KR101237466B1 - 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 관한 것으로서, 유독성을 가진 셀렌화수소(H2Se) 대신 독성이 적은 고체 셀레늄을 이용한 셀레늄 증기를 가열된 불활성 기체와 함께 주입하여 넓은 면적에서도 균일한 흡수층을 제조할 수 있도록 하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 있어서, 기판을 셀렌화시키기 위하여 내부에 삽입 가능한 셀렌화 챔버; 및 셀레늄 증기와 불활성 기체를 각각 가열하여 셀렌화 챔버로 주입하는 소스 제조기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 있어서, 기판을 셀렌화시키기 위하여 내부에 삽입 가능한 셀렌화 챔버; 및 셀레늄 증기와 불활성 기체를 각각 가열하여 셀렌화 챔버로 주입하는 소스 제조기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CIS계 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위하여 고체 셀레늄(Selenium)을 가열하여 만든 증기에 불활성 기체를 함께 주입하여 넓은 면적의 CIS계 광흡수층을 균일하게 제조하기 위한 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 관한 것이다.
칼코피라이트(chalcopyrite) 구조의 구리인듐셀렌(CuInSe2; CIS) 화합물은 직접 천이형 반도체로서 높은 광흡수 계수(1×105cm-1)와 밴드갭 조절의 용이성 및 열적 안정성 등으로 인해 고효율 박막태양전지용 흡수층과 적외선영역의 광검출기 재료로 주목받고 있다.
특히, CIS계(CuX(InGaAl)1-X(SeS)2)에 속하는 Cu(InGa)Se2 (CIGS) 태양전지의 경우, 박막태양전지 중 세계 최고 효율인 20.1%를 달성한바 있으며, 이는 기존 다결정 웨이퍼형 실리콘 태양전지의 효율에 근접하는 수치이다.
현재까지 연구되고 있는 CIS계 태양전지의 흡수층 제작방법은 동시증착(co-evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 전착(electro-deposition)법, 유기금속 기상성장법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)법 등이 있고, 상용화가 추진 중인 제작방법은 동시증착법과 스퍼터링법이다. 이중 스퍼터링법은 비교적 장치가 간단하고 손쉽게 금속 또는 절연체를 대면적으로 증착할 수 있어 제품을 생산하는 장치로 폭넓게 활용되고 있으며, 많은 박막태양전지 기업에서 Cu-III족의 금속을 스퍼터링 증착 후 셀렌화를 통해 CIS계 흡수층 박막을 제조하고 있다.
통상적으로 CIGS 박막은 몰리브덴(molybdenum; Mo) 배면전극이 증착된 유리기판 위에 Cu/In/Ga 금속을 스퍼터링 장비를 이용하여 증착하고 셀레늄(Se) 기체 분위기에서 열을 가하여(열처리) 흡수층을 제조한다.
Mo 배면전극 위에 증착된 금속을 Se 분위기에서 열처리하는 공정을 셀렌화(selenization)이라 하며, 일반적으로 대면적의 셀렌화 공정에는 Se 공급 유량 조절이 용이하고 반응성이 좋은 H2Se 기체가 사용되지만, H2Se 기체는 독성이 강할 뿐만 아니라 사용상 가스 누출을 막는 안전장치 등의 추가 장비가 필요하다.
이러한, 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치 및 그 제조방법에 대해서는 대한민국등록특허 제 10-0922890호(발명의 명칭 : CIGS 광흡수층 제조방법 및 CIGS 광흡수층을 포함하는 태양전지)(이하 종래기술)외에 다수 출원 및 등록되어있다.
상기 종래기술은 화합물 박막 태양전지의 광흡수층의 제조방법에 있어서, 기판의 상부에 구리갈륨(CuGa) 및 셀레나이드 화합물의 제 1혼합층과 구리인듐(CuIn) 및 셀레나이드 화합물의 제 2혼합층을 적층하여 전구체를 형성하는 단계; 및 상기 전구체를 열처리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 혼합 금속 및 셀레나이드 화합물을 함께 사용하여 전구체를 형성함으로써, 셀렌화 공정에서 기판과의 접착 문제를 유발하지 않고 CIGS 광흡수층을 형성하는 효과가 있었다.
다만, 고체 셀레늄으로부터 셀레늄 증기를 발생시켜 셀렌화하는 방법은 진공 챔버(chamber)에서 이루어지는 공정으로 안전한 공정이지만 넓은 면적의 흡수층 제조에는 균일도가 떨어져 부적합하여 소면적의 CIS계 흡수층 박막 제조에만 적합한 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 유독성을 가진 셀렌화수소(H2Se) 대신 독성이 적은 고체 셀레늄을 이용한 셀레늄 증기를 가열된 불활성 기체와 함께 주입하여 넓은 면적에서도 균일한 흡수층을 제조할 수 있도록 하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 있어서, 기판을 셀렌화시키기 위하여 내부에 삽입 가능한 셀렌화 챔버; 및 셀레늄 증기와 불활성 기체를 각각 가열하여 셀렌화 챔버로 주입하는 소스 제조기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 소스 제조기는, 셀레늄을 저장하고 가열하기 위한 도가니; 상기 도가니를 둘러싸고 가열시키기 위한 도가니 가열부; 불활성 기체를 셀렌화 챔버로 전송시키기 위한 기체통로; 상기 기체통로를 통과하는 불활성 기체를 가열하기 위한 기체 가열부; 및 상기 도가니 가열부와 상기 기체 가열부를 둘러싸고 냉각시키기 위한 냉각부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, 상기 소스 제조기는 도가니 가열부와 기체 가열부 사이에 단열제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 광흡수층을 형성하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조방법에 있어서, 상기 셀렌화 공정은 불활성 기체와 셀레늄 증기를 혼합하여 광흡수층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 불활성 기체는, 수소, 헬륨, 아르곤 또는 질소 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게, 상기 불활성 기체는 셀레늄 증기보다 더 온도가 높은 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 유독성을 가진 셀렌화수소(H2Se) 대신 독성이 적은 고체 셀레늄을 이용하여 셀레늄 증기를 가열된 불활성 기체와 함께 주입하여 안전장치에 관한 별도의 공정 및 장치가 불필요하며, 넓은 면적에서도 균일한 흡수층을 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치의 정면도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치의 측면도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 소스제조기의 개략도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 소스제조기의 단면도.
도 5 은 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조방법의 흐름도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치의 측면도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 소스제조기의 개략도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 소스제조기의 단면도.
도 5 은 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조방법의 흐름도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치(100)(이하 광흡수층 제조장치) 및 그 제조방법에 관하여 도 1 내지 도 5 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치(100)의 정면도로서, 도시된 바와 같이 CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판(10) 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 광흡수층 제조장치(100)는 셀렌화 챔버(110), 소스 제조기(120)를 포함한다.
참고로, 본 발명에서의 기판(10)은 태양전지의 제작을 위하여 셀렌화를 시키고자하는 일반적인 기판뿐만 아니라 기판위에 배면전극을 형성시킨 기판과 기판위에 금속층을 형성한 기판 등 셀렌화 시키고자 하는 모든 종류의 기판을 말한다.
따라서, 상기 기판(10)은 유리기판, 세라믹 기판 또는 금속기판 등일 수 있다. 또한 기판위에 형성되는 배면전극은 몰리브덴(Mo)이 쓰일 수 있고, 배면전극 위에 증착되는 금속은 구리(Cu)-인듐(In) 또는 구리(Cu)-갈륨(Ga) 또는 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga) 또는 구리(Cu)-인듐(In)-셀레늄(Se) 또는 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)이 쓰일 수 있고, 불활성 기체는 수소, 질소 또는 아르곤 기체 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 셀렌화 챔버(110)는 도 2 에 도시된 바와 같이 중앙에 셀렌화시키고자 하는 기판(10)을 위치시킬 수 있도록 하고, 셀레늄 증기와 불활성 기체를 유출입 시키기 위한 유입구 및 유출구가 상단과 하단에 설치될 수 있다. 유입구는 소스제조기와 연결되어 소스 제조기(120)로부터 불활성 기체와 셀레늄 증기를 제공받는다. 또한, 유출구에는 기체의 유출량을 조절할 수 있는 펌프전면 밸브(113)(예를 들어 throttle valve)가 형성될 수 있다. 그리고, 기판 가열용 히터(111)가 상기 삽입된 기판(10)을 가열하기 위하여 기판(10)과 평행하게 형성된다. 이때, 기판위에 형성된 배면전극 또는 금속의 종류 및 조성 비율에 따라 달라질 수 있으나 주로 400 내지 600 도씨의 열을 급속하게 가하는 것이 바람직하다. 급속가열은 공정시간을 단축하여 CIS계 박막 태양전지 생산성을 향상 시킬 수 있다.
상기 소스 제조기(120)는 셀렌화 챔버(110)와 연결되어 셀렌화 챔버(110)에 셀레늄 증기와 불활성 기체의 온도를 조절하여 셀렌화 챔버(110)로 주입한다. 또한, 상기 소스 제조기(120)는 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이 도가니(121), 도가니 가열부(122), 기체 통로(123), 기체 가열부(124) 및 냉각부(125)를 포함한다.
상기 도가니(121)는 셀레늄을 저장하기 위한 것이고, 상기 도가니 가열부(122)는 도가니(121) 주변부에 위치하여 도가니(121)를 가열하여 온도를 상승시킨다. 이때, 도가니(121)와 도가니 가열부(122)는 일체로 하나의 구성으로 형성될 수도 있다.
상기 기체 통로(123)는 불활성 기체를 셀렌화 챔버(110)로 전송시키기 위한 통로이고 기체 통로(123) 주변에 기체 가열부(124)가 설치되어 불활성 기체를 가열시킨다. 또한, 기체 통로(123)와 기체 가열부(124)는 일체로서 형성될 수 있다.
상기 도가니 가열부(122)와 상기 기체 가열부(124)는 독립적으로 형성되어 불활성 기체와 셀레늄 증기의 온도를 개별적으로 조절할 수 있다. 그리고, 도가니 가열부(122)와 기체 가열부(124) 사이에 단열제를 포함하여 셀레늄 증기와 불활성 기체의 온도가 서로 영향을 받지 않도록 한다.
상기 냉각부(125)는 도가니 가열부(122)와 기체 가열부(124)에서 챔버쪽으로 나오는 열을 차단하기 위한 것으로 도가니 가열부(122)와 기체 가열부(124)의 열이 소스제조기 외부에 열적 영향을 주지 않도록 한다.
또한, 도가니 온도측정부(126)가 도가니(121) 주변에 형성되어 도가니(121)의 온도를 측정하여 셀레늄 증기의 온도를 파악할 수 있다.
그리고, 불활성 기체 온도 측정부(127)는 기체 통로(123)의 주변에 형성되어 불활성 기체의 온도를 파악할 수 있다.
그리고, 질량유량계(130)가 기체 통로(123)에 설치되어 불활성 기체의 압력을 조절할 수 있으며, 바람직하게 챔버의 압력을 1 atm 이하로 제어한다. 상기 질량유량계(130)를 통해 셀레늄 증기는 챔버의 부피와 펌프의 펌핑속도, 셀렌화 시간에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
상기 셀렌화 챔버(110) 및 소스 제조기(120)의 구조는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 설치되는 상황 및 장소에 따라 다양하게 변경되어 설치가능하다.
도 5 은 본 발명의 일실시예에 따른 셀렌화에 의한 광흡수층 제조방법의 흐름도로서, 도시된 바와 같이 일반적인 기판위에 배면전극을 증착시키고(S100), 상기 배면전극 위에 금속을 증착시키고(S200), 상기 증착된 금속 위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성한다(S300).
구체적으로, 상기 S300 단계는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치(100)의 셀렌화 챔버(110)에 셀렌화시키고자 하는 기판(10)을 삽입시키고, 소스제조기의 셀레늄을 저장하는 도가니(121)를 도가니 가열부(122)를 이용하여 가열시켜 셀레늄 증기를 생성시키고, 질량유량계(130)를 이용하여 불활성 기체의 양을 조절하여 소스 제조기(120)에 유입시키고 소스 제조기(120)의 기체 가열부(124)를 통해서 불활성 기체를 가열시킨다.
이어서, 가열된 셀레늄 증기와 불활성 기체의 압력과 온도를 조절하면서 셀레화 챔버에 혼합하여 유입시켜 셀레늄 증기에 의해 기판(10)에 셀레늄이 증착되도록 한다. 이때 가열된 불활성 기체는 셀레늄 증기가 넓은 기판(10)에도 균일하게 증착되도록 하는 효과가 있다.
이하, 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치(100)의 일실시예에 따른 작동과정 및 효과를 살펴 본다.
먼저, 셀렌화 챔버(110)에 광흡수층을 형성하고자 하는 기판(10)을 삽입하고, 소스제조기의 도가니(121)에 셀레늄을 사용하고자 하는 만큼 투입한 후 챔버내부에 잔류할 수 있는 공기(특히, 산소 등)를 펌프를 이용하여 펌프전면 밸브(113)쪽으로 배출시킨다. 불활성 기체는 질량유량계(130)를 통해서 유량을 제어하여 소스제조기로 유입시킨다. 도가니 가열부(122)와 불활성 기체 가열부(124)를 이용하여 셀레늄 증기를 발생시키는 동시에 불활성 기체를 가열시켜 셀렌화 챔버(110)에 유입시켜 셀레늄을 증착하고자 하는 기판(10)에 계속적으로 공급 증착 되도록 한다. 기판 가열부(122)를 이용하여 기판(10)을 가열 및 냉각시켜 기판에 CIS계 결정질 박막(광흡수층)을 제조한다(셀렌화). 이때, 불활성 기체를 사용하여 단순히 셀레늄 증기만을 이용할 경우 보다 넓은 기판(10)에 균일하게 광흡수층을 형성한다.
따라서, 본 발명에 따르면 종래 유독성의 H2Se 기체보다 상대적으로 독성이 적은 셀레늄 증기와 가열된 불활성 기체를 이용하여, 유독기체에 의한 위험을 방지하고 넓은 면적의 CIS계 흡수층을 균일하게 형성할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10 : 기판 100 : 광흡수층 제조장치
110 : 셀렌화 챔버 111 : 기판 가열용 히터
113 : 펌프전면 밸브 120 : 소스 제조기
121 : 도가니 122 : 도가니 가열부
123 : 기체 통로 124 : 기체 가열부
125 : 냉각부 126 : 도가니 온도측정부
130 : 질량유량계 127 : 불활성 기체 온도 측정부
110 : 셀렌화 챔버 111 : 기판 가열용 히터
113 : 펌프전면 밸브 120 : 소스 제조기
121 : 도가니 122 : 도가니 가열부
123 : 기체 통로 124 : 기체 가열부
125 : 냉각부 126 : 도가니 온도측정부
130 : 질량유량계 127 : 불활성 기체 온도 측정부
Claims (6)
- CIS계 박막 태양전지의 제작을 위하여 기판위에 셀렌화 공정으로 CIS계 흡수층을 형성하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치에 있어서,
기판을 셀렌화시키기 위하여 내부에 삽입 가능한 셀렌화 챔버; 및
셀레늄 증기와 불활성 기체를 각각 가열하여 셀렌화 챔버로 주입하는 소스 제조기; 를 포함하되,
상기 소스 제조기는,
셀레늄을 저장하고 가열하기 위한 도가니;
상기 도가니를 둘러싸고 가열시키기 위한 도가니 가열부;
불활성 기체를 셀렌화 챔버로 전송시키기 위한 기체통로;
상기 기체통로를 통과하는 불활성 기체를 가열하기 위한 기체 가열부; 및
상기 도가니 가열부와 상기 기체 가열부를 둘러싸고 냉각시키기 위한 냉각부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 소스 제조기는 도가니 가열부와 기체 가열부 사이에 단열제를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀렌화에 의한 광흡수층 제조장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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| WO2010060646A1 (de) * | 2008-11-28 | 2010-06-03 | Volker Probst | Verfahren zum herstellen von halbleiterschichten bzw. von mit elementarem selen und/oder schwefel behandelten beschichteten substraten, insbesondere flächigen substraten |
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