KR20160112211A - 태양전지 제조용 기판 캐리어 - Google Patents

태양전지 제조용 기판 캐리어 Download PDF

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KR20160112211A
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 태양전지 제조용 기판에 광흡수층을 형성하는 과정에서 기판이 장착되는 캐리어로서, 태양전지 제조용 기판에 대응하는 크기의 안착부가 1개 이상 상면에 형성되어 있는 베이스 플레이트, 및 상기 안착부가 상부로부터 노출될 수 있도록 안착부에 대응하는 위치에 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있고, 베이스 플레이트의 외측면를 감싸면서 결합되는 스커트가 하향 연장되어 있는 커버 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어를 제공한다.

Description

태양전지 제조용 기판 캐리어 {Substrate Carrier for Manufacturing Solar Cell}
본 발명은 태양전지 제조용 기판 캐리어에 관한 것이다.
최근 환경문제와 천연자원의 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 환경오염에 대한 문제가 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 구성성분에 따라 실리콘 태양전지, 박막형 화합물 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류되며, 이 중 실리콘 반도체 태양전지가 가장 폭 넓게 연구되어 왔다.
이와 같이, 태양전지는 개발초기 때부터 비싼 제조 과정의 광흡수층 및 반도체 물질로서 규소(Si)를 사용하여 제작되어 왔다. 태양전지를 더욱 경제적으로 산업에 이용 가능하도록 제조하기 위해, 박막 태양전지의 구조물로 저비용의 CIGS(구리-인듐-갈륨-설포-다이-셀레나이드, Cu(In, Ga)(S, Se)2)와 같은 광흡수 물질을 이용한 제품이 개발되어 왔다. 상기 CIGS계의 태양전지는 전형적으로 후면 전극층, n-형 접합부, 및 p-형 흡광층으로 구성된다. 이렇게 CIGS층이 기재된 태양 전지는 19%를 초과하는 전력 변환 효율을 갖는다.
CIGS계 태양전지는 수 마이크론 두께의 광흡수층을 형성하여 태양전지를 만드는데, 일반적으로, 진공 증착법(evaporation)과 2-step 방식(전구체로 박막 형성 및 셀렌화 열처리)이 사용되고 있다. 상기 2-step 방식을 이용하여 CIGS 광흡수층을 형성하기 위하여, 상면에 전구체 박막이 형성된 기판을 열처리 챔버로 이동 후 셀레늄(Se)과 반응시켜 CIGS 광흡수층이 형성되도록 한다.
이 때, 상기 기판으로 얇은 스테인리스 스틸 시트(stainless steel sheet)가 사용되는 경우에는 고온 열처리 과정에서 기판이 뒤틀리는 등의 변형이 발생하여 균일한 열전달이 이루어지지 않는 문제가 발생한다. 이로 인하여, 불균일한 CIGS 광흡수층이 형성되기 때문에 높은 성능의 태양전지 기판을 제조하는 데 어려움이 있다.
따라서, 상기와 같이, 2-step 방식을 사용하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 경우, 스테인리스 스틸 시트 기판을 사용하더라도 균일한 CIGS 광흡수층을 형성할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 태양전지용 기판의 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있고, 베이스 플레이트의 외측면을 감싸면서 결합되는 스커트가 하향 연장되어 있는 커버 플레이트를 포함하는 태양전지 제조용 기판 캐리어를 개발하게 되었고, 이러한 기판 캐리어를 사용하는 경우, CIGS 광흡수층 형성을 위한 셀렌화 열처리 과정에서 기판의 형상 변형을 방지할 수 있어, 균일한 광흡수층이 형성됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어는,
태양전지 제조용 기판에 광흡수층을 형성하는 과정에서 기판이 장착되는 캐리어로서,
태양전지 제조용 기판에 대응하는 크기의 안착부가 1개 이상 상면에 형성되어 있는 베이스 플레이트; 및
상기 안착부가 상부로부터 노출될 수 있도록 안착부에 대응하는 위치에 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있고, 베이스 플레이트의 외측면을 감싸면서 결합되는 스커트가 하향 연장되어 있는 커버 플레이트;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어는, 커버 플레이트에 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있기 때문에 안착부에 위치한 기판의 외주 부위를 가압하여 안정적으로 고정시킬 수 있을 뿐만 아니라, 챔버 내에서 셀레늄(Se)과 직접적인 반응을 통해 셀렌화가 이루어질 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어를 사용하는 경우, 기판의 뒤틀림을 방지할 수 있는 바, 기판에 광흡수층 형성을 위한 고온의 열처리 과정에서 얇은 스테인리스 스틸 시트 기판의 형상이 변형되는 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트의 소재는 고온의 셀렌화 열처리 과정에서 기판을 안정적으로 고정시킬 수 있도록 우수한 내열성을 갖는 동시에, 열이 빠르고 균일하게 기판에 전달될 수 있도록 높은 열전도도를 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않지만, 서로 독립적으로 흑연(graphite), 석영(quartz), 질화보론 및 질화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 구성일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 각각 흑연으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어를 구성하는 베이스 플레이트에는 종방향 및/또는 횡방향으로 복수의 안착부들이 형성될 수 있고, 상기 커버 플레이트에는 안착부들에 대응하는 개수의 개구들이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
상기 개구를 통해, 열처리를 위한 챔버 내에서 기판 위에 형성된 전구체 박막이 직접적으로 셀레늄(Se)과 반응이 이루어질 수 있는 바, 균일한 두께의 CIGS 광흡수층이 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 안착부는 태양전지용 기판에 대응하는 크기 및 형상을 가지며, 상기 개구는 안착부에 대응하는 위치에 안착부보다 작은 크기로 천공되어 있다. 일 예로, 상기 안착부와 개구의 형상은 평면상으로 각각 사각형일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어는, 상기 안착부에 기판을 위치한 후 커버 플레이트를 결합시키면 커버 플레이트가 기판을 가압하여 고정할 수 있는 구조이다. 따라서, 상기 안착부의 깊이는 기판의 두께와 동일하거나 그보다 낮게 형성될 수 있으며, 바람직하게는 기판의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 안착부의 깊이는 기판 두께를 기준으로 70% 내지 99%의 범위일 수 있으며, 상세하게는 80% 내지 95%일 수 있다.
상기 안착부의 깊이가 기판 두께를 기준으로 70% 보다 낮은 경우에는 기판의 높이로 인하여 커버 플레이트가 베이스 플레이트의 외측면을 완전히 감싸기 위해 인가하는 압력이 증가할 수 있으며, 99% 보다 높을 경우에는 기판의 안정적인 고정이 어려울 수도 있으므로 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 안착부의 깊이는 50 ㎛ 내지 150 ㎛의 범위일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 70 ㎛ 내지 140 ㎛의 범위일 수 있다.
한편, 안착부의 폭은 사용되는 기판의 크기에 따라 베이스 플레이트의 폭 범위 내에서 자유롭게 조절이 가능한 구조일 수 있는 바, 상기 안착부의 최대 폭은 안착부 외주부 둘레의 두께를 고려하여 2 cm 내지 40 cm의 범위에서 설정될 수 있다.
이 때, 베이스 플레이트의 높이는 커버 플레이트의 높이에서 커버 플레이트의 두께를 제외한 높이와 동일하거나 그 보다 큰 것이 적절한 바, 상기 베이스 플레이트의 높이는 예를 들어 2 mm 내지 5 mm일 수 있으며, 상기 커버 플레이트의 높이는 예를 들어 3 mm 내지 6 mm일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 개구의 평면 크기는 안착부의 외주부를 가압하여 안정적으로 고정하기 위한 구조임을 고려할 때, 안착부의 평면 크기의 80% 내지 99%일 수 있으며, 상세하게는 85% 내지 95%일 수 있다.
상기 개구의 평면 크기가 안착부의 평면 크기를 기준으로 80% 보다 작은 경우에는 광흡수층이 형성되는 면적이 좁아질 수 있어서 바람직하지 않다. 또한, 안착부에 위치한 기판을 더욱 안정적으로 고정시킨다는 측면에서, 99% 이하인 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 커버 플레이트에 형성되는 개구는, 안착부의 내주면에 대응하는 부위로부터 내향 연장되어 기판의 외주 부위를 가압하는 고정 연장부를 추가로 포함할 수 있다.
이와 같이 고정 연장부가 형성됨으로써, 개구를 통한 셀렌화 열처리 반응이 직접적인 셀레늄(Se)과의 반응에 의해 활발히 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 기판의 고정이 가능하기 때문에, 기판의 형상 변형 또는 기판의 들뜸 현상을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 고정 연장부는 안착부의 전체 내주면에 대해 동일한 폭으로 내향 연장되어 있을 수 있는 바, 기판의 외주부 4면에 대해 균일한 가압 및 고정이 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 고정 연장부는 0.2 mm 내지 5 mm 범위의 폭으로 내향 연장되어 형성될 수 있으며, 상세하게는 1 mm 내지 5 mm의 범위에서 형성될 수 있으며, 더욱 상세하게는 1 mm 내지 4 mm의 범위에서 형성될 수 있다.
상기 고정 연장부가 0.2 mm보다 작을 경우에는 기판을 안정적으로 고정시키기 어려울 수 있으며, 5 mm 보다 클 경우에는 광흡수층이 형성되지 않는 면적이 넓어질 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 스커트의 길이는 베이스 플레이트에 커버 플레이트가 결합된 상태에서 베이스 플레이트의 외측면을 완전히 감싸는 크기로 형성될 수 있다.
이 경우, 베이스 플레이트에 커버 플레이트가 결합된 상태에서, 커버 플레이트의 하면은 베이스 플레이트의 하면과 동일 평면상에 위치할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 태양전지 제조용 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어의 상부에서 기판을 가열하는 가열기를 포함하는 태양전지 제조장치를 제공한다.
더 나아가, 본 발명은 상기 태양전지 제조장치를 사용하여 제조되는 태양전지 셀 및, 상기 태양전지 셀을 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
상기 태양전지 제조장치, 태양전지 셀과 태양전지 모듈의 구성 및 그것의 구체적인 제조방법은 당업계에 알려져 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어는 기판에 대응되는 크기의 안착부가 형성되어 있는 베이스 플레이트, 및 태양전지용 기판의 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있으며, 베이스 플레이트의 외측면을 감싸면서 결합되는 스커트가 하향 연장되어 있는 커버 플레이트로 구성됨으로써, 기판의 외주 부위를 커버 플레이트의 가장자리가 효과적으로 가압하여 기판을 안정적으로 고정하기 때문에, CIGS 광흡수층 형성을 위한 고온의 셀렌화 열처리 과정에서도 기판의 형상 변형을 방지할 수 있다.
따라서, 열에 약한 얇은 스테인리스 스틸 시트 기판을 사용하더라도 열전달이 균일하게 이루어짐으로써 높은 효율의 CIGS 광흡수층을 가진 태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 베이스 플레이트 및 기판의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 커버 플레이트의 사시도이다;
도 3은 도 1의 베이스 플레이트에 기판을 안착시킨 후 도 2의 커버 플레이트를 결합한 상태의 사시도이다;
도 4는 도 3의 A-A’에 따른 단면 모식도이다; 및
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어의 분해 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어를 구성하는 베이스 플레이트 및 기판의 사시도를 모식적으로 도시하고 있고, 도 2는 커버 플레이트의 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 베이스 플레이트(100)에는 태양전지 제조용 기판(301)의 크기에 대응하는 안착부(110)가 형성되어 있다. 안착부의 깊이(H1)는 기판의 두께(D2)를 기준으로, 예를 들어, 70% 내지 99%의 범위에서 형성될 수 있는 바, 구체적으로, 50 ㎛ 내지 150 ㎛로 형성될 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 기판(301)의 크기에 따라 안착부(110)의 크기를 조절할 수 있으며, 안착부(110)의 최대 폭은, 예를 들어, 2 cm 내지 40 cm의 범위에서 형성될 수 있다. 한편, 베이스 플레이트의 높이(H2)는 안착부의 깊이(H1)보다 크면서 커버 플레이트로 완전히 감싸일 수 있는 크기로서, 예를 들어, 2 mm 내지 5 mm일 수 있다.
커버 플레이트(200)에는 안착부(110)에 대응하는 위치에 안착부(110)보다 작은 크기의 개구(220)가 천공되어 있고, 커버 플레이트(200)의 외주면을 따라 하향 연장되는 구조의 스커트(230)가 형성되어 있다.
커버 플레이트(200)는 베이스 플레이트(100)를 완전히 감싸는 구조로 이루어져 있고, 커버 플레이트의 높이는 커버 플레이트의 두께와 베이스 플레이트의(100) 높이의 합과 동일하거나 크게 형성될 수 있다. 따라서, 커버 플레이트의 높이는, 예를 들어, 3 mm 내지 6 mm의 범위일 수 있다.
개구(220)는, 안착부(110)의 내주면과 대응하는 부위로부터 내향 연장되어 기판(301)의 외주부를 가압하여 기판(301)을 더욱 안정적으로 고정하기 위하여 고정 연장부(210)를 포함하고 있으며, 개구(220)의 평면 크기는 안착부(110)의 평면 크기보다 작게 형성된다. 따라서, 개구(220)의 평면 크기는 안착부(110)의 평면 크기를 기준으로, 예를 들어, 80% 내지 99%의 범위에서 형성될 수 있다.
고정 연장부(210)는 안착부(110)의 전체 내주면에 대해 동일한 폭으로 내향 연장되어 있는 바, 내향 연장된 고정 연장부의 폭(w)은, 예를 들어, 0.2 mm 내지 5 mm의 범위에서 형성될 수 있다.
한편, 안착부(110) 및 개구(220)의 형상은 평면상으로 각각 사각형의 형태로 이루어져 있으며, 예를 들면, 직사각형 또는 정사각형의 형태일 수 있다.
도 3은 도 1의 베이스 플레이트에 기판을 안착시킨 후 도 2의 커버 플레이트를 결합하여 기판 캐리어를 조립한 상태의 사시도를 모식적으로 도시하고, 도 4는 도 3의 A-A’에 따른 단면을 모식적으로 도시하고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 스커트(230)의 길이는 베이스 플레이트(100)에 커버 플레이트(200)가 결합된 상태에서 베이스 플레이트(100)의 외측면을 완전히 감싸는 크기를 가지며, 결합된 상태에서 베이스 플레이트(100)는 하면을 제외하고는 외부에서 관찰되지 않는다. 또한, 커버 플레이트(200)를 베이스 플레이트(100)와 결합한 후 하향 가압하여 기판(301)을 안정적으로 고정하는 구조인 바, 결합한 상태에서, 커버 플레이트(200)의 하면은 베이스 플레이트(100)의 하면과 동일 평면상에 위치할 수 있다.
따라서, 안착부(110)에 위치한 기판(301)의 상부 외주부는 고정 연장부(210)에 의해 하향 가압되어 안정적인 고정이 이루어진다.
한편, 베이스 플레이트(100)의 안착부(110)에 기판(301)이 안착되어 있으며, 안착부(110)의 크기는 기판(301)의 크기와 동일하거나 그보다 근소하게 큰 정도이기 때문에, 기판(301)의 탈착이 불편하지 않는 범위 내에서, 기판(301)을 안착시킨 상태의 안착부(110)에는 되도록 남는 공간이 존재하지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어의 분해 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
태양전지 제조용 기판 캐리어는 베이스 플레이트(400)에 종방향 및 횡방향으로 복수의 안착부들(410)이 형성되어 있고, 커버 플레이트(500)에는 안착부(410)들에 대응하는 개수의 개구들(520)이 형성되어 있다. 커버 플레이트(500)의 개구(520)에는 고정 연장부(510)가 형성되어 있기 때문에 기판들(601)의 상면 외주부의 가압이 가능한 바, 1회의 열처리 과정을 통해 광흡수층이 형성된 복수의 기판들(601)을 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 태양전지 제조용 기판에 광흡수층을 형성하는 과정에서 기판이 장착되는 캐리어로서,
    태양전지 제조용 기판에 대응하는 크기의 안착부가 1개 이상 상면에 형성되어 있는 베이스 플레이트; 및
    상기 안착부가 상부로부터 노출될 수 있도록 안착부에 대응하는 위치에 안착부보다 작은 크기의 개구가 천공되어 있고, 베이스 플레이트의 외측면을 감싸면서 결합되는 스커트가 하향 연장되어 있는 커버 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트의 소재는 서로 독립적으로 흑연(graphite), 석영(quartz), 질화보론 및 질화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트는 각각 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트에는 종방향 및/또는 횡방향으로 복수의 안착부들이 형성되어 있고, 상기 커버 플레이트에는 안착부들에 대응하는 개수의 개구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부와 개구의 형상은 평면상으로 각각 사각형인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부의 깊이는 기판의 두께와 동일하거나 그보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부의 깊이는 50 ㎛ 내지 150 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부의 최대 폭은 2 cm 내지 40 cm의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 개구의 평면 크기는 안착부의 평면 크기의 80% 내지 99%의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 개구는, 안착부의 내주면에 대응하는 부위로부터 내향 연장되어 기판의 외주 부위를 가압하는 고정 연장부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 고정 연장부는 안착부의 전체 내주면에 대해 동일한 폭으로 내향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 고정 연장부는 0.2 mm 내지 5 mm 범위의 폭으로 내향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 스커트의 길이는 베이스 플레이트에 커버 플레이트가 결합된 상태에서 베이스 플레이트의 외측면을 완전히 감싸는 크기인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조용 기판 캐리어.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 태양전지 제조용 기판 캐리어, 및 상기 기판 캐리어의 상부에서 기판을 가열하는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  15. 제 14 항에 따른 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀.
  16. 제 15 항에 따른 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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CN110429054A (zh) * 2018-08-29 2019-11-08 协鑫集成科技股份有限公司 成膜载具以及太阳能电池的制作方法

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