WO2013125818A1 - 태양 전지 제조 장치 및 태양 전지 제조 방법 - Google Patents

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WO2013125818A1
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chalcogen source
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전찬욱
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영남대학교 산학협력단
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the technical idea of the present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a device and a method for manufacturing a solar cell comprising a chalcogenide material.
  • solar energy resources In order to prepare for the depletion of petroleum resources, alternative energy resources are being actively developed, and in particular, many studies are being conducted on the development of solar energy resources.
  • the development of solar energy resources mainly consists of photovoltaic power generation that converts solar energy into electrical energy.
  • the solar cell has a p-n junction in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are bonded to each other, and sunlight reaches the p-n junction to generate photovoltaic power to generate electrical energy.
  • silicon semiconductor solar cells which are first generation solar cells
  • compound thin film solar cells which are second generation solar cells, are being developed due to light and small size, economic feasibility, productivity, and product applicability.
  • a material for use as a light absorption layer in a compound thin film solar cell there is a chalcopyrite-based compound semiconductor material, for example CuInSe 2 .
  • a brass stone compound semiconductor material has a direct transition energy band gap and has a light absorption coefficient of 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 1, which is the highest among semiconductors, and thus, a highly efficient solar cell can be manufactured even with a thin film having a thickness of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m. In the long term, the electro-optic stability is very good.
  • CuInSe 2 substitutes a portion of indium (In) with gallium (Ga) and a portion of selenium (Se) with sulfur (S) to meet an ideal bandgap of 1.4 eV with a bandgap of 1.04 eV.
  • the bandgap of CuGaSe 2 is 1.6 eV, and CuGaS 2 is 2.5 eV.
  • CIGS quaternary compounds comprising copper-indium-gallium-selelium
  • materials containing copper-indium-gallium-selelium-sulfur are also referred to as CIGSS.
  • Technical problem of the present invention is to provide a solar cell manufacturing apparatus that can easily form a light absorption layer by increasing the chalcogenation reactivity.
  • the technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method for manufacturing a solar cell that can easily form a light absorption layer by increasing the chalcogenation reactivity.
  • the solar cell manufacturing apparatus for achieving the above technical problem, the chamber; An object support member positioned in the chamber and mounted on the object; And a microporous body member positioned to cover the object support member, the chalcogen source is mounted, and the microporous body member including micro pores having a size through which the chalcogen source passes so that the chalcogen source reaches the object. do.
  • a window member is disposed on the microporous body member and prevents the chalcogen source from being discharged outwardly.
  • a fixing member positioned on the microporous body member and fixing the window member to the microporous body member.
  • the microporous body member may include graphite having a density in the range of 1.75 g / cm 3 to 1.86 g / cm 3 .
  • the microporous body member may include graphite having a porosity in the range of 6% to 11%.
  • the micropores may be sized to block the chalcogen liquid liquefied from the chalcogen source and to pass the chalcogen gas vaporized from the chalcogen source.
  • the micropores may have a radius according to the following formula.
  • the microporous body member may include a microporous body element and at least one support element, and the microporous body element and the at least one support element are integrally formed.
  • the microporous body member may be formed.
  • the microporous body member may include a microporous body element and at least one support element, and the microporous body element and the at least one support element are in a separate structure.
  • the microporous body member may be formed as an assembly formed by being assembled to each other.
  • a method of manufacturing a solar cell including: preparing a microporous body member; Arranging a subject and a chalcogen source with the microporous body member interposed therebetween; Heating the chalcogen source; Passing the heated chalcogen source through the microporous body member; And contacting the chalcogen source that has passed through the microporous body member to the object.
  • the chalcogen source after the chalcogen source passing through the microporous body member contacts the object, the chalcogen source further includes performing a chalcogenation reaction with the subject. can do.
  • the chalcogen source may comprise selenium, sulfur, or mixtures thereof.
  • the chalcogen source comprises a mixture of selenium and sulfur, and after the chalcogen source passing through the microporous member contacts the subject, the chalcogen source is The subject may be subjected to selenization reaction and sulfidation reaction simultaneously.
  • a step of forming an inert gas atmosphere with respect to the object and the chalcogen source between placing the object and the chalcogen source and heating the chalcogen source. It may include.
  • the method may further include forming a vacuum atmosphere with respect to the object and the chalcogen source before performing the step of forming an inert gas atmosphere with respect to the object and the chalcogen source.
  • a vacuum atmosphere with respect to the object and the chalcogen source before performing the step of forming an inert gas atmosphere with respect to the object and the chalcogen source.
  • the heating may be performed at a temperature between 220 ° C and 680 ° C.
  • the object may include at least one of copper, indium, and gallium.
  • the chalcogenide material is introduced into the subject to the chalcogenide reaction through the microporous body. Therefore, since the optimal amount of chalcogen source can be used for the chalcogenation reaction, the chalcogenide consumption can be minimized. In addition, the chalcogen source does not use toxic and corrosive substances such as H 2 Se and H 2 S to maximize stability and device protection. In addition, since the chalcogenide material is directly supplied to the object through the microporous body, it is possible to minimize contamination in the chamber, to maximize the use time of the equipment, or to minimize the cost of equipment maintenance and repair. These effects have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell formed using a solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic view illustrating the function of the microporous body member included in the solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell of FIG. 1 performed by using the solar cell manufacturing apparatus of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 11 are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell of FIG. 1 using the solar cell manufacturing apparatus of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 to 15 illustrate one embodiment of a microporous body member included in a solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a scanning electron micrograph showing a cross section of a CIGS layer formed according to a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a scanning electron micrograph showing the top surface of the CIGS layer formed according to the solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell 1 formed using a solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell 1 includes a lower electrode 20, a light absorption layer 30, a buffer layer 40, and an upper electrode 50 sequentially positioned on the substrate 10.
  • the grid electrode 70 may be positioned on a portion of the upper electrode 50.
  • an anti-reflection layer 60 may be positioned on the upper electrode 50.
  • the lower electrode 20 may have a thickness of about 0.5 ⁇ m
  • the light absorbing layer 30 may have a thickness of about 2 ⁇ m
  • the buffer layer 40 may have a thickness of about 0.05 ⁇ m
  • the upper electrode 50 may have a thickness of about 0.5 ⁇ m.
  • this thickness is exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
  • the substrate 10 may be made of a glass substrate, and may be made of, for example, a soda lime glass substrate.
  • the substrate 10 may be formed of a ceramic substrate such as alumina, a stainless steel substrate, a metal substrate such as a copper tape, or a polymer substrate.
  • the substrate 10 may be made of a flexible polymer material such as polyimide, or may be made of stainless steel sheet.
  • the lower electrode 20 may be located on the substrate 10. In order for the lower electrode 20 to be used as an electrode, the resistivity must be low and the adhesion to the substrate 10 must be excellent so that the lower electrode 20 does not peel off from the substrate 10 due to the difference in the coefficient of thermal expansion.
  • the lower electrode 20 may be deposited, for example, by sputtering.
  • the lower electrode 20 may include nickel (Ni), copper (Cu), molybdenum (Mo), or an alloy thereof.
  • excellent properties such as high electrical conductivity of molybdenum, excellent ohmic contact to the light absorbing layer 30, high temperature stability in a selenium (Se) atmosphere process, and the like Can have
  • the light absorption layer 30 may be located on a portion of the lower electrode 20.
  • the exposed area 22 of the lower electrode 20 where the light absorbing layer 30 is not positioned may provide an electrical contact to the outside.
  • the light absorbing layer 30 may include a material that absorbs sunlight and converts it into an electrical signal, and may include a p-type semiconductor material.
  • the light absorption layer 30 may include at least one of copper (Cu), indium (In), and gallium (Ga).
  • the light absorption layer 30 may further include a chalcogen-based material, for example, may include selenium (Se), sulfur (S), or a mixture thereof.
  • the light absorption layer 30 may include a quaternary material of copper-indium-gallium-selenium (CIGS) or a ternary material of copper-indium-gallium-selenium-sulfur (CIGSS).
  • CIGS copper-indium-gallium-selenium
  • CGSS copper-indium-gallium-selenium-sulfur
  • the buffer layer 40 may be located on the light absorbing layer 30.
  • the buffer layer 40 may perform a function of realizing an excellent pn junction by reducing a lattice constant difference and an energy band gap difference between the light absorption layer 30 and the upper electrode 50. In some cases, the buffer layer 40 may be omitted.
  • the buffer layer 40 may include an n-type semiconductor material, and may change the resistance value by doping impurities, for example, boron (B), indium (In), gallium (Ga), and aluminum (Al). Etc., the resistance value can be lowered.
  • the buffer layer 40 may include cadmium sulfide (CdS) or indium selenium (In x Se y ).
  • a cadmium sulfide (CdS) film may be formed using a chemical bath deposition (CBD) method.
  • CBD chemical bath deposition
  • the buffer layer 40 includes indium-selenium, it is possible to prevent the toxicity of cadmium sulfide and to eliminate the trouble of the wet process for the formation of cadmium sulfide.
  • the upper electrode 50 may be located on the buffer layer 40. Alternatively, the upper electrode 50 may be located on the light absorption layer 30.
  • the upper electrode 50 may include an n-type semiconductor material.
  • the upper electrode 50 may directly contact the light absorption layer 30 to form a pn junction. Alternatively, the pn junction may be formed together with the buffer layer 40 in direct contact with the light absorption layer 30.
  • the upper electrode 50 is preferably excellent in electrical conductivity and high in light transmittance, and may be referred to as a transparent electrode.
  • the upper electrode 50 may include at least one of zinc oxide (ZnO) and indium tin oxide (ITO). Zinc oxide (ZnO) has an energy bandgap of about 3.3 eV and a high light transmittance of about 80% or more.
  • the upper electrode 50 may be doped with an impurity element such as aluminum (Al) or boron (B) to have a low resistivity of about 10 ⁇ 4 ohm cm or less.
  • an impurity element such as aluminum (Al) or boron (B) to have a low resistivity of about 10 ⁇ 4 ohm cm or less.
  • the boron (B) to the upper electrode 50 when doping the boron (B) to the upper electrode 50, the light transmittance in the near infrared region may be increased to increase the short circuit current.
  • the upper electrode 50 is composed of zinc oxide (ZnO)
  • the upper electrode 50 may use RF sputtering using a zinc oxide (ZnO) target, reactive sputtering using a zinc target, or organometallic chemical vapor deposition. Can be formed.
  • the upper electrode 50 may be formed as a composite layer in which a plurality of layers are stacked.
  • the upper electrode 50 is composed of a composite layer in which an indium-tin oxide (ITO) thin film is formed on a zinc oxide (ZnO) thin film, or n-type zinc on a zinc oxide (ZnO) thin film of an intrinsic semiconductor type. It may be composed of a composite layer formed with an oxide (ZnO) thin film.
  • the upper electrode 50 of the composite structure may improve the efficiency of the solar cell 1.
  • an antireflection layer 60 may be located on the upper electrode 50.
  • the anti-reflection layer 60 may reduce reflection loss of incident sunlight and may also reflect back the sunlight reflected from the inside, thereby increasing the efficiency of the solar cell 1.
  • the antireflection layer 60 can increase the efficiency of the solar cell by about 1%.
  • the antireflection layer 60 may include, for example, magnesium fluoride (MgF 2 ), and may be formed using, for example, an electron beam evaporation method.
  • the grid electrode 70 may be located in a portion of the upper electrode 50 and may be electrically connected to the upper electrode 50.
  • the grid electrode 70 may be paired with the lower electrode 20 to collect current from the surface of the solar cell 1.
  • the grid electrode 70 may include aluminum (Al), nickel (Ni), or an alloy thereof, and may include a single layer or a multilayer structure such as nickel / aluminum (Ni / Al). Since the area occupied by the grid electrode 70 is an opaque region, sunlight is not absorbed into the solar cell 1, and therefore, it is desirable to minimize the area occupied by the grid electrode 70.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a solar cell manufacturing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. Shapes of the components constituting the solar cell manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 2 are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
  • the solar cell manufacturing apparatus 100 includes a chamber 110, a layer forming unit 120, a heating unit 130, a vacuum forming unit 140, and a gas supply unit 150.
  • the chamber 110 may provide a space in which the layer forming unit 120 is installed.
  • Chamber 110 may be composed of a metal such as aluminum or stainless steel, tempered glass, quartz, or graphite. When the chamber 110 is made of a transparent material such as tempered glass or quartz, rapid heat treatment may be easily performed.
  • the layer forming unit 120 includes an object support member 122, a microporous body member 124, a window member 126, and a fixing member 128.
  • the object 180 may be mounted on the object support member 122, and the object support member 122 may support the object 180.
  • the object support member 122 may be formed of a susceptor including, for example, silicon carbide coated graphite.
  • the object support member 122 may perform a function of transferring the heat of the heating unit 130 to the object 180.
  • the object 180 is a structure in which a layer required by the solar cell manufacturing apparatus 100 is formed, which may correspond to the substrate 10 of FIG. 1, or may be a structure in which various layers are formed on the substrate.
  • it may be a structure in which at least one layer including at least one of copper, indium, and gallium is formed on the substrate.
  • the object 180 may be a structure in which a composite layer including a copper layer, an indium layer, and a gallium layer is formed on a substrate.
  • the lower electrode 20 (see FIG. 1) formed of molybdenum or the like may be directly positioned on the substrate 10 (see FIG. 1).
  • the object 180 may be a structure in which one copper-indium-gallium layer is positioned on the substrate.
  • the microporous body member 124 may be positioned to cover the object 180. In addition, the microporous body member 124 may have a spacing (G) so that the object 180 does not contact.
  • the chalcogenide source 190 may be mounted on the microporous body member 124, and the microporous body member 124 may support the chalcogenide source 190.
  • the microporous body member 124 may include a material having a plurality of micropores therein, and may include, for example, graphite. The vaporized chalcogen source 190 may pass through the micropores.
  • the chalcogen source 190 passing through the microporous body member 124 may form a chalcogen layer on the object 180 or may react with a material included in the object 180.
  • the microporous body member 124 will be described in detail with reference to FIG. 3.
  • the microporous body member 124 may include a microporous body element 124a, a first support element 124b, a second support element 124c, and a third support element 124d.
  • the microporous body element 124a may position the object 180 under its own side and place the chalcogen source 190 above its own side.
  • the microporous element 124a may comprise micropores through which the chalcogenide vaporized from the chalcogenide source 190 passes.
  • the first support element 124b and the second support element 124c may support the microporous body member 124 so that the microporous body member 124 is spaced apart from the object 180.
  • the third support element 124d may provide a space in which the chalcogenide 190 is located.
  • the third support element 124d may support the window member 126 such that the microporous body element 124a is spaced apart from the window member 126.
  • the microporous body element 124a, the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d are formed as a one-body structure to form the microporous member 124. ) Can be configured.
  • the microporous body element 124a, the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d are each formed as separate structures, and by their assembly
  • the microporous body member 124 may be configured.
  • the microporous body element 124a may comprise graphite
  • the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d may comprise silicon carbide coated graphite. have.
  • Such embodiments of the microporous body member 124 will be described in detail with reference to FIGS. 12 to 15.
  • the microporous body element 124a may be spaced apart from the object 180 at a spacing G.
  • the spacing interval G may be in the range of about 0.5 mm to about 3 mm, for example, and may be about 1 mm.
  • Chalcogen source 190 may comprise a chalcogenide material and may include, for example, selenium (Se), sulfur (S), or mixtures thereof.
  • the chalcogen source 190 may be solid at room temperature, and may change into a liquid phase or a gas phase by heating by the heating unit 130. As the thickness S of the chalcogen source 190 is adjusted, the amount of chalcogen introduced into the object 180 may be changed.
  • the window member 126 may be located above the microporous body member 124 and may be supported by the third support element 124d of the microporous body member 124.
  • the window member 126 may be made of quartz, tempered glass, sapphire, or the like.
  • the window member 126 may have a function of easily transferring heat emitted from the heating unit 130 to the chalcogen source 190, and the liquefied or vaporized chalcogen source 190 may include a layer forming unit ( It may have a function to prevent the discharge to the outside of 120.
  • the fixing member 128 may be positioned on the microporous body member 124 and may fix the microporous body member 124 and the window member 126 to each other. In addition, the fixing member 128 may fix the microporous body member 124 and the object support member 122 to each other.
  • the fixing member 128 may include silicon carbide coated graphite.
  • the heating unit 130 may be located outside the chamber 110 and may heat the chamber 110 and the layer forming unit 120. Accordingly, the heating unit 130 may liquefy or vaporize the chalcogen source 190 by heating.
  • the heating unit 130 may include an upper heating unit 132 positioned above the chamber 110 and a lower heating unit 134 positioned below the chamber 110, and maintain the heating temperature more uniformly. To this end, it may further include a side heating unit 136 located on the side of the chamber 110.
  • the heating unit 130 may be configured of a hot wire or an infrared lamp. When the heating unit 130 is formed of an infrared lamp, the chamber 110 may be rapidly heated or cooled, and thus, the rapid heat treatment of the object 180 may be performed.
  • the chamber 110 when the chamber 110 is made of a transparent material such as tempered glass or quartz, such rapid heat treatment may be easily performed.
  • the number or power of the upper heating unit 132 and the lower heating unit 134 may be the same or different. For example, heat generated from the upper heating part 132 must pass through the window member 126, the chalcogen source 190, and the microporous body member 124 in order to be transferred to the object 180.
  • the portion 132 may have a greater number or greater power than the lower heating portion 134.
  • the vacuum forming unit 140 may be connected to the chamber 110, and may form a vacuum in the chamber 110.
  • the vacuum forming unit 140 may be configured as a vacuum pump.
  • the vacuum forming unit 140 may be omitted as an optional component of the solar cell manufacturing apparatus 100.
  • the gas supply unit 150 may be connected to the chamber 110, and supply an inert gas such as helium, argon, and nitrogen into the chamber 110 that has become a vacuum.
  • the gas supply unit 150 may supply the inert gas to the chamber 110 such that the pressure in the chamber 110 is a desired atmospheric pressure, for example, about 1 atmosphere.
  • the gas supply unit 150 may be omitted as an optional component of the solar cell manufacturing apparatus 100.
  • FIG 3 is a schematic view illustrating a function of the microporous body member 124 included in the solar cell manufacturing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the microporous body member 124 may include a plurality of micropores 129.
  • the microporous body member 124 may be formed of graphite, for example, may be formed of graphite having a density in the range of 1.75 g / cm 3 to 1.86 g / cm 3 .
  • it may be formed of graphite having a porosity in the range of 6% to 11%.
  • density and porosity are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
  • the micropores 129 may have a size through which the liquefied or vaporized chalcogenide source 190 passes.
  • the size of the fine pores 129 may vary, for example, may have a range of several tens of nm to several tens of micrometers.
  • the size of the micropores 129 may be calculated from porosity, for example, in the range of 6% to 11%.
  • the micropores 129 may be formed along the grain boundaries of the materials constituting the microporous body member 124.
  • the chalcogen source 190 When the chalcogen source 190 is heated by the heating unit 130 of FIG. 2, the chalcogen source 190 may be changed into a chalcogen liquid 192.
  • the heating unit 130 may heat the chalcogen source 190 at a temperature between 685 ° C., which is a boiling point of selenium, and a melting point of selenium, 220 ° C. or higher. Can be.
  • the chalcogenide liquid 192 may be introduced into the micropores 129 in the microporous body member 124.
  • micropores 129 may be sized to pass the chalcogen gas 194 discharged from the chalcogen liquid 192 without passing the chalcogen liquid 192.
  • the radius of the fine pores 129 can be obtained by the porosity principle, for example, may be as shown in Equation (1).
  • R is the radius of the micropores
  • ⁇ LV is the surface tension of the chalcogenide liquid
  • ⁇ is the contact angle of the chalcogenide liquid
  • P is the pressure
  • the chalcogen gas 194 passing through the micropores 129 may contact the object 180, form a layer on the object 180, or diffuse into the object 180.
  • the selenium is not a monoatomic gas, but a 2-atomic gas (Se 2 ), a 4-atomic gas (Se 4 ), a 6-atomic gas (Se 6 ), or an 8-atomic gas (Se 8 ).
  • a 2-atomic gas Se 2
  • a 4-atomic gas Se 4
  • a 6-atomic gas Se 6
  • an 8-atomic gas Se 8
  • the tendency of constituting the multiatomic gas is strong and not only the reactivity is low, but also the diffusion does not occur actively due to the high molecular weight, there is a limit in that it is difficult to form a uniform layer. In particular, there is a limit that is almost impossible to apply to the production of large area solar module.
  • the solar cell manufacturing method can reduce the tendency of the chalcogen gas to form a high molecular weight gas by using the microporous body member 124, thereby May increase reactivity.
  • the chalcogenide material since the chalcogenide material is supplied to the object 180 through the micropores 129 in the microporous body member 124, the chalcogenide material may be uniformly provided to the object 180.
  • the spacing (G, see FIG. 2) between the object 180 and the microporous body member 124 is an important factor for uniformly applying selenium, and the smaller it is, the more advantageous it may be about 1 mm.
  • FIG. 4 is a flow chart schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell 1 of FIG. 1 according to an embodiment of the invention.
  • preparing a microporous body member (S1) disposing the object and the chalcogen source with the microporous body member therebetween (S2), and for the object and the chalcogen source Forming an inert gas atmosphere (S3), heating the chalcogen source (S4), passing the heated chalcogen source through the microporous body member (S5), passing the microporous body member
  • the chalcogen source contacts the subject (S6) and the chalcogen source performs a chalcogenation reaction with the subject (S7).
  • the method may further include forming a vacuum atmosphere with respect to the object and the chalcogen source before performing step S3 of forming the inert gas atmosphere.
  • the chalcogen source is the object and selenium. It may cause a reaction, thereby forming a copper-indium-gallium-selenium (CIGS) layer.
  • the chalcogen source may cause a sulfidation reaction with the subject, thereby causing Copper-Indium-Gallium-Selenium- Sulfur) layer can be formed.
  • the chalcogen source includes a mixture of selenium and sulfur, and the case where the chalcogen source causes a selenization reaction and a sulfidation reaction simultaneously with the object is also included in the technical idea of the present invention.
  • the object in which the chalcogenation reaction has occurred may be used as the light absorption layer 30 of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell 1 of FIG. 1 performed by using the solar cell manufacturing apparatus 100 of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 11 are cross-sectional views schematically illustrating a method of manufacturing the solar cell 1 of FIG. 1 using the solar cell manufacturing apparatus 100 of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • the chalcogen source 190 is mounted on the microporous body member 124 (S10).
  • Chalcogen source 190 may comprise a chalcogenide material and may include, for example, selenium, sulfur, or mixtures thereof.
  • Chalcogen source 190 may be a solid.
  • the window member 126 covering the chalcogenide source 190 is positioned on the microporous body member 124, and the microporous body member 124 is disposed using the fixing member 128.
  • the window member 126 may be a structure in which at least one layer including at least one of copper (Cu), indium (In), and gallium (Ga) is formed.
  • the object 180 may be a structure in which a composite layer including a copper layer, an indium layer, and a gallium layer is formed on a substrate.
  • the copper layer, the indium layer, and the gallium layer may be formed by separate processes, respectively, and may be formed by separate sputtering.
  • the stacking order of the copper layer, the indium layer, and the gallium layer may be variously changed.
  • the object 180 may be a structure in which one copper-indium-gallium layer is positioned on the substrate.
  • Such a copper-indium-gallium layer can be formed by sputtering copper, indium and gallium on a substrate at the same time.
  • the layer forming unit 120 is charged into the chamber 110 (S40).
  • the case of forming the layer forming unit 120 in the chamber 110 is also included in the technical spirit of the present invention.
  • the inside of the chamber 110 is formed in a vacuum atmosphere using the vacuum forming unit 140 (S50).
  • an inert gas is supplied into the chamber 110 using the gas supply unit 150 to form an inert gas atmosphere in the chamber 110 (S60).
  • the vacuum forming unit 140 may be used to make the chamber 110 into a vacuum atmosphere, and the gas supply unit 150 may be used to supply an inert gas into the chamber 110.
  • the pressure in the chamber 110 may be variously changed, for example, the inside of the chamber 110 may be formed at about 1 atmosphere using the inert gas.
  • the chamber 110 is heated using the heating unit 130 (S70).
  • the layer forming part 120 is also heated by this heating.
  • the chalcogen source 190 in the layer forming unit 120 may be changed into a liquid phase.
  • the temperature gradient of the layer forming part 120 is minimized.
  • the temperature of the surface of the object 180 is uniformly heated.
  • the chalcogen source 190 changed into the liquid phase may be introduced into the micropores 129 of the microporous body member 124 as described with reference to FIG. 3. Subsequently, the chalcogenide changed into the liquid phase or the chalcogenide changed into the vapor phase may be applied to the surface of the object 180 through the micropores 129.
  • the chalcogenide material discharged from the chalcogen source 190 may form a chalcogen layer on the object 180.
  • the chalcogenide material discharged from the chalcogen source 190 may diffuse into the object 180 to perform a chalcogenation reaction with the material in the object 180 to form the chalcogenated object 180a.
  • the main heating step (S70) may be carried out, for example, at a temperature between 220 ° C and 680 ° C.
  • the present heating step S70 may be performed, for example, for a range of 1 second to 60 minutes.
  • the present heating step S70 may be performed for 1 to 20 minutes, for example, at a temperature between 400 ° C. and 500 ° C., for example, at a temperature of about 460 ° C. for about 10 minutes.
  • the present heating step (S70) may be performed for 10 seconds to 10 minutes, for example, at a temperature between 500 ° C. and 600 ° C. , For example, at a temperature of about 530 ° C. for about 1 minute.
  • heat treatment of the layers included in the object 180 may be simultaneously performed.
  • the object 180 when the object 180 is composed of a plurality of layers each including copper, indium, and gallium, one layer may be formed by being diffused into each other by heating.
  • the chalcogen source 190 when the chalcogen source 190 is selenium, the object 180 may generate a selenization reaction to form the selenized object 180a, thereby forming the CIGS layer as described above. Can be.
  • the chalcogen source 190 is sulfur
  • the object 180 may generate a sulfidation reaction to form a sulfided object 180a, thereby forming a CIGSS layer as described above.
  • the heating unit 130 is performed.
  • the heating from) is terminated and the object 180a is cooled (S80).
  • the object 180a may be cooled in the chamber 110, and in some cases, the heat provided from the heating unit 130 to the object 180a may be sequentially reduced.
  • the operation of the heating unit 130 may be controlled.
  • the chalcogenated object 180a may include, for example, a CIGS layer as described above or a CIGSS layer. In addition, the chalcogenated object 180a may be used as the light absorption layer 30 of FIG. 1.
  • the steps described with reference to FIGS. 6 to 11 may be performed as repeated cycles.
  • the object 180 in the first cycle, the object 180 may be selenized by performing the above steps using selenium as the chalcogen source 190.
  • the above steps may be performed using sulfur as the chalcogen source 190 to sulfide the object 180.
  • the technical concept of the present invention includes the case where the chalcogen source 190 uses the same material, for example, selenium, sulfur, or a mixture thereof, in both the first cycle and the second cycle.
  • the microporous body member 124 may include a microporous body element 124a, a first support element 124b, a second support element 124c, and a third support element 124d. have.
  • the microporous element 124a may comprise micropores through which the chalcogenide vaporized from the chalcogenide source 190 (see FIG. 2) passes. The micropores are as described with reference to FIG. 3.
  • the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d may perform the support function as described with reference to FIG. 2.
  • the microporous body element 124a, the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d are formed as a one-body structure to form the microporous member 124.
  • the microporous body element 124a, the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d may all be made of the same material, for example, fine It may be composed of graphite containing pores.
  • the first support element 124b, the second support element 124c, and the third support element 124d are covered with a material such as silicon carbide, and the microporous body element 124a is not covered with the material. Can be.
  • the microporous body member 224 may include a microporous body element 224a, a first support element 224b, a second support element 224c, and a third support element 224d. have.
  • the microporous body element 224a may comprise micropores through which the chalcogenide vaporized from the chalcogenide source 190 (see FIG. 2) passes.
  • the microporous body element 224a, the first support element 224b, the second support element 224c, and the third support element 224d are each formed as a separate structure, and the micropore is an assembly in which they are formed.
  • the sieve member 224 can be comprised.
  • the microporous element 224a may have a protrusion 225a and the second support element 224c may have a first groove 225c1 into which the protrusion 225a is inserted and engaged.
  • the second support element 224c includes the protrusion 225a
  • the microporous body element 224a includes the first groove 225c1 is also included in the technical concept of the present invention.
  • the second support element 224c may include a second groove 225c2 at the bottom thereof.
  • the lower support element 224b may be inserted into and be attached to the second groove 225c2.
  • the second support element 224c may include a third groove 225c3 thereon.
  • the upper support element 224d may be inserted into and coupled to the third groove 225c3.
  • the microporous element 224a comprises graphite comprising micropores
  • the first support element 224b, the second support element 224c, and the third support element 224d may comprise silicon carbide coated graphite.
  • Can be. Protrusions and grooves for binding of the components as described above may vary in various forms.
  • the microporous body member 324 may include the microporous body element 324a, the first support element 324b, the second support element 324c, and the third support element 324d. have.
  • the microporous body element 324a and the second support element 324c may be composed of a unitary structure.
  • the microporous body element 324a, the first support element 324b, and the third support element 324d are each formed as separate structures, and the microporous body member 324 is an assembly formed by assembling them.
  • the second support element 324c may include a second groove 325c2 at the bottom thereof.
  • the lower support element 324b may be inserted into and be attached to the second groove 325c2.
  • the second support element 324c may include a third groove 325c3 thereon.
  • An upper support element 324d may be inserted into and attached to the third groove 325c3.
  • the microporous element 224a and the second support element 324c may comprise graphite including micropores, and the first support element 224b and the third support element 224d may comprise silicon carbide coated graphite. have. Protrusions and grooves for binding of the components as described above may vary in various forms.
  • the microporous body member 424 may include a microporous body element 424a, a first support element 424b, a second support element 424c, and a third support element 424d. have.
  • the first support element 424b, the second support element 424c, and the third support element 424d may be composed of a unitary structure.
  • the microporous body element 424a and the unitary structure are each formed as separate structures, and the microporous body member 424 may be configured as an assembly in which they are formed by being assembled.
  • the microporous body element 424a may have a protrusion 425a and the second support element 424c may have a first groove 425c1 into which the protrusion 425a is inserted and engaged.
  • the second support element 424c includes the protrusion 425a and the microporous body element 424a includes the first groove 425c1.
  • the microporous body element 224a and the second support element 424c may comprise graphite including micropores, and the first support element 224b and the third support element 224d may include silicon carbide coated graphite. have. Protrusions and grooves for binding of the components as described above may vary in various forms.
  • 16 is a scanning electron micrograph showing a cross section of a CIGS layer formed according to a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a scanning electron micrograph showing the top surface of the CIGS layer formed according to the solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • a molybdenum (Mo) layer is formed on a glass substrate, and a CIGS layer is formed on the molybdenum layer.
  • the CIGS layer is the result after performing a heat treatment for about 20 minutes at about 460 °C.
  • a CIGS layer having poor characteristics is formed such that the surface is very rough, includes fine grains, and large voids are formed at the interface between the CIGS layer and the molybdenum (Mo) layer. It was common to be.
  • the CIGS layer prepared according to the present invention has a very flat surface and almost no voids at the interface between the CIGS layer and the molybdenum (Mo) layer, and it is confirmed that a CIGS layer having excellent properties such as coarse grains is formed. It was. These structural features were uniform throughout the CIGS layer.
  • the CIGS layer having a flat and uniform surface improves contact with the buffer layer 40 (see FIG. 1) or the upper electrode 50 (see FIG. 1) to be formed thereafter, thereby increasing layer coatability and reducing contact resistance. Etc. characteristics can be improved. In addition, since the emission from the inside of the incident solar light can be prevented or minimized, the efficiency of the solar cell can be increased.

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Abstract

본 발명은, 칼코겐화 반응성을 증가시켜 용이하여 광흡수층을 형성할 수 있는 태양 전지 제조 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 제조 장치는, 챔버; 챔버 내에 위치하고 대상체가 탑재되는 대상체 지지 부재; 및 대상체 지지 부재를 덮도록 위치하고, 칼코겐 소스가 탑재되고, 칼코겐 소스가 대상체에 도달하도록, 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재;를 포함한다.

Description

태양 전지 제조 장치 및 태양 전지 제조 방법
본 발명의 기술적 사상은 태양 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 칼코겐 물질을 포함하는 태양 전지를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
석유 자원의 고갈에 대비하기 위하여, 대체 에너지 자원 개발이 활발하게 이루어 지고 있고, 특히 태양 에너지 자원 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 태양 에너지 자원 개발은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 태양광 발전으로 주로 이루어 지고 있으며, 고효율의 태양 전지의 개발에 연구가 집중되고 있다.
태양 전지는 p-형 반도체 층과 n-형 반도체 층이 접합된 p-n 접합을 가지며, 상기 p-n 접합에 태양광이 도달하여 광기전력을 발생시켜 전기 에너지를 생성한다. 현재 1세대 태양 전지인 실리콘 반도체계 태양 전지가 주로 사용되고 있으나, 경박단소화, 경제성, 생산성, 제품 적용성 등을 이유로 2세대 태양 전지인 화합물 박막 태양 전지의 개발이 이루어 지고 있다.
화합물 박막 태양 전지에서의 광흡수층으로 사용되기 위한 물질로서 황동석(Chalcopyrite)계 화합물 반도체 물질이 있으며 예를 들어 CuInSe2 이 있다. 이러한 황동석계 화합물 반도체 물질은 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지고, 광흡수계수가 1×105 ㎝-1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1 ㎛ 내지 2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양 전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로서 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)으로, 셀레늄(Se)의 일부를 황(S)으로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다. 따라서, 구리-인듐-갈륨-셀레륨을 포함하는 사원 화합물을 CIGS로 지칭하고, 구리- 인듐-갈륨-셀레륨-황을 포함하는 물질을 CIGSS로 지칭하기도 한다.
그러나, 이러한 CIGS 또는 CIGSS는 다원 화합물이기 때문에, 이러한 물질을 사용한 광흡수층의 제조는 매우 어렵다. 또한, 특히 광흡수층의 제조 공정 중에 수행되는 셀렌화는 유독성과 부식성이 높은 H2Se가스를 사용하므로, 사용상 주의가 요구되며, 특수한 폐가스 처리장치 설치에 따른 추가비용이 발생하는 단점을 안고 있다. 또한, 셀레늄은, 증착이나 증발에 의한 셀레늄 층을 형성할 때에, 높은 분자량의 기체를 형성하는 경향이 크고, 챔버 내의 작은 온도 구배에도 불균일한 고상화가 빠르게 발생하므로, 광흡수층이 불균일한 셀레늄 농도 구배를 가질 수 있고, 이에 따라 칼코겐화 반응성이 저하되고 표면 거칠기가 큰 광츱수층을 형성시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 태양 전지의 효율을 감소시킬 우려가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 칼코겐화 반응성을 증가시켜 용이하여 광흡수층을 형성할 수 있는 태양 전지 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 칼코겐화 반응성을 증가시켜 용이하여 광흡수층을 형성할 수 있는 태양 전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치는, 챔버; 상기 챔버 내에 위치하고 대상체가 탑재되는 대상체 지지 부재; 및 상기 대상체 지지 부재를 덮도록 위치하고, 칼코겐 소스가 탑재되고, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 도달하도록, 상기 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재 상에 위치하고, 상기 칼코겐 소스가 외측으로 방출되는 것을 방지하는 윈도우 부재; 및 상기 미세 기공체 부재 상에 위치하고, 상기 윈도우 부재를 상기 미세 기공체 부재에 고정하는 고정 부재;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재는 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재는 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 흑연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공은 상기 칼코겐 소스로부터 액상화된 칼코겐 액체는 차단하고, 상기 칼코겐 소스로부터 기상화된 칼코겐 기체는 통과시키는 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공은, 하기의 식에 따른 반경을 가질 수 있다.
Figure PCTKR2013001244-appb-I000001
(여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.)
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재는, 미세 기공체 요소와 적어도 하나 이상의 지지요소들을 포함할 수 있고, 상기 미세 기공체 요소와 상기 적어도 하나 이상의 지지요소들은 일체형으로 구성되어 상기 미세 기공체 부재를 이룰 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재는, 미세 기공체 요소와 적어도 하나 이상의 지지요소들을 포함할 수 있고, 상기 미세 기공체 요소와 상기 적어도 하나 이상의 지지요소들은 별도의 구조체로 이루어져 서로 조립되어 형성되는 조립체로서 상기 미세 기공체 부재를 이룰 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 방법은, 미세 기공체 부재를 준비하는 단계; 상기 미세 기공체 부재를 사이에 두고, 대상체와 칼코겐 소스를 배치하는 단계; 상기 칼코겐 소스를 가열하는 단계; 상기 가열된 칼코겐 소스가 상기 미세 기공체 부재를 통과하는 단계; 및 상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계 이후에, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체와 칼코겐화 반응을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 칼코겐 소스는 셀레늄, 황, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 칼코겐 소스는 셀레늄과 황의 혼합물을 포함하고, 상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계 이후에, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체와 셀렌화 반응 및 황화 반응을 동시에 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대상체와 칼코겐 소스를 배치하는 단계와 상기 칼코겐 소스를 가열하는 단계 사이에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계를 수행하기 전에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 진공 분위기를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가열하는 단계는, 220℃ 내지 680℃ 사이의 온도로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 대상체는 구리, 인듐, 및 갈륨 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 장치 및 상기 장치를 이용한 태양 전지 제조 방법은, 미세 기공체를 통하여 칼코겐 물질을 칼코겐화 반응이 수행되는 대상체에 인입시킨다. 따라서, 칼코겐화 반응을 위하여 최적량의 칼코겐 소스를 사용할 수 있으므로, 칼코겐 물질 소모량을 최소화할 수 있다. 또한, 칼코겐 소스로서 H2Se, H2S와 같은 유독성 및 부식성 물질을 사용하지 않으므로 안정성과 장치 보호를 최대화 할 수 있다. 또한, 칼코겐 물질이 미세 기공체를 통하여 대상체에 직접적으로 공급되므로, 챔버 내의 오염을 최소화할 수 있고, 장비의 사용 시간을 최대화할 수 있고, 또는 장비 유지 및 보수 비용을 최소화할 수 있다. 이러한 효과는 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성한 태양 전지를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치에 포함되는 미세 기공체 부재의 기능을 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 태양 전지 제조 장치를 이용하여 수행한 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 태양 전지 제조 장치를 이용한 도 1의 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치에 포함되는 미세 기공체 부재의 일실시예들을 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 따라 형성된 CIGS층의 단면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 따라 형성된 CIGS층의 상면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치를 이용하여 형성한 태양 전지(1)를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지(1)는 기판(10) 상에 순차적으로 위치하는 하부 전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 및 상부 전극(50)을 포함한다. 상부 전극(50)의 일부 영역 상에 그리드 전극(70)이 위치할 수 있다. 또한, 선택적으로(optionally), 상부 전극(50) 상에 반사 방지층(60)이 위치할 수 있다.
예를 들어, 하부 전극(20)은 약 0.5 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 광흡수층(30)은 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 버퍼층(40)은 약 0.05 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 상부 전극(50)은 약 0.5 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 두께는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(10)은 유리 기판으로 구성될 수 있고, 예를 들어 소다회 유리(Sodalime glass) 기판으로 구성될 수 있다. 또한, 기판(10)은 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속 기판, 또는 폴리머 기판으로 구성될 수 있다. 또한, 기판(10)은 폴리이미드(polyimide)와 같은 유연성 있는 고분자 물질로 구성되거나 스테인레스 박판으로 구성될 수 있다.
하부 전극(20)은 기판(10) 상에 위치할 수 있다. 하부 전극(20)이 전극으로서 사용되기 위하여 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 기판(10)으로부터 박리되지 않도록 기판(10)에의 점착성이 우수하여야 한다. 하부 전극(20)은, 예를 들어 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다. 하부 전극(20)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 특히, 하부 전극(20)이 몰리브덴을 포함하는 경우에는, 몰리브덴의 높은 전기전도도, 광흡수층(30)에 대한 우수한 오믹 접합(Ohmic contact), 셀레늄(Se) 분위기 공정에서의 고온 안정성 등과 같은 우수한 특성을 가질 수 있다.
광흡수층(30)은 하부 전극(20)의 일부 영역 상에 위치할 수 있다. 광흡수층(30)이 위치하지 않는 하부 전극(20)의 노출 영역(22)은 외부로의 전기적 콘택을 제공할 수 있다. 광흡수층(30)은 태양 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 물질을 포함할 수 있고, p-형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 광흡수층(30)은, 예를 들어 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 광흡수층(30)은 칼코겐(chalcogen)계 물질을 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 셀레늄(Se), 황(S), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광흡수층(30)은 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)의 4원계 물질을 포함하거나 또는 구리-인듐-갈륨-셀레늄-황(CIGSS)의 5원계 물질을 포함할 수 있다. 광흡수층(30)의 제조 방법에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
버퍼층(40)은 광흡수층(30) 상에 위치할 수 있다. 버퍼층(40)은 광흡수층(30)과 상부 전극(50) 사이의 격자 상수 차이와 에너지 밴드갭 차이를 감소시켜 우수한 p-n 접합을 구현하는 기능을 수행할 수 있다. 경우에 따라서는, 버퍼층(40)은 생략될 수 있다. 버퍼층(40)은 n-형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 불순물을 도핑하여 저항값을 변화시킬 수 있고, 예를 들어 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 저항값을 낮출 수 있다. 버퍼층(40)은 황화카드뮴(CdS) 또는 인듐-셀레늄(InxSey)을 포함할 수 있다. 버퍼층(40)이 황화카드뮴(CdS)을 포함하는 경우에는, CBD(Chemical bath deposition) 방법을 이용하여 황화카드뮴(CdS) 막을 형성할 수 있다. 반면, 버퍼층(40)이 인듐-셀레늄을 포함하는 경우에는 황화카드뮴이 가지는 독성을 방지할 수 있고, 황화카드뮴의 형성을 위한 습식공정의 번거로움을 제거할 수 있다.
상부 전극(50)은 버퍼층(40) 상에 위치할 수 있다. 대안적으로, 상부 전극(50)은 광흡수층(30) 상에 위치할 수 있다. 상부 전극(50)은 n-형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 전극(50)은 광흡수층(30)과 직접 접촉하여 p-n 접합을 형성할 수 있다. 또는, 광흡수층(30)에 직접 접촉하는 버퍼층(40)과 함께, p-n 접합을 형성할 수 있다. 상부 전극(50)은 전기전도성이 우수함과 동시에 광투과율이 높은 것이 바람직하며, 투명 전극으로 지칭될 수 있다. 상부 전극(50)은 아연 산화물(ZnO), 인듐-주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 아연 산화물(ZnO)은 에너지 밴드갭이 약 3.3 eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한, 상부 전극(50)은 알루미늄(Al)이나 붕소(B) 등과 같은 불순물 원소를 도핑하여 약 10-4 ohm cm 이하의 낮은 비저항값을 가지게 할 수 있다. 특히, 상부 전극(50)에 붕소(B)를 도핑하는 경우에는, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락 전류를 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 상부 전극(50)이 아연 산화물(ZnO)로 구성되는 경우에는, 상부 전극(50)은 아연 산화물(ZnO) 타겟을 이용한 RF 스퍼터링 방법, 아연 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 또는 유기금속화학증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 상부 전극(50)은 복수의 층이 적층된 복합층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(50)은 아연 산화물(ZnO) 박막 상에 인듐-주석 산화물(ITO) 박막이 형성된 복합층으로 구성되거나, 진성 반도체 형의 아연 산화물(ZnO) 박막 상에 n-형 아연 산화물(ZnO) 박막이 형성된 복합층으로 구성될 수 있다. 이러한 복합 구조의 상부 전극(50)은 태양 전지(1)의 효율을 개선할 수 있다.
선택적으로, 반사 방지층(60)이 상부 전극(50) 상에 위치할 수 있다. 반사 방지층(60)은 입사되는 태양광의 반사 손실을 감소시킬 수 있고, 또한 내부에서 반사되어 추출되는 태양광을 내부로 재반사할 수 있고, 이에 따라 태양 전지(1)의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층(60)은 태양 전지의 효율을 약 1% 정도 증가시킬 수 있다. 반사 방지층(60)은, 예를 들어 불화마그네슘(MgF2 )을 포함할 수 있고, 예를 들어 전자빔 증발법을 이용하여 형성될 수 있다.
그리드 전극(70)은 상부 전극(50)의 일부 영역에 위치할 수 있고, 상부 전극(50)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리드 전극(70)은 하부 전극(20)과 짝을 이루어 태양 전지(1) 표면에서 전류를 수집할 수 있다. 그리드 전극(70)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있고, 단일층으로 구성되거나 또는 니켈/알루미늄(Ni/Al)과 같은 다층 구조로 구성될 수 있다. 그리드 전극(70)이 차지하는 영역은 불투명한 영역이므로 태양광이 태양 전지(1)의 내부로 흡수되지 않으며, 따라서 그리드 전극(70)의 차지하는 면적을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(100)의 단면도이다. 도 2에 도시된 태양 전지 제조 장치(100)를 구성하는 상기 구성요소들의 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 태양 전지 제조 장치(100)는 챔버(110), 층 형성부(120), 가열부(130), 진공 형성부(140), 및 가스 공급부(150)를 포함한다.
챔버(110)는 층 형성부(120)가 내부에 설치되는 공간을 제공할 수 있다. 챔버(110)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속, 강화 유리, 석영, 또는 흑연으로 구성될 수 있다. 챔버(110)가 강화 유리나 석영과 같은 투명한 물질로 구성되는 경우에는 급속 열처리가 용이하게 수행될 수 있다.
층 형성부(120)는 대상체 지지 부재(122), 미세 기공체 부재(124), 윈도우 부재(126), 및 고정 부재(128)를 포함한다.
대상체 지지 부재(122)에는 대상체(180)가 탑재될 수 있고, 대상체 지지 부재(122)는 대상체(180)를 지지할 수 있다. 대상체 지지 부재(122)는, 예를 들어 탄화규소 피복흑연을 포함하는 서셉터(Susceptor)로 구성될 수 있다. 대상체 지지 부재(122)는 가열부(130)의 열을 대상체(180)에 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
대상체(180)는 태양 전지 제조 장치(100)에 의하여 요구되는 층이 형성되는 구조체로서, 도 1의 기판(10)에 상응할 수 있거나, 또는 다양한 층들이 상기 기판 상에 형성된 구조체일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판 상에 구리, 인듐, 갈륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적어도 하나의 층이 형성된 구조체일 수 있다. 예를 들어, 대상체(180)는 기판 상에 구리층, 인듐층, 및 갈륨층으로 이루어진 복합층이 형성된 구조체일 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 몰리브덴 등으로 형성된 하부 전극(20, 도 1 참조)이 기판(10, 도 1 참조)의 직접적으로 상에 위치할 수 있다. 대안적으로, 대상체(180)는 기판 상에 하나의 구리-인듐-갈륨 층이 위치하는 구조체일 수 있다.
미세 기공체 부재(124)는 대상체(180)를 덮도록 위치할 수 있다. 또한, 미세 기공체 부재(124)와 대상체(180)가 접촉하지 않도록 이격 간격(G)을 가질 수 있다. 미세 기공체 부재(124)에는 칼코겐 소스(190)가 탑재될 수 있고, 미세 기공체 부재(124)는 칼코겐 소스(190)를 지지할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)는 그 내부에 복수의 미세 기공을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 흑연(graphite)를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공을 통하여 기상화된 칼코겐 소스(190)가 통과할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)를 통과한 칼코겐 소스(190)는 대상체(180) 상에 칼코겐 층을 형성하거나 또는 대상체(180) 내에 포함된 물질과 반응할 수 있다. 미세 기공체 부재(124)에 대하여는 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 미세 기공체 부재(124)는 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는, 자신의 하측에 대상체(180)를 위치시키고, 자신의 상측에 칼코겐 소스(190)를 위치시킬 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는 칼코겐 소스(190)로부터 기상화된 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 제1 지지요소(124b) 및 제2 지지요소(124c)는, 미세 기공체 부재(124)가 대상체(180)로부터 이격되어 위치하도록, 미세 기공체 부재(124)를 지지할 수 있다. 제3 지지요소(124d)는 칼코겐 소스(190)가 위치하는 공간을 제공할 수 있다. 제3 지지요소(124d)는, 미세 기공체 요소(124a)가 윈도우 부재(126)로부터 이격되도록, 윈도우 부재(126)를 지지할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 일체형 구조체(one-body structure)로서 형성되어 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다.
대안적으로, 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)가 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들의 조립에 의하여 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다. 이러한 경우에는, 미세 기공체 요소(124a)는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 이와 같은, 미세 기공체 부재(124)의 실시예들은 도 12 내지 도 15를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
미세 기공체 요소(124a)는 대상체(180)로부터 이격 간격(G)으로 이격되어 위치할 수 있다. 이격 간격(G)은, 예를 들어 약 0.5 mm 내지 약 3 mm 의 범위일 수 있고, 예를 들어 약 1 mm 일 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)의 두께(P)를 조절함에 따라, 미세 기공체 요소(124a)를 통과하는 칼코겐의 플럭스를 변경시킬 수 있다.
칼코겐 소스(190)는 칼코겐 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 셀레늄(Se), 황(S), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 칼코겐 소스(190)는 상온에서는 고상일 수 있으며, 가열부(130)에 의한 가열에 의하여 액상 또는 기상으로 변화할 수 있다. 칼코겐 소스(190)의 두께(S)를 조절함에 따라, 대상체(180)로의 칼로겐 인입량을 변경할 수 있다.
윈도우 부재(126)는 미세 기공체 부재(124)의 상측에 위치할 수 있고, 미세 기공체 부재(124)의 제3 지지요소(124d)에 의하여 지지될 수 있다. 윈도우 부재(126)는 석영, 강화 유리, 또는 사파이어 등으로 구성될 수 있다. 윈도우 부재(126)는 가열부(130)에서 방출되는 열을 칼코겐 소스(190)에 용이하게 전달되는 기능을 가질 수 있고, 또한 액상화 또는 기상화된 칼코겐 소스(190)가 층 형성부(120)의 외측으로 방출되는 것을 방지하는 기능을 가질 수 있다.
고정 부재(128)는 미세 기공체 부재(124) 상에 위치하고, 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126)를 서로 고정시킬 수 있다. 또한, 고정 부재(128)는 미세 기공체 부재(124)와 대상체 지지 부재(122)를 서로 고정시킬 수 있다. 고정 부재(128)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다.
가열부(130)는 챔버(110)의 외측에 위치할 수 있고, 챔버(110) 및 층 형성부(120)를 가열할 수 있다. 이에 따라, 가열부(130)는 칼코겐 소스(190)를 가열하여 액상화하거나 또는 기상화할 수 있다. 가열부(130)는 챔버(110)의 상측에 위치하는 상부 가열부(132)와 챔버(110)의 하측에 위치하는 하부 가열부(134)를 포함할 수 있고, 가열 온도를 보다 균일하게 유지하기 위하여, 챔버(110)의 측부에 위치하는 측부 가열부(136)를 더 포함할 수 있다. 가열부(130)는 열선 또는 적외선 램프로 구성될 수 있다. 가열부(130)가 적외선 램프로 구성되는 경우에는, 챔버(110)를 급속하게 가열 또는 냉각할 수 있고, 이에 따라 대상체(180)의 급속 열처리를 수행할 수 있다. 특히, 챔버(110)가 강화 유리나 석영과 같은 투명한 물질로 구성되는 경우에는 이러한 급속 열처리가 용이하게 수행될 수 있다. 대상체(180)에 온도 분포를 최소화하기 위하여, 상부 가열부(132)와 하부 가열부(134)의 갯수 또는 파워는 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상부 가열부(132)로부터 발생한 열은 대상체(180)로 전달되기 위하여 윈도우 부재(126), 칼코겐 소스(190), 및 미세 기공체 부재(124)를 통과하여야 하므로, 상부 가열부(132)는 하부 가열부(134)에 비하여 많은 갯수를 가지거나 또는 더 큰 파워를 가질 수 있다.
진공 형성부(140)는 챔버(110)와 연결되고, 챔버(110) 내를 진공으로 형성할 수 있고, 예를 들어 진공 펌프로 구성될 수 있다. 진공 형성부(140)는 태양 전지 제조 장치(100)의 선택적 구성요소로서 생략될 수 있다.
가스 공급부(150)는 챔버(110)와 연결되고, 진공이 된 챔버(110) 내에 헬륨, 아르곤, 질소과 같은 불활성 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급부(150)는 예를 들어 챔버(110) 내의 압력이 원하는 기압이 되도록, 예를 들어 약 1 기압이 되도록, 상기 불활성 가스를 챔버(110)로 공급할 수 있다. 가스 공급부(150)는 태양 전지 제조 장치(100)의 선택적 구성요소로서 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(100)에 포함되는 미세 기공체 부재(124)의 기능을 설명하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 미세 기공체 부재(124)는 복수의 미세 기공(129)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 미세 기공체 부재(124)는 흑연으로 형성될 수 있고, 예를 들어 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연으로 형성될 수 있다. 또는, 예를 들어 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 가지는 흑연으로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 밀도와 기공도는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
미세 기공(129)은 액상화 또는 기상화된 칼코겐 소스(190)가 통과하는 크기를 가질 수 있다. 미세 기공(129)의 크기는 다양하게 변화할 수 있고, 예를 들어 수 십 nm 내지 수 십 ㎛ 의 범위를 가질 수 있다. 또한, 미세 기공(129)의 크기는, 예를 들어 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)로부터 산출될 수 있다. 이러한 미세 기공(129)은 미세 기공체 부재(124)를 구성하는 물질의 결정립계를 따라서 형성될 수 있다.
이하에서는, 미세 기공(129)이 칼코겐 액체(192)는 통과시키지 않고, 칼코겐 기체(194)는 통과시키는 경우에 대하여 설명하기로 한다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되지 않으며, 칼코겐 액체(192)가 미세 기공(129)을 통과하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 2의 가열부(130)에 의하여 칼코겐 소스(190)가 가열되면, 칼코겐 소스(190)는 칼코겐 액체(192)로 변화될 수 있다. 예를 들어 칼코겐 소스(190)가 셀레늄으로 구성되는 경우에는, 가열부(130)는 셀레늄의 녹는점인 220℃ 이상 셀레늄의 끓는점인 685℃ 사이의 온도로 칼코겐 소스(190)를 가열할 수 있다. 칼코겐 액체(192)는 미세 기공체 부재(124) 내의 미세 기공(129) 내로 인입될 수 있다. 그러나, 미세 기공(129)은 칼코겐 액체(192)을 통과시키지 않고, 칼코겐 액체(192)로부터 배출되는 칼코겐 기체(194)를 통과시키는 크기를 가질 수 있다. 미세 기공(129)의 반경은 기공률 원리에 의하여 구할 수 있으며, 예를 들어, 수학식 1과 같을 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013001244-appb-M000001
여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.
미세 기공(129)을 통과한 칼코겐 기체(194)는 대상체(180)에 접촉할 수 있고, 대상체(180) 상에 층을 형성하거나 또는 대상체(180) 내부로 확산될 수 있다.
칼코겐 소스(190)가 셀레늄인 경우, 셀레늄은 단원자 기체가 아닌 2원자 기체(Se2), 4원자 기체(Se4), 6원자 기체(Se6) 또는 8원자 기체(Se8)와 같이 다원자 기체를 구성하는 경향이 강하여, 반응성이 낮을 뿐만이니라, 높은 분자량으로 인하여 확산이 활발하게 일어나지 않으므로, 이에 따라 균일한 층을 형성하기 어려운 한계가 있다. 특히 대면적 태양 전지 모듈의 제조에 적용하기 거의 불가능한 한계가 있었다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 태양 전지 제조 방법은 미세 기공체 부재(124)를 사용함으로써, 상기 칼코겐 기체가 높은 분자량의 기체를 형성하는 경향을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 칼코겐 기체의 반응성을 증가시킬 수 있다. 또한, 미세 기공체 부재(124) 내의 미세 기공(129)을 통하여 칼코겐 물질을 대상체(180)에 공급하므로, 대상체(180)에 전체적으로 균일하게 상기 칼코겐 물질을 제공할 수 있다. 또한, 대상체(180)와 미세 기공체 부재(124) 사이의 이격 간격(G, 도 2 참조)은 셀레늄을 균일하게 도포할 수 있는 중요한 요소이며, 작을수록 유리하며, 약 1 mm일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 태양 전지(1)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 미세 기공체 부재를 준비하는 단계(S1), 상기 미세 기공체 부재를 사이에 두고, 대상체와 칼코겐 소스를 배치하는 단계(S2), 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계(S3), 상기 칼코겐 소스를 가열하는 단계(S4), 상기 가열된 칼코겐 소스가 상기 미세 기공체 부재를 통과하는 단계(S5), 상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계(S6) 및 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체와 칼코겐화 반응을 수행하는 단계(S7)을 포함한다.
여기에서, 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계(S3)를 수행하기 전에 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 진공 분위기를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 대상체(180, 도 2 참조)가 구리, 인듐, 및 갈륨을 포함하고, 상기 칼코겐 소스(190, 도 2 참조)가 셀레늄을 포함하는 경우에는, 상기 칼코겐 소스는 상기 대상체와 셀렌화 반응을 일으킬 수 있고, 이에 따라 CIGS(Copper-Indium-Gallium-Selenium)층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 대상체가 CIGS층을 포함하고, 상기 칼코겐 소스가 황을 포함하는 경우에는, 상기 칼코겐 소스는 상기 대상체와 황화 반응을 일으킬 수 있고, 이에 따라 CIGSS(Copper-Indium-Gallium-Selenium-Sulfur)층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 칼코겐 소스가 셀레늄과 황의 혼합물을 포함하고, 상기 칼로겐 소스가 상기 대상체와 셀렌화 반응 및 황화 반응을 동시에 일으키는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 이와 같이 칼코겐화 반응이 일어난 대상체는 도 1의 광흡수층(30)으로서 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 태양 전지 제조 장치(100)를 이용하여 수행한 도 1의 태양 전지(1)를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 도 6 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 태양 전지 제조 장치(100)를 이용한 도 1의 태양 전지(1)의 제조 방법을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 미세 기공체 부재(124) 상에 칼코겐 소스(190)를 탑재시킨다(S10). 칼코겐 소스(190)는 칼코겐 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 셀레늄, 황 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 칼코겐 소스(190)는 고체일 수 있다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 미세 기공체 부재(124) 상에 칼코겐 소스(190)를 덮는 윈도우 부재(126)를 위치시키고, 고정 부재(128)를 이용하여 미세 기공체 부재(124)와 윈도우 부재(126)를 서로, 또는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적어도 하나의 층이 형성된 구조체일 수 있다. 대상체(180)는 기판 상에 구리층, 인듐층, 및 갈륨층으로 이루어진 복합층이 형성된 구조체일 수 있다. 이러한 구리층, 인듐층, 및 갈륨층은 각각 별개의 공정으로 형성될 수 있고, 별도의 스퍼터링으로 형성될 수 있다. 또한, 구리층, 인듐층, 및 갈륨층의 적층 순서는 다양하게 변화될 수 있다. 대안적으로, 대상체(180)은 기판 상에 하나의 구리-인듐-갈륨 층이 위치하는 구조체일 수 있다. 이러한 구리-인듐-갈륨 층은 동시에 구리, 인듐 및 갈륨을 기판 상에 스퍼터링하여 형성될 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 단계들의 순서는 예시적이며, 다른 순서로 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 5 및 도 9를 참조하면, 층 형성부(120)를 챔버(110) 내에 장입한다(S40). 대안적으로, 챔버(110) 내에서 층 형성부(120)를 형성하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 이어서, 진공 형성부(140)를 이용하여 챔버(110) 내를 진공 분위기로 형성한다(S50). 이어서, 가스 공급부(150)를 이용하여 챔버(110) 내에 불활성 가스를 공급하여, 챔버(110) 내에 불활성 가스 분위기를 형성한다(S60). 대안적으로, 진공 형성부(140)를 이용하여 챔버(110) 내를 진공 분위기로 함과 동시에, 가스 공급부(150)를 이용하여 챔버(110) 내에 불활성 기체를 공급할 수 있다. 챔버(110) 내의 압력은 다양하게 변화시킬 수 있고, 예를 들어 상기 불활성 가스를 이용하여 챔버(110) 내를 약 1 기압으로 형성할 수 있다.
도 5 및 도 10을 참조하면, 가열부(130)를 이용하여 챔버(110)를 가열한다(S70). 이러한 가열에 의하여 층 형성부(120)도 가열된다. 또한, 층 형성부(120) 내의 칼코겐 소스(190)는 액상으로 변화될 수 있다. 여기에서, 층 형성부(120)의 온도 구배가 최소화되는 것이 바람직하다. 또한, 대상체(180)의 표면의 온도가 균일하게 가열되는 것이 바람직하다. 액상으로 변화된 칼코겐 소스(190)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 미세 기공체 부재(124)의 미세 기공(129) 내에 인입될 수 있다. 이어서, 액상으로 변화된 칼코겐 물질 또는 기상으로 변화된 칼코겐 물질은 미세 기공(129)을 통과하여 대상체(180)의 표면에 도포될 수 있다. 이어서, 칼코겐 소스(190)로부터 배출된 칼코겐 물질은 대상체(180) 상에 칼코겐 층을 형성할 수 있다. 또는, 칼코겐 소스(190)로부터 배출된 칼코겐 물질이 대상체(180) 내로 확산하여 대상체(180) 내의 물질과 칼코겐화 반응을 수행하여 칼코겐화된 대상체(180a)를 형성할 수 있다.
본 가열 단계(S70)는, 예를 들어 220℃ 내지 680℃ 사이의 온도로 수행될 수 있다. 또한, 본 가열 단계(S70)는, 예를 들어 1초 내지 60분 범위 동안 수행할 수 있다. 예를 들어, 칼코겐 소스(190)가 셀레늄인 경우에는, 본 가열 단계(S70)는, 예를 들어 400℃ 내지 500℃ 사이의 온도에서 1분 내지 20분 범위 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 약 460℃의 온도에서 약 10분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 칼코겐 소스(190)가 황(S)인 경우에는, 본 가열 단계(S70)는, 예를 들어 500℃ 내지 600℃ 사이의 온도에서 10초 내지 10분 범위 동안 수행될 수 있고, 예를 들어 약 530℃의 온도에서 약 1분 동안 수행될 수 있다.
본 가열 단계(S70)에 의하여, 대상체(180) 내에 포함된 층들의 열처리가 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 대상체(180)가 구리, 인듐, 및 갈륨을 각각 포함하는 복수층으로 구성된 경우에, 가열에 의하여 서로 확산됨으로서 하나의 층을 형성될 수 있다. 또한, 상기 칼코겐 소스(190)가 셀레늄인 경우에는, 대상체(180)는 셀렌화 반응이 발생되어 셀렌화된 대상체(180a)를 형성할 수 있고, 이에 따라 상술한 바와 같은 CIGS층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 칼코겐 소스(190)가 황인 경우에는, 대상체(180)는 황화 반응이 발생되어 황화된 대상체(180a)를 형성할 수 있고, 이에 따라 상술한 바와 같은 CIGSS층이 형성될 수 있다
도 5 및 도 11을 참조하면, 칼코겐 소스(190)가 완전히 고갈되거나, 대상체(180)가 원하는 정도의 칼코겐화 반응이 발생되어 칼코겐화된 대상체(180a)를 형성한 후에, 가열부(130)로부터의 가열을 종료하고, 대상체(180a)를 냉각한다(S80). 대상체(180a)의 열충격을 최소화하기 위하여, 대상체(180a)를 챔버(110) 내에서 냉각할 수 있고, 경우에 따라서는 가열부(130)로부터 대상체(180a)로 제공되는 열이 순차적으로 감소하도록, 가열부(130)의 동작을 제어할 수 있다.
칼코겐화된 대상체(180a)는, 예를 들어 상술한 바와 같은 CIGS층을 포함하거나 또는 CIGSS층을 포함할 수 있다. 또한, 칼코겐화된 대상체(180a)는 도 1의 광흡수층(30)으로서 사용될 수 있다.
도 6 내지 도 11을 참조하여 설명한 단계들은 반복되는 싸이클로서 수행할 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 싸이클에서는 칼코겐 소스(190)로서 셀레늄을 사용하여 상기 단계들을 수행하여 대상체(180)를 셀렌화 처리할 수 있다. 이어서, 두 번째 싸이클에서는 칼코겐 소스(190)로서 황을 사용하여 상기 단계들을 수행하여 대상체(180)를 황화 처리할 수 있다. 또는, 첫 번째 싸이클과 두 번째 싸이클 모두에서 칼코겐 소스(190)를 동일한 물질, 예를 들어 셀레늄, 황, 이들의 혼합물을 이용하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 장치(100)에 포함되는 미세 기공체 부재의 일실시예들을 도시한다.
도 12를 참조하면, 미세 기공체 부재(124)는 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a)는 칼코겐 소스(190, 도 2 참조)로부터 기상화된 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 상기 미세 기공은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다. 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 지지 기능을 수행할 수 있다. 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 일체형 구조체(one-body structure)로서 형성되어 미세 기공체 부재(124)를 구성할 수 있다. 이러한 경우에는, 미세 기공체 요소(124a), 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)는 모두 동일한 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 미세 기공을 포함하는 흑연으로 구성될 수 있다. 또한, 제1 지지요소(124b), 제2 지지요소(124c), 및 제3 지지요소(124d)가 탄화 규소와 같은 물질로 피복되고, 미세 기공체 요소(124a)는 상기 물질로 피복되지 않을 수 있다.
도 13을 참조하면, 미세 기공체 부재(224)는 미세 기공체 요소(224a), 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)는 칼코겐 소스(190, 도 2 참조)로부터 기상화된 칼코겐 물질이 통과하는 미세 기공을 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(224a), 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(224)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 미세 기공체 요소(224a)는 돌출부(225a)를 가지고, 제2 지지요소(224c)는 돌출부(225a)가 삽입되어 결착되는 제1 홈(225c1)을 가질 수 있다. 제2 지지요소(224c)가 돌출부(225a)를 포함하고, 미세 기공체 요소(224a)가 제1 홈(225c1)을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 제2 지지요소(224c)는 하부에 제2 홈(225c2)을 포함할 수 있다. 제2 홈(225c2)에는 하측 지지요소(224b)가 삽입되어 결착될 수 있다. 제2 지지요소(224c)는 상부에 제3 홈(225c3)을 포함할 수 있다. 제3 홈(225c3)에는 상측 지지요소(224d)가 삽입되어 결착될 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b), 제2 지지요소(224c), 및 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 14를 참조하면, 미세 기공체 부재(324)는 미세 기공체 요소(324a), 제1 지지요소(324b), 제2 지지요소(324c), 및 제3 지지요소(324d)를 포함할 수 있다. 미세 기공체 요소(324a)와 제2 지지요소(324c)는 일체형 구조체로 구성될 수 있다. 반면, 미세 기공체 요소(324a), 제1 지지요소(324b), 및 제3 지지요소(324d)는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(324)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 제2 지지요소(324c)는 하부에 제2 홈(325c2)을 포함할 수 있다. 제2 홈(325c2)에는 하측 지지요소(324b)가 삽입되어 결착될 수 있다. 제2 지지요소(324c)는 상부에 제3 홈(325c3)을 포함할 수 있다. 제3 홈(325c3)에는 상측 지지요소(324d)가 삽입되어 결착될 수 있다. 미세 기공체 요소(224a)와 제2 지지요소(324c)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b)와 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 15를 참조하면, 미세 기공체 부재(424)는 미세 기공체 요소(424a), 제1 지지요소(424b), 제2 지지요소(424c), 및 제3 지지요소(424d)를 포함할 수 있다. 제1 지지요소(424b), 제2 지지요소(424c), 및 제3 지지요소(424d)는 일체형 구조체로 구성될 수 있다. 반면, 미세 기공체 요소(424a)와 상기 일체형 구조체는 각각 별도의 구조체로서 형성되고, 이들이 조립되어 형성되는 조립체로서 미세 기공체 부재(424)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 미세 기공체 요소(424a)는 돌출부(425a)를 가지고, 제2 지지요소(424c)는 돌출부(425a)가 삽입되어 결착되는 제1 홈(425c1)을 가질 수 있다. 제2 지지요소(424c)가 돌출부(425a)를 포함하고, 미세 기공체 요소(424a)가 제1 홈(425c1)을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 미세 기공체 요소(224a)와 제2 지지요소(424c)는 미세 기공을 포함하는 흑연을 포함하고, 제1 지지요소(224b)와 제3 지지요소(224d)는 탄화규소 피복흑연을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같은 구성요소들의 결착을 위한 돌출부와 홈들은 다양한 형태로 변화할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 따라 형성된 CIGS층의 단면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 따라 형성된 CIGS층의 상면을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
도 16과 도 17을 참조하면, 유리(glass) 기판 상에 몰리브덴(Mo) 층을 형성하고, 상기 몰리브덴 층 상에 형성된 CIGS층을 나타낸다. 상기 CIGS층은 약 460℃에서 20분간 열처리를 수행한 후의 결과이다.
종래의 방법에 의하여 CIGS층을 형성하는 경우에는, 표면이 매우 거칠고, 미세 결정립들을 포함하고, CIGS층과 몰리브덴(Mo) 층 사이의 계면에 큰 보이드들이 형성되는 등 열악한 특성을 가지는 CIGS층이 형성되는 것이 일반적이었다.
그러나, 본 발명에 따라 제조된 CIGS층은 매우 평평한 표면을 가지고 CIGS층과 몰리브덴(Mo) 층 사이의 계면에 보이드가 거의 없으며, 조대한 결정립을 포함하는 등 우수한 특성을 가지는 CIGS층이 형성됨을 확인하였다. 이러한 구조상의 특징들은 CIGS층 전체적으로 균일하게 나타났다.
표면이 평평하고 균일한 CIGS층은 이후 형성되는 버퍼층(40, 도 1 참조)이나 상부 전극(50, 도 1 참조)과의 접촉성을 개선하여, 층 도포성을 증가시키고 및 접촉 저항을 감소시키는 등 특성을 개선할 수 있다. 또한, 입사된 태양 광의 내부로부터의 방출을 방지하거나 최소화할 수 있으므로, 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내에 위치하고 대상체가 탑재되는 대상체 지지 부재; 및
    상기 대상체 지지 부재를 덮도록 위치하고, 칼코겐 소스가 탑재되고, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 도달하도록, 상기 칼코겐 소스가 통과하는 크기를 가지는 미세 기공을 포함하는 미세 기공체 부재;
    를 포함하는 태양 전지 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재 상에 위치하고, 상기 칼코겐 소스가 외측으로 방출되는 것을 방지하는 윈도우 부재; 및
    상기 미세 기공체 부재 상에 위치하고, 상기 윈도우 부재를 상기 미세 기공체 부재에 고정하는 고정 부재;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재는 1.75 g/cm3 내지 1.86 g/cm3 범위의 밀도를 가지는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재는 6% 내지 11% 범위의 기공도(porosity)를 가지는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공은 상기 칼코겐 소스로부터 액상화된 칼코겐 액체는 차단하고, 상기 칼코겐 소스로부터 기상화된 칼코겐 기체는 통과시키는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공은, 하기의 식에 따른 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
    Figure PCTKR2013001244-appb-I000002
    (여기에서, R은 미세 기공의 반경, γLV는 칼코겐 액체의 표면장력, θ는 칼코겐 액체의 접촉각, P는 압력을 의미한다.)
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재는, 미세 기공체 요소와 적어도 하나 이상의 지지요소들을 포함하고,
    상기 미세 기공체 요소와 상기 적어도 하나 이상의 지지요소들은 일체형으로 구성되어 상기 미세 기공체 부재를 이루는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재는, 미세 기공체 요소와 적어도 하나 이상의 지지요소들을 포함하고,
    상기 미세 기공체 요소와 상기 적어도 하나 이상의 지지요소들은 별도의 구조체로 이루어져 서로 조립되어 형성되는 조립체로서 상기 미세 기공체 부재를 이루는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 장치.
  9. 미세 기공체 부재를 준비하는 단계;
    상기 미세 기공체 부재를 사이에 두고, 대상체와 칼코겐 소스를 배치하는 단계;
    상기 칼코겐 소스를 가열하는 단계;
    상기 가열된 칼코겐 소스가 상기 미세 기공체 부재를 통과하는 단계; 및
    상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계;
    를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계 이후에, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체와 칼코겐화 반응을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 칼코겐 소스는 셀레늄, 황, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 칼코겐 소스는 셀레늄과 황의 혼합물을 포함하고,
    상기 미세 기공체 부재를 통과한 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체에 접촉하는 단계 이후에, 상기 칼코겐 소스가 상기 대상체와 셀렌화 반응 및 황화 반응을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 대상체와 칼코겐 소스를 배치하는 단계와 상기 칼코겐 소스를 가열하는 단계 사이에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 불활성 가스 분위기를 형성하는 단계를 수행하기 전에, 상기 대상체와 상기 칼코겐 소스에 대하여 진공 분위기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는, 220℃ 내지 680℃ 사이의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 대상체는 구리, 인듐, 및 갈륨 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
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