar 가스 등의 불활성 가스 분위기 중에서 400∼700℃, 0∼5분의 열처리를 실시하면, 시효 경화(age-hardening)에 의한다고 고려되지만, 가일층의 고강도화를 도모할 수 있고, 좌굴의 방지에 가일층 효과적이다. 열처리 온도(heat treatment temperature)가 400℃ 미만에서는 이러한 효과가 발현되지 않고, 700℃를 넘으면 연화되고, 930㎫ 이상의 인장 강도가 얻어지지 않게 된다. 더욱 바람직하게는 400∼600℃이다.
[실시예 1]
표 1에 나타내는 조성의 SUS430(16%Cr)과 9%Cr강의 두께 0.05∼0.3㎜의 광휘 소둔 후의 냉연강판을 이용하고, 표 2에 나타내는 압하율로 냉간압연하고 두께 30∼50㎛의 강박으로 하고, 탈지(degreasing) 후, 그대로, 혹은 일부의 강박에 대해서는 N2 가스 분위기 중에서 표 2에 나타내는 열처리 온도로 열처리 후, 다원 증착(multisource deposition) 혹은 스퍼터링의 공정을 갖는 태양전지의 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 의해 처리하였다. 그리고, 냉간압연 후 혹은 열처리 후의 강박으로부터 압연 방향으로 직각 방향의 인장 시험을 채취하고, 인장 강도와 신장(elongation)을, 또 강박의 비커스 경도(Vickers hardness)(Hv)를 측정하였다. 또한, 연속 프로세스에 의한 처리 중의 주름의 발생 상황을 육안으로 조사하였다.
결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명예에서는 모두 인장 강도가 930㎫ 이상이고, 주름 발생이 없는 것을 알 수 있다. 또, 냉간압연 후, 본 발명 범위내의 열처리 온도(400∼700℃)에서 열처리하는 것에 의해, 인장 강도를 상승시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
[실시예 2]
표 1에 나타내는 조성의 SUS430, 11%Cr-1.5%Si강 및 SUS304에 대해, 표 3에 나타내는 압하율로 냉간압연하고, 두께 30∼50㎛의 강박으로 하고, 탈지 후, 그대로, 혹은 일부의 강박에 대해서는 N2 가스 분위기 중에서 표 3에 나타내는 열처리 온도로 열처리 후, 다원 증착 혹은 스퍼터링의 공정을 갖는 태양전지의 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 의해 처리하였다. 그리고, 냉간압연 후 혹은 열처리 후의 강박으로부터 압연 방향으로 직각 방향의 인장 시험을 채취하고, 인장 강도와 신장을, 또, 강박의 비커스 경도(Hv)를 측정하였다. 인장 강도와 신장은 JIS Z 2241(1998), Hv는 JIS Z 2244(1998)에 준거하여 측정하였다. 또한, 연속 프로세스에 의한 처리 중의 주름의 발생 상황을 육안으로 조사하였다. 또, CIGS 박막의 박리 상태를 육안과 현미경으로 관찰하였다. 또한, 표 3에는 각 강의 0∼100℃에 있어서의 선팽창률도 나타내고 있다.
결과를 표 3에 나타낸다. 본 발명예에서는 모두 인장 강도가 930㎫ 이상이며, 주름 발생이 없는 것을 알 수 있다. 또, 0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10-6/℃ 이하인 예에서는 CIGS 박막 박리도 없는 것을 알 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003

Claims (13)

  1. Cr을 7∼40질량% 포함하고, 압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 930㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압연 방향으로 직각 방향의 인장 강도가 1000㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    미크로 조직이 압연 조직인 채인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    0∼100℃에 있어서의 선팽창률이 12.0×10-6/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    미크로 조직이 페라이트 조직을 주체로 하는 조직인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박.
  6. Cr을 7∼40질량% 포함하고, 두께 1㎜ 이하의 광휘 소둔 후 또는 소둔하고 산세 후의 강판을, 압하율 50% 이상으로 냉간압연하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    압하율 70% 이상에서 냉간압연하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박의 제조 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    페라이트 조직을 갖는 광휘 소둔 후 또는 소둔하고 산세 후의 강판을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박의 제조 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    냉간압연 후, 불활성 가스 분위기 중에서 400∼700℃의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판용 강박의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 기재된 태양전지 기판용 강박을 이용한 것을 특징으로 하는 태양전지 기판.
  11. 제 10 항에 기재된 태양전지 기판을 이용한 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 10 항에 기재된 태양전지 기판을 이용해서 롤투롤 방식의 연속 프로세스에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    롤투롤 방식의 연속 프로세스는 클리닝-백 전극 스퍼터링-태양전지 처리-셀렌화 처리-버퍼층 형성-톱 전극 스퍼터링-전극 형성-슬릿의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
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