KR20150042370A - 용액의 재사용 방법, 상기 방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지, 및 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용액의 재사용방법, 상기 방법에 의해 버퍼층이 형성된 태양전지, 및 증착 장치에 관한 것이다. 상기 용액의 재사용방법은 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 필터링하는 단계; 상기 필터링된 용액을 배스로 재 유입하는 단계; 및 상기 배스에 알칼리 용액을 유입시켜 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도를 1.0M 내지 3.5M로 유지하는 단계;를 포함한다. 이러한 용액의 재사용방법에 의해 복수 회 사용된 용액을 재사용하더라도 이에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지는 필터링 전 처음 공급된 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지와 거의 동등한 효율을 가질 수 있다.

Description

용액의 재사용 방법, 상기 방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지, 및 증착 장치{Recycling method of solution, solar cell comprising a buffer layer formed by the method, and Deposition apparatus}
본 발명은 용액의 재사용 방법, 상기 방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지, 및 증착 장치에 관한 것이다.
석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 여러 가지 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중, 반도체 소자의 p-n 접합을 이용한 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
태양전지는 소재에 따라 결정질 또는 비정질 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응 태양전지 등으로 구분될 수 있는데, 현재 결정질 실리콘 태양전지가 가장 널리 활용되고 있다. 그러나, 결정질 실리콘 태양전지는 발전효율에 비해 재료 단가가 높고, 공정이 복잡한바, 이를 극복하기 위해 생산 단가가 저렴한 박막형 태양전지(Thin film solar cell)에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 광전 변환 효율이 상대적으로 높은 CIS(Cu-In-Se)계 또는 CIGS(Cu-In-Ga-Se)계의 화합물반도체를 소재로 한 박막형 태양전지에 대한 연구가 증가하고 있다.
CIS계 태양전지는, CIS 화합물로 형성된 광흡수층과 광흡수층 상의 투광성 전극층이 p-n 접합을 이루며, 광흡수층과 투광성 전극층 사이에 버퍼층을 포함하는데, 종래에는 황화카드뮴(Cadmium sulfide, CdS)을 이용하여 버퍼층을 형성하였다. 그러나, 황화카드뮴은 인체에 유해한 물질인 카드뮴(Cadmium, Cd)을 함유하고 있으므로, 최근 황화아연(Znic sulfide, ZnS)을 이용하여 버퍼층을 형성하는 연구가 진행되고 있다.
한편, 화학적 용액 성장법(Chemical bath deposition)을 이용하여 버퍼층을 형성할 때, 버퍼층을 형성하는 프로세스 용액은 보통 습식 처리를 위해 복수 회 사용된다. 이렇게 복수 회에 걸쳐 재사용된 프로세스 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지의 효율이 저하될 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 보완책이 요구된다.
일 측면은 복수 회 사용된 용액을 재사용하더라도 이에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지는 필터링 전 처음 공급된 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지와 거의 동등한 효율을 가질 수 있도록 하는 용액의 재사용방법이 제공된다.
다른 측면은 상기 용액의 재사용방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지가 제공된다.
또다른 측면은 복수 회 사용된 용액을 재사용하더라도 이에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지는 필터링 전 처음 공급된 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지와 거의 동등한 효율을 가질 수 있도록 하는 증착 장치가 제공된다.
일 측면에 따라,
화학적 용액성장법에 사용된 용액을 필터링하는 단계;
상기 필터링된 용액을 배스로 재 유입하는 단계; 및
상기 배스에 알칼리 용액을 유입시켜 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도를 1.0M 내지 3.5M로 유지하는 단계;를 포함하는 용액의 재사용방법이 제공된다.
다른 측면에 따라,
상기 용액의 재사용방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지가 제공된다.
또다른 측면에 따라,
화학적 용액성장법에 사용되는 용액이 채워지는 배스(bath);
상기 화학적 용액성장법에 의해 사용된 상기 용액이 일시적으로 저장되는 제1 탱크;
상기 화학적 용액성장법에 의해 사용된 상기 용액을 상기 배스로부터 상기 제1 탱크로 유입시키도록 제1 배출펌프가 형성된 제1 배관;
상기 제1 탱크에 저장된 상기 용액을 필터링하는 필터부;
상기 제1 탱크와 상기 배스를 연결하고, 상기 필터부에 의해 필터링 된 상기 용액을 상기 제1 탱크로부터 상기 배스로 재 유입시키기 위한 순환 펌프가 형성된 제2 배관;
상기 필터링된 용액에 알칼리 용액을 공급하는 제2 탱크; 및
상기 제2 탱크와 상기 배스를 연결하고, 상기 제2 탱크로부터 상기 알칼리 용액을 유입시키도록 제2 배출펌프가 형성된 제3 배관;을 포함하는 증착 장치가 제공된다.
배스에 알칼리 용액을 유입시켜 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도를 1.0M 내지 3.5M로 유지하는 단계를 포함하는 용액의 재사용방법 및 증착 장치에 의해 복수 회 사용된 용액을 재사용하더라도 이로 인해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지는 필터링 전 처음 공급된 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지와 거의 동등한 효율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 용액성장법에 사용된 용액의 재사용방법의 공정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치를 개략적으로 도시한 도이다.
도 4는 기존의 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액 내 NH4OH 농도 변화를 Ion chromatography 장치를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 연속적으로 사용하여 버퍼층을 형성한 경우의 태양전지의 효율을 나타낸 것이다.
도 6은 기존의 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 연속적으로 사용하여 버퍼층을 형성한 경우의 태양전지의 효율을 나타낸 것이다.
이하, 일 구현예에 따른 용액의 재사용방법, 상기 방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지, 및 증착 장치에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하의 도면에서, 각 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
각 구성요소의 설명에 있어서, "상(on)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우, "상(on)"은 직접(directly) 또는 다른 구성요소를 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함하며, "상(on)"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용액의 화학적 용액성장법에 사용된 용액의 재사용방법의 공정을 도시한 순서도이다.
먼저, 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액이 채워져 있는 배스 내에 광흡수층이 형성된 기판을 침지시킨다. 이 때, 광흡수층이 형성된 기판 상에 버퍼층이 형성되게 된다.
일반적으로 버퍼층이 형성된 기판은 배스로부터 꺼내지고, 버퍼층이 형성될 새로운 기판을 상기 용액에 침지시킨다.
그러나 상기 용액의 사용횟수가 증가할수록 상기 용액 내에 황화아연, 황화카드뮴, 산화아연, 또는 산화카드뮴 등의 불순물이 증가하게 된다. 이러한 불순물이 버퍼층의 형성과정 중 기판 상에 부착되면, 태양전지의 특성을 저하시켜 태양전지의 효율이 감소하게 된다.
따라서 새로운 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액으로 교체해 주어야 한다. 그러나 이러한 용액 교체 과정으로 인해 태양전지를 대량으로 생산할 경우, 시간 및 비용에 문제가 있으므로 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액에 대해 필터링 과정을 반복적으로 실시하여 사용된 용액을 재사용하게 된다.
그러나 3회 이상 필터링 과정을 반복적으로 실시할 경우, 이러한 용액에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지의 효율이 저하될 수 있다. 필터링 과정의 반복적 실시에 따른 태양전지의 효율 저하는 알칼리 용액의 감소가 주요한 원인이다. 이것은 상기 알칼리 용액이 상기 광흡수층의 표면에 존재하는 금속 이온과 반응하여 불순물을 세정하는 역할을 하기 때문이며, 필터링 전 처음 공급된 용액 대비 알칼리 용액의 휘발이 지속적으로 일어나고 알칼리 용액이 반응속도 변화가 상기 용액 내의 다른 성분에 비해 가장 크기 때문이다.
본 발명에 따른 용액의 재사용방법은 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 필터링하는 단계; 상기 필터링된 용액을 배스로 재 유입하는 단계; 및 상기 배스에 알칼리 용액을 유입시켜 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도를 1.0M 내지 3.5M로 유지하는 단계;를 포함한다. 예를 들어, 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도는 1.5 M 내지 3.5M로 포함할 수 있다.
상기 유입되는 알칼리 용액의 함량은 용액 내 존재하는 알칼리 용액 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 15 중량부일 수 있다. 예를 들어, 상기 유입되는 알칼리 용액의 함량은 용액 내 존재하는 알칼리 용액 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 12 중량부일 수 있다. 상기 유입되는 알칼리 용액의 농도는 0.125M 내지 0.5M일 수 있다. 예를 들어, 상기 유입되는 알칼리 용액의 농도는 0.125M 내지 0.3M일 수 있다.
상기 유입되는 알칼리 용액의 함량 또는/및 농도가 상기 범위 내인 경우, 복수 회 사용된 용액을 재사용하더라도 이로 인해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지는 필터링 전 처음 공급된 용액으로 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지와 비교하여 3회 이상 반복적으로 수행하더라도 거의 동등한 효율을 가질 수 있다. 이와 관련된 구체적인 내용에 대해서는, 화학적 용액성장법에 사용된 용액 내 NH4OH 농도 변화 및 태양전지의 효율에서 후술하고자 한다.
상기 함량 또는/및 농도 범위 내의 알칼리 용액을 포함하는 용액의 광 투과도는 약 60%이상일 수 있다. 여기에서, 상기 용액의 광 투과도는 어느 하나의 화학적 용액성장법에 의한 공정이 완료된 시점에서의 광 투과도를 의미한다. 약 60%이상의 광 투과도를 갖는 용액으로 형성된 버퍼층을 갖는 태양전지는 효율에 영향을 미치지 않고 상기 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 재사용할 수 있다.
상기 화학적 용액성장법에 사용된 용액은 황 소스, 아연 소스, 및 알칼리 용액을 포함할 수 있다. 상기 황 소스는 예를 들어, 티오 우레아계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 황 소스는 상기 광흡수층 상에 균일한 버퍼층을 형성시킬 수 있게 한다. 상기 용액 내 황 소스의 농도는 예를 들어, 0.2M 내지 1.3M일 수 있다.
상기 아연 소스는 예를 들어, 아연 염 또는 아연 화합물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 황산아연 수용액(ZnSO4·H2O) 등을 포함할 수 있다. 상기 아연 소스는 상기 광흡수층 표면 내부로 충분히 치환 및 확산됨으로써 버퍼층의 성장이 진행될 수 있다. 상기 용액 내 아연 소스의 농도는 예를 들어, 0.01M 내지 0.1M일 수 있다.
상기 알칼리 용액은 예를 들어, 암모니아 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 암모니아 또는 암모니아 수용액(NH4OH)을 포함할 수 있다. 이러한 알칼리 용액은 상기 광흡수층의 표면에 존재하는 금속 이온과 반응하여 불순물을 세정하는 역할 외에 상기 광흡수층 표면에 존재하는 CuxSe 또는 Cu 리치 사이트(Cu rich site)에 [Cu(NH4)3]2+ 또는 [Cu(NH4)2]2+와 같은 구리 암모니아 착체를 형성하여 션트 경로를 제어할 수 있게 하며 밴드 정렬의 특성을 개선시킬 수 있다.
또한 상기 암모니아 또는 암모니아 수용액은 Zn2+와 결합하여 리간드를 형성함으로써 Zn과 광흡수층 표면과의 결합을 유도하며, 상기 광흡수층 상의 표면에 버퍼층이 형성되는 속도를 제어할 수 있다.
상기 화학적 용액성장법에 사용된 용액의 온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있다. 상기 온도의 범위에서 광흡수층이 형성된 기판 상에 버퍼층을 연속적으로 형성할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 나아가 폐액처리에 따른 환경 문제도 해결할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 태양전지(100)는 기판(110)과 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 후면 전극층(120), 광흡수층(130), 버퍼층(140) 및 투광성 전극층(150)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 투광성이 우수한 유리(Glass), 또는 폴리머 재질 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있고, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 유리 기판은, 외부의 충격 등으로부터 내부의 소자를 보호하고, 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리로 형성될 수 있다. 특히, 저철분 소다라임 유리는, 500?가 넘는 공정온도에서 유리 내부의 Na이온이 용출되어, CIGS로 형성되는 광흡수층(130)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
후면 전극층(120)은, 광전효과에 의해 형성된 전하를 수집하고, 광흡수층(130)을 투과한 광을 반사시켜 광흡수층(130)에 의해 재흡수될 수 있도록, 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등과 같은 전도성과 광 반사율이 우수한 금속 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 후면 전극층(120)은 높은 전도도, 광흡수층(130)과의 오믹(ohmic) 접촉, 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성 등을 고려하여, 몰리브덴(Mo)을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 후면 전극층(120)에는 Na 등의 알카리 이온이 도핑될 수 있다. 예를 들어 후술하는 CIGS 광흡수층(130)의 성장시, 후면 전극층(120)에 도핑된 알카리 이온은 광흡수층(130)에 혼입되어 광흡수층(130)에 구조적으로 유리한 영향을 미치고, 광흡수층(130)의 전도성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 태양전지(100)의 개방전압(Voc)은 증가하여, 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 후면 전극층(120)은 기판(110)과의 접합 및 후면 전극층(120) 자체의 저항 특성의 확보를 위해 다중 막으로 형성될 수도 있다.
광흡수층(130)은, 구리(Cu), 인듐(In), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 구리-인듐-셀레나이드(CIS)계 화합물로 형성되어 P형 반도체층을 이루며, 입사하는 태양광을 흡수한다. 또한, 광 흡수층(130)은, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In, Ga)Se2, CIGS)계 화합물을 포함할 수 있다.
광흡수층(130)은, 진공 챔버 내에 설치된 작은 전기로의 내부에 예를 들어, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등을 넣고, 이를 가열하여 진공 증착시키는 동시증착(co-evaporation)법, 구리(Cu) 타겟, 인듐(In) 타겟, 갈륨(Ga) 타겟을 사용하여, 후면 전극층(120) 상에 CIG계 금속 프리커서막(precusor)막을 형성한 후, 셀렌화수소(H2Se) 가스 분위기에서 열처리함으로써 금속 프리커서막이 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(130)을 형성하는 스퍼터링/셀레니제이션 법에 의해 형성할 수 있다. 또한, 전착(electro-deposition)법, 유기금속 기상성장법(molecular organic chemical vapor deposition, 이하 MOCVD) 등에 의해 광 흡수층(130)을 형성할 수 있다.
버퍼층(140)은 광 흡수층(130)과 투광성 전극층(150) 간의 밴드 갭 차이를 줄이고, 광 흡수층(130)과 투광성 전극층(150) 계면 사이에서 발생할 수 있는 전자와 정공의 재결합을 감소시킨다. 버퍼층(140)은 전술한 용액의 재사용방법에 의해 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층(140)은 예를 들어, ZnS, 또는 ZnS(O, OH)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
버퍼층(140)은 예를 들어, 다음과 같은 방법으로 광 흡수층(130) 상에 형성될 수 있다. 즉, 상기 전술한 황 소스, 아연 소스, 및 알칼리 용액을 포함하는 용액을 배스에 투입한 후 60℃에서 광 흡수층(130)이 형성된 기판을 약 15분간 담지하고, 상기 기판을 상온에서 초순수(DI water)에 약 2분간씩 3회 이상 필터링한 후, N2 가스 하에 약 7분간 건조시켜 광 흡수층(130) 상에 버퍼층(140)이 형성될 수 있다.
버퍼층(140)은 또한 도 3에 도시하는 증착 장치를 이용하여 화학적 용액성장법(Chemical bath deposition, CBD)에 의해 형성될 수 있다. 이와 관련하여서는 후술하기로 한다.
투광성 전극층(150)은, 광 흡수층(130)과 P-N접합을 이룬다. 또한, 투광성 전극층(150)은 ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:Ga, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등과 같은 투명한 전도성 재질로 이루어져, 광전효과에 의해 형성된 전하를 포획한다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 투광성 전극층(150)의 상면은 입사하는 태양광의 반사를 줄이고, 광 흡수층(130)으로의 광 흡수를 증가시키기 위해, 텍스쳐링(Texturing)될 수 있다.
이와 같은 태양전지(100)는 투광성 전극층(120)을 분리하는 제1 스크라이빙 공정, 광 흡수층(130) 및 버퍼층(140)을 분리하는 제2 스크라이빙 공정, 및 투광성 전극층(120), 광 흡수층(130) 및 버퍼층(140)을 분리하는 제3 스크라이빙 공정에 의해 다수의 태양전지 유닛으로 분할될 수 있으며, 다수의 태양전지 유닛들은 서로 직렬로 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치를 개략적으로 도시한 도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치(200)는, 버퍼층(도 2의 140)을 형성하기 위한 용액이 채워지는 배스(bath, 210), 화학적 용액성장법에 의해 사용된 용액이 일시적으로 저장되는 제1 탱크(220), 제1 탱크(220)에 저장된 용액을 필터링하는 필터부(250), 및 상기 필터링된 용액에 알칼리 용액을 공급하는 제2 탱크(260)를 포함할 수 있다.
배스(210)는 용액의 온도가 약 60℃ 내지 80℃를 유지할 수 있도록 히터(미도시)를 구비할 수 있다.
제1 탱크(220)의 온도는 배스(210)의 온도보다 높게 유지될 수 있다. 이는 제1 탱크(220)는 히터(미도시)를 포함하여 제2 배관(240)을 통해 화학적 용액성장법에 사용된 용액이 배스(210) 내로 재 유입될 때, 온도가 떨어지는 것을 보상하기 위함이다. 예를 들어, 제1 탱크(220)로 이동된 화학적 용액성장법에 의해 사용된 용액의 온도는 성막 온도보다 약 2℃ 내지 10℃ 정도 높은 상태로 유지될 수 있으며, 온도가 상승된 상기 용액은 제2 배관(240)을 따라 이동하며 필터부(250)에 의해 필터링된다.
배스(210)와 제1 탱크(220)는 제1 배관(230)에 의해 연결되며, 제1 배관(230)을 통해 배스(210)로부터 제1 탱크(220)로 공정 시에 사용된 용액이 이동할 수 있다. 한편, 공정 시에 사용된 용액의 역류를 방지하기 위해 제1 배관(230) 상에는 제1 배출펌프(232)와 제1 밸브(234)가 형성된다.
이때, 제2 밸브(244)는 잠긴 상태이며, 제1 밸브(234)는 열려 있다. 즉, 제1 밸브(234)와 제2 밸브(244)는 배타적으로 동작한다. 따라서 제1 배출펌프(232)에 의해 사용된 용액은 전부 제1 배관(230)을 따라 제1 탱크(220)로 이동한다.
제1 탱크(220)에 임시 저장된 용액은 필터부(250)를 거쳐 다시 배스(210)로 유입된다. 필터부(250)는 제1 탱크(220)와 배스(210)를 연결하는 제2 배관(240) 상에 형성되며, 필터링된 용액의 역류를 방지하기 위해 제2 배관(240)에는 순환펌프(242)와 제2 밸브(244)가 형성된다.
제1 탱크(220)의 일측에는 드레인 배관(222)이 형성되어, 폐기될 용액을 배출할 수 있다. 드레인 배관(222)에는 드레인 밸브(224)가 형성된다. 용액이 폐기된 경우는, 제4 배관(212)을 통해 새로운 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액이 배스(210)에 채워질 수 있다.
이때, 제1 밸브(234)는 잠기며, 제2 밸브(244)는 열리게 되고, 순환 펌프(242)에 의해 제1 탱크(220)에 저장된 용액은 제2 배관(240)을 따라 배스(210) 내로 유입된다. 즉, 상기 용액의 이동시에는 제1 밸브(234)와 제2 밸브(244)가 배타적으로 동작한다.
필터부(250)는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone, PES), 테플론(Teflon, PTFE), 나일론(Nylon) 등으로 형성된 다공성의 필터를 포함하며, 필터의 공극의 크기는 0.2㎛ 내지 5㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 필터부(250)는 제1 탱크(220)에 저장된 용액을 필터링하여 불순물을 제거한다.
필터부(250)는 도 3에 한 개의 필터부(250)로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 두 개 또는 세 개 이상의 필터부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 용액을 우선 제1 탱크(220)로 전부 이동시킨 후, 필터링을 하면, 필터링된 용액과 기존 용액이 섞이는 것을 방지할 수 있으므로, 필터링에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 또한, 제1 탱크(220)로의 이동 없이, 화학적 용액성장법 공정 중 필터링을 하게 되면 배스(210) 내에 상기 용액의 흐름이 지속적으로 발생하며, 이에 의해 버퍼층(도 2의 140)의 두께가 불균형해 지는 것을 방지할 수 있다.
배스(210)의 상부에는 알칼리 용액을 공급하는 제2 탱크(260)가 제3 배관(270)에 의해 연결되며, 제3 배관(270)을 통해 알칼리 용액이 배스(210)로 이동할 수 있다. 한편, 공정 시에 사용된 용액의 역류를 방지하기 위해 제3 배관(270) 상에는 제2 배출펌프(262)와 제3 밸브(264)가 형성된다.
이때, 제1 밸브(234)는 잠기며, 제3 밸브(264)는 열리게 되고, 제2 탱크(260)에 저장된 용액은 제3 배관(270)을 따라 배스(210) 내로 유입된다. 즉, 상기 용액의 이동시에는 제1 밸브(234), 제2 밸브(244), 및 제3 밸브(264)가 배타적으로 동작하며, 상기 유입되는 알칼리 용액이 배스(210) 내부의 용액 내 존재하는 알칼리 용액 100 중량부를 기준으로 하여 5 중량부 내지 15 중량부의 함량, 예를 들어 5 중량부 내지 12 중량부의 함량이 포함되면 제3 밸브(264)가 잠기게 된다.
한편, 배스(210)는 제4 배관(212)이 연결되어 있다. 제4 배관(212)에는 제4 밸브(214)가 형성된다. 제4 배관(212)을 통해 배스(210) 내로 용액을 주입하거나, 또는 용액을 외부로 드레인할 수 있다.
화학적 용액성장법에 사용된 용액 내 NH 4 OH 농도 변화
도 4는 기존의 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액 내 NH4OH 농도 변화를 Ion chromatography((Mitsubishi Chemical Corporation)사 제조, 모델명: (ICS2000))장치를 이용하여 분석한 결과를 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 각각의 점은 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 시간 경과에 따라 재사용한 횟수로 1회부터 10회까지 재사용하였음을 의미한다. 이 때, 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액 내 NH4OH 초기 농도는 2.5M 이었다.
도 4를 참조하면, 상기 용액을 1회 사용한 후의 NH4OH 농도는 약 2.411M 내지 2.413M이었다. 상기 화학적 용액성장법에 사용하기 위한 용액 내 NH4OH 초기 농도 대비 약 4%±0.5%임을 확인할 수 있다.
태양전지의 효율
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 연속적으로 사용하여 버퍼층을 형성한 경우의 태양전지의 효율을 나타낸 것이다. 도 6은 기존의 필터링된 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 연속적으로 사용하여 버퍼층을 형성한 경우의 태양전지의 효율을 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6에서는 세 번의 필터링을 수행하였으며, 태양전지(도 2의 100)의 효율은 제1 차 필터링 전의 1, 3, 5번째, 제1 차 필터링과 제2 차 필터링 사이의 제1, 3, 5번째, 제2 차 필터링과 제3 차 필터링 사이의 제1, 3, 5번째, 및 제3 차 필터링 후의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 샘플로 하여 제작된 태양전지(도 2의 100)로 측정하였다. 또한, 도 5 및 도 6의 상대 효율비는 제1 차 필터링 전의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 사용하여 제작된 태양전지(도 2의 100)의 효율을 기준으로 측정된 값이다.
도 5에 있어서 배스에 유입되는 NH4OH의 함량은 용액 내 존재하는 NH4OH 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 12 중량부, 즉 배스에 유입되는 NH4OH의 농도를 0.125M 내지 0.3M의 범위로 하여 화학적 용액성장법에 사용된 용액의 재사용시 용액 내 NH4OH의 농도를 2.5M±0.1M로 유지하도록 하였다.
도 5를 참조하면, 제1 차 필터링 전의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 사용하여 제작된 태양전지(도 2의 100)의 효율과 제3 차 필터링 후의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 사용하여 제작된 태양전지(도 2의 100)의 효율은 약 1로 거의 동등함을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제3 차 필터링 후의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 사용하여 제작된 태양전지(도 2의 100)의 효율은 0.8~0.9로 제1 차 필터링 전의 첫 번째 기판(도 2의 110)을 사용하여 제작된 태양전지(도 2의 100)의 효율에 비해 저하됨을 확인할 수 있다. 이는 화학적 용액성장법에 사용된 용액 내의 알칼리 용액의 농도가 감소하고 조성이 변화하기 때문이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 태양전지 110: 기판
120: 후면 전극층 130: 광 흡수층
140: 버퍼층 150: 투광성 전극층
200: 증착 장치 210: 배스
212: 제4 배관 214: 제4 밸브
220: 제1 탱크 230: 제1 배관
232: 제1 배출펌프 234: 제1 밸브
240: 제2 배관 242: 순환 펌프
250: 필터부 260: 제2 탱크
262: 제2 배출펌프 264: 제3 밸브
270: 제3 배관

Claims (16)

  1. 화학적 용액성장법에 사용된 용액을 필터링하는 단계;
    상기 필터링된 용액을 배스로 재 유입하는 단계; 및
    상기 배스에 알칼리 용액을 유입시켜 상기 필터링된 용액 내 알칼리 용액의 농도를 1.0M 내지 3.5M로 유지하는 단계;를 포함하는 용액의 재사용방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유입되는 알칼리 용액의 함량은 용액 내 존재하는 알칼리 용액 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 15 중량부인 용액의 재사용방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유입되는 알칼리 용액의 농도가 0.125M 내지 0.5M인 용액의 재사용방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학적 용액성장법에 사용된 용액은 황 소스, 아연 소스, 및 알칼리 용액을 포함하는 용액의 재사용방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 황 소스는 티오 우레아계 화합물을 포함하는 용액의 재사용방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 아연 소스는 아연 염 또는 아연 화합물을 포함하는 용액의 재사용방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 알칼리 용액은 암모니아 화합물을 포함하는 용액의 재사용방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 화학적 용액성장법에 사용된 용액의 온도는 60℃ 내지 80℃인 용액의 재사용방법.
  9. 제1항 내지 제8항에 따른 용액의 재사용방법에 의해 형성된 버퍼층을 포함하는 태양전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 버퍼층은 ZnS, 또는 ZnS(O, OH)을 포함하는 태양전지.
  11. 제9항에 있어서, 상기 태양전지는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(CIGS계) 화합물의 광흡수층을 포함하는 태양전지.
  12. 화학적 용액성장법에 사용되는 용액이 채워지는 배스(bath);
    상기 화학적 용액성장법에 의해 사용된 상기 용액이 일시적으로 저장되는 제1 탱크;
    상기 화학적 용액성장법에 의해 사용된 상기 용액을 상기 배스로부터 상기 제1 탱크로 유입시키도록 제1 배출펌프가 형성된 제1 배관;
    상기 제1 탱크에 저장된 상기 용액을 필터링하는 필터부;
    상기 제1 탱크와 상기 배스를 연결하고, 상기 필터부에 의해 필터링 된 상기 용액을 상기 제1 탱크로부터 상기 배스로 재 유입시키기 위한 순환 펌프가 형성된 제2 배관;
    상기 필터링된 용액에 알칼리 용액을 공급하는 제2 탱크; 및
    상기 제2 탱크와 상기 배스를 연결하고, 상기 제2 탱크로부터 상기 알칼리 용액을 유입시키도록 제2 배출펌프가 형성된 제3 배관;을 포함하는 증착 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 탱크의 온도는 상기 배스의 온도보다 높게 유지되는 증착 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배관 상에는 제1 밸브가 형성되고, 상기 제2 배관 상에는 제2 밸브가 형성되고, 상기 제3 배관 상에는 제3 밸브가 형성되며,
    상기 용액의 이동 중에는, 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 제3 밸브가 각각 배타적으로 동작하는 증착 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 증착 장치는 화학적 용액성장법에 의해 태양전지의 버퍼층을 형성하는 증착 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 태양전지는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(CIGS계) 화합물의 광흡수층을 포함하는 증착 장치.
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