WO2015102409A1 - 집적형 박막 태양전지의 제조 장치 - Google Patents

집적형 박막 태양전지의 제조 장치 Download PDF

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conductive layer
layer forming
photoelectric conversion
substrate
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임굉수
전진완
홍윤호
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한국과학기술원
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell.
  • a solar cell has a junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, that is, a semiconductor pn junction, a junction between a metal and a semiconductor, that is, a metal / semiconductor (MS) junction (also called a Schottky junction), or a metal / insulator. It is a device that converts solar energy into electrical energy by using the photovoltaic effect of a metal / insulator / semiconductor (MIS) junction structure.
  • MS metal / semiconductor
  • MIS metal / semiconductor
  • Solar cells can be broadly classified into silicon based solar cells, compound based solar cells and organic based solar cells according to the materials used.
  • silicon-based solar cells are single crystalline silicon (sc-Si), polycrystalline silicon (pc-Si), and microcrystalline silicon ( ⁇ c-Si: H) depending on the phase of a semiconductor. It can be classified into amorphous silicon (a-Si: H) solar cell.
  • solar cells are classified into bulk solar cells and thin film solar cells according to the thickness of the semiconductor.
  • the thin film type solar cell is a solar cell whose semiconductor layer has a thickness of several microns ( ⁇ m) to several tens of microns ( ⁇ m) or less.
  • silicon solar cells monocrystalline and polycrystalline silicon solar cells belong to the bulk type, and amorphous silicon and microcrystalline silicon solar cells belong to the thin film type.
  • the compound solar cell is a bulk type such as GaAs (Gallium Arsenide) and InP (Indium Phosphide) of Group III-V and CdTe (Cadmium Telluride) of Group II-VI and CuInGaSe 2 (CIGS) of Group I-III-VI; Copper indium gallium diselenide).
  • organic-based solar cells are largely organic molecular type and organic-inorganic hybrid type, and there are also dye-sensitized solar cells and perovskite-based solar cells, all of which belong to the thin film type.
  • a typical integration technology commercialized is the laser patterning method.
  • etching the first conductive layer (transparent conductive film or metal), the photoelectric conversion portion and the second conductive layer (metal or transparent conductive film), etc., respectively In total, three laser patterning processes are required. Through these three laser patterning processes, the effective area, ie effective area, operating as an integrated thin film solar cell is reduced by several%. As the effective area is reduced by several%, there is a problem in that the power that can be produced in the entire integrated thin film solar cell is reduced by that much.
  • the etching process is performed with a laser in the air, so that each layer of the solar cell is contaminated by moisture or dust in the air, resulting in deterioration of the interface characteristics of the device, resulting in poor energy. There is a problem that the conversion efficiency is lowered.
  • an integrated process capable of maximizing an effective area by maximizing an effective area by repeatedly or continuously performing only a film forming process in a plurality of vacuum process chambers or by repeatedly or continuously performing a film forming and etching process. It is an object of the present invention to provide a device capable of manufacturing a type thin film solar cell.
  • each time a substrate on which each thin film is deposited is exposed to the air for laser patterning each layer of the solar cell is contaminated by moisture or dust in the air, resulting in deterioration of the interface characteristics of the device, and thus energy conversion efficiency of the device.
  • it aims at providing the apparatus which can manufacture a high efficiency integrated thin film solar cell without breaking a vacuum.
  • an object of the present invention is to provide a device capable of manufacturing a high efficiency integrated thin film solar cell without using a laser.
  • the present invention when fabricating such an integrated thin film solar cell, the substrate inverter and substrate cleaner for dust countermeasures and a number of expensive laser equipment is required, the integration that can fundamentally solve the problem of increased manufacturing cost It is an object of the present invention to provide a device capable of manufacturing a type thin film solar cell.
  • An apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell is an apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series in a vacuum state.
  • Photoelectric conversion by emitting a photoelectric conversion material on a substrate having a first conductive layer formed on a bottom surface of each trench and one side surface connected to the bottom surface and a protruding surface region of the substrate connected to the one side surface from a dividing line;
  • a photoelectric conversion unit forming process chamber forming a portion; And forming a second conductive layer on a bottom surface of each of the trenches, another side surface connected to the bottom surface, and a protruding surface region of the substrate connected to the other side, from another weather line inside each of the trenches.
  • a second conductive layer forming process chamber wherein the photoelectric conversion unit forming process chamber and the second conductive layer forming process chamber may perform the respective processes in a vacuum state.
  • an integrated thin film solar cell having a single junction structure and an integrated thin film solar cell having a multijunction structure can be manufactured in a plurality of process chambers in a vacuum state.
  • fine holes, or pin holes are generated in the thin film due to the dust generated by laser etching, thereby reducing the shunt resistance, and the thin film is thermally damaged by the laser energy, thereby deteriorating the film quality.
  • a high efficiency integrated thin film solar cell with low manufacturing cost can be manufactured without the need for a substrate inverter and a substrate cleaner and a number of expensive laser equipment for dust countermeasures.
  • FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows a modification of the manufacturing apparatus of the integrated thin film solar cell according to the second embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B show an example of a process chamber of an integrated thin film solar cell manufacturing apparatus according to embodiments of the present invention.
  • the integrated thin film solar cell manufacturing apparatus can be utilized for the integration of all dry thin film solar cells, but for convenience, the manufacturing process of the thin film silicon solar cell based on amorphous silicon including the etching of the photoelectric conversion unit is the most complicated.
  • embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
  • the accompanying drawings are only described in order to more easily disclose the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the scope of the accompanying drawings that will be readily available to those of ordinary skill in the art. You will know.
  • An apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell includes a second conductive layer forming process chamber P2.
  • the second conductive layer forming process chamber P2 faces a substrate in which photoelectric conversion parts spaced apart from each other are sequentially stacked on the first conductive layers spaced apart from each other in a vacuum state, and is adjacent to each other in trenches between adjacent photoelectric conversion parts.
  • a emitter for emitting a second conductive material, and a deposition angle adjuster for controlling the direction of the second conductive material emitted from the emitter to form a second conductive layer electrically connected to the first conductive layer and spaced apart from each other. can do.
  • the emitter is referred to as a sputter gun, ion beam source, neutral particle beam source, electron beam evaporation source, thermal evaporation source. It refers to a device or component that linearly releases radicals, ions, and neutral particles of a material to be deposited, such as an effusion cell or a spray source.
  • the deposition angle controller refers to a device, part, or structure having a function of directing the evaporated material in only a predetermined direction or covering a part of the evaporated material such as a shutter so that the material is directed only in a desired direction.
  • the structure referred to herein may include a partition between the emitter or the process chamber or a portion of the structure of the process chamber. Therefore, in the latter case, a device having a shutter function, parts, partitions, etc. are not necessary.
  • the integrated thin film solar cell manufacturing apparatus when the integrated thin film solar cell manufacturing apparatus according to the embodiments of the present invention is a cluster-type inline type manufacturing apparatus (inline type) manufacturing apparatus, in a vacuum It may further include a transfer chamber (TC) having a transfer part 40 for carrying in, ie transferring, a substrate to each process chamber.
  • the second conductive layer forming process chamber P2 may further include a substrate holder receiving the substrate from the transfer part 40.
  • loading / unloading functions as a loading chamber (LP) for inserting the substrate into the vacuum apparatus from the atmospheric state and an unloading chamber (ULP) for removing the substrate from the inside of the vacuum apparatus to the outside in the standby state.
  • the apparatus may further include a loading chamber LP / ULP, or may further include a separate loading chamber LP and an unloading chamber ULP.
  • the integrated thin film solar cell manufacturing apparatus is a roll-to-roll (roller) or roller (liner) in-line type manufacturing
  • it may include a loading chamber LP and an unloading chamber ULP, each of which is equipped with an unwinding roller UWR (not shown) and a rewinding roller RWR (not shown), respectively. It may be.
  • a flexible substrate is wound around the core of the unwinding roller UWR and mounted in the loading chamber LP.
  • the substrate is continuously moved by a driving means (not shown) to unload the chamber. It is wound on the core of the rewinding roller RWR mounted on the core. Therefore, in this case, the transfer chamber TC having the separate transfer part 40 and the substrate holder may not be included.
  • FIG. 1 is a view showing a manufacturing apparatus of an integrated thin film solar cell according to a first embodiment of the present invention, and shows a cluster-type inline type manufacturing apparatus.
  • the photoelectric conversion unit forming process chambers P1 P11 to P14
  • the plurality of process chambers PA are described.
  • the photoelectric conversion part forming process chamber P1 forms the photoelectric conversion part on the substrate on which the first conductive layers spaced apart from each other are formed.
  • the mask layer is used as a mask so that a part of the first conductive layer inside the trenches covered by the photoelectric conversion unit is exposed so that the mask layer is not covered and is exposed inside the trenches.
  • the photoelectric conversion part is etched.
  • the second conductive layer forming process chamber P2 the second conductive material is deposited obliquely with respect to the substrate on the other side of the substrate to form the second conductive layer.
  • the photoelectric conversion part forming process chamber P1 may form a photoelectric conversion part, and may include one or more unit process chambers P11, P12, P13, and P14.
  • the photoelectric conversion unit forming process chamber (P1) is the first impurity semiconductor layer (P11), intrinsic semiconductor
  • a plurality of unit process chambers P11, P12, P13, and P14 forming the layers P12 and P13 and the second impurity semiconductor layer P14 may be included.
  • a vacuum state is maintained when the substrate is transferred between two process chambers among the plurality of process chambers P11 to P14, PA, EP, and P2 by the transfer unit 40.
  • the first conductive material, the mask material and the second conductive material may be made of a transparent conductive material or an opaque or highly transparent metal material.
  • the transparent conductive material is mainly a transparent conductive oxide (TCO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), indium tin oxide (ITO), tungsten oxide (TCO) WO 3 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), titanium oxide (TiO x ) or nickel oxide (NiO x ).
  • Opaque or highly transparent metal materials include aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), zinc (Zn), tungsten (W), nickel (Ni), chromium (Cr), and molybdenum ( Mo), titanium (Ti), cesium (Cs), and may include at least one of platinum (Pt).
  • the mask material may be made of an insulating material such as lithium fluoride (LiF).
  • the highly transparent metal refers to a metal having a thickness of about ten nanometers or less.
  • one loading / unloading chamber LP / ULP is illustrated, but is not limited thereto, and the loading chamber LP and the unloading chamber ULP may be separately connected to the transfer chamber TC. have.
  • the loading chamber LP and the unloading chamber ULP may further include a substrate holder that receives the substrate from the transfer part 40.
  • a plurality of transfer units 40 may be installed inside the transfer chamber TC, and the transfer unit 40 may transfer or rotate the substrate in a straight line or up and down.
  • the substrate on which the first conductive layers spaced apart from each other are formed is loaded into the apparatus through the loading / unloading chamber LP / ULP and is mounted on the transfer part 40 to thereby form a unit of any one of the process chambers P1. It is transferred to the process chamber.
  • the substrate used may be an insulating substrate or a substrate coated with an insulating material on the conductive substrate, and the substrate may have trenches spaced at regular intervals and parallel to each other.
  • the photoelectric conversion unit may be formed of any material in which free carriers are generated when light is incident and absorbed.
  • the photoelectric conversion unit may be formed of at least one of a silicon-based, a compound-based, an organic-based, a dry dye-sensitized series, and a perovskite-based material.
  • silicon-based solar cells based on thin-film silicon are single-junction solar cells of amorphous silicon, amorphous silicon-germanium (a-SiGe: H), microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon / amorphous.
  • the photoelectric conversion unit may be a single junction of pn, pin, MS or MIS on the junction structure, and may form a multijunction structure by combining two or more of them.
  • the photoelectric conversion part may be formed in a single junction structure including a first impurity semiconductor layer, an intrinsic (i) semiconductor layer, and a second impurity semiconductor layer.
  • the photoelectric conversion unit may be formed as a multi-junction structure including two or more single junction structures based on amorphous silicon.
  • a first impurity semiconductor layer to which the first impurity is added is formed.
  • silane (SiH 4 ), hydrogen (H 2 ) gas, and the first impurity gas are introduced into the unit process chamber P11 to deposit the first impurity semiconductor layer.
  • the first impurity gas is a B 2 H 6 gas for supplying a group III material such as boron (B)
  • a p-type semiconductor layer is formed.
  • an n-type semiconductor layer is formed if the first impurity gas is a PH 3 gas for supplying a Group V material such as phosphorus (P).
  • the thickness of the first impurity semiconductor layer may be thinner than the thickness of the intrinsic semiconductor layer. Accordingly, the time for forming the intrinsic semiconductor layer may be longer than the time for forming the first impurity semiconductor layer. Accordingly, the manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention may include one or more unit process chambers P12 and P13 in which the intrinsic semiconductor layer is formed to reduce the manufacturing process time.
  • the substrate on which the first impurity semiconductor layer is formed in the first impurity semiconductor layer forming unit process chamber P11 is transferred into the intrinsic semiconductor layer forming unit process chamber P12 so that the intrinsic semiconductor layer is formed on the substrate on which the first impurity semiconductor layer is formed.
  • the first impurity semiconductor layer may be formed on another substrate.
  • Another substrate in which the first impurity semiconductor layer is formed in the first impurity semiconductor layer forming unit process chamber P11 is transferred into another intrinsic semiconductor layer forming unit process chamber P13 so that the intrinsic semiconductor layer is formed on the substrate. Can be.
  • the process of forming the intrinsic semiconductor layer in the intrinsic semiconductor layer forming unit process chambers P12 and P13 while the first impurity semiconductor layer is formed in the first impurity semiconductor layer forming unit process chamber P11 is continued. Can be done. As a result, the tact time can be shortened and the production quantity of the solar cell can be increased within a predetermined time. Silane and hydrogen gas are introduced into the unit process chambers P12 and P13 to form the intrinsic semiconductor layer.
  • the substrate on which the intrinsic semiconductor layer is formed in the intrinsic semiconductor layer forming unit process chambers P12 and P13 is transferred to the second impurity semiconductor layer forming unit process chamber P14 to form a second impurity semiconductor layer on the substrate on which the intrinsic semiconductor layer is formed. Is formed.
  • a second impurity gas is introduced in addition to the silane and the hydrogen gas.
  • the first impurity semiconductor layer is a p-type semiconductor layer
  • the second impurity may be for supplying a group V material.
  • the first impurity semiconductor layer is an n-type semiconductor layer
  • the second impurity may be for supplying a group III material.
  • the apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell includes the unit process chambers P11 and the unit process chambers P12 and P13 in which the first impurity semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the second impurity semiconductor layer forming the photoelectric conversion unit are described. ), But the method of forming each in the unit process chamber (P14) as an example, but is not limited to this, there can be a variety of methods as follows. That is, the first impurity semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the second impurity semiconductor layer may be formed in one unit process chamber P11.
  • first impurity semiconductor layer and the second impurity semiconductor layer may be formed in one unit process chamber P11, and the intrinsic semiconductor layer may be formed in the plurality of unit process chambers P12, P13, and P14.
  • first impurity semiconductor layer and the intrinsic semiconductor layer may be formed in one unit process chamber P11, and the second impurity semiconductor layer may be formed in another unit process chamber P12.
  • first impurity semiconductor layer may be formed in one unit process chamber P11, and the intrinsic semiconductor layer and the second impurity semiconductor layer may be formed in another unit process chamber P12.
  • the photoelectric conversion part when the photoelectric conversion part is formed of only the p-type and the i-type, it may be formed in the unit process chamber P11 and the unit process chamber P12 or P13, respectively. In addition, when the photoelectric conversion unit is formed of only the n-type and i-type, they may be formed in the unit process chamber P14 and the unit process chamber P12 or P13, respectively. In the simplest case, when the photoelectric conversion part is formed of only an intrinsic semiconductor, it may be formed in the unit process chamber P12 or P13. The method of forming the photoelectric conversion unit may be applied to the embodiments described below as well as the first embodiment.
  • the substrate is transferred to the mask layer forming process chamber PA in a vacuum state by the transfer unit 40 so that the mask material is deposited obliquely with respect to the substrate on the other side.
  • the mask layer is formed on the substrate on which the converter is formed.
  • the mask layer may be used as a mask for etching in the etching process chamber EP.
  • the masking material may be made of a transparent conductive material, an opaque or highly transparent metal material, or an insulating material.
  • the first conductive layer is made of an opaque metal material
  • a mask layer made of a transparent conductive material or a high transparent metal material may be formed on the photoelectric conversion part in the mask layer forming process chamber PA.
  • a mask layer made of an opaque or high transparent metal material or a transparent conductive material may be formed on the photoelectric conversion part in the mask layer forming process chamber PA.
  • the substrate on which the mask layer is formed in the mask layer forming process chamber PA is transferred to the etching process chamber EP in a vacuum state by the transfer part 40.
  • the photoelectric conversion unit exposed in the trench using the mask layer as a mask that is, the second impurity semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the first impurity semiconductor layer are sequentially etched and spaced apart from each other. As portions are formed, a portion of the first conductive layer positioned inside the trench of the substrate is exposed.
  • the mask layer is formed of a material having a lower etch rate than the photoelectric conversion material, so that the mask layer covers the photoelectric conversion parts so that the photoelectric conversion parts are not etched outside the trenches even after the photoelectric conversion parts inside the trenches are completely etched.
  • the etching process may be performed using a dry etching method such as reactive ion etching (RIE) using inductively coupled plasma (ICP), but is not limited thereto.
  • the substrate subjected to the etching process as described above is transferred to the second electrode layer forming process chamber P2 in a vacuum state by the transfer part 40.
  • a detailed description of the second electrode layer forming process chamber P2 will be described later in detail with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • a second conductive layer is formed on the substrate on which the mask layers spaced apart from each other are deposited obliquely with respect to the substrate on the other side to form a second conductive layer.
  • the integrated unit cells are electrically connected in series to form an integrated thin film solar cell.
  • the second conductive material may be made of a transparent conductive material or an opaque or highly transparent metal material.
  • the second conductive layer may be made of an opaque or high transparency metal material.
  • the second conductive layer may be made of an opaque or high transparent metal material or a transparent conductive material.
  • the deposition of the first conductive material, the mask material and the second conductive material in the apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell of the present invention may be performed by sputtering, ion beam evaporation, neutral particle beam evaporation, electron beam evaporation, thermal evaporation, outlet or It uses, but is not limited to, a vapor deposition method having a straightness of a deposition material such as a spray.
  • the deposition method of the first conductive material, the mask material and the second conductive material is also applicable to the following embodiments.
  • the deposition of the transparent conductive material may be performed in an oxygen (O 2 ) atmosphere.
  • the second conductive layer is made of an opaque metal material.
  • Such a component of the second conductive material can be applied not only to the first embodiment but also to the embodiments described later.
  • the substrate on which the second conductive layer is formed in the second conductive layer forming process chamber P2 is placed on the transfer part 40 and then manufactured through the loading / unloading chamber LP / ULP. It is taken out of the device into the atmosphere.
  • a high efficiency integrated thin film solar cell can be manufactured by electrically connecting adjacent unit cells (see US Pat. Nos. 8,148,626; 8,153,885; 8,168,882).
  • the apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell according to the first exemplary embodiment may further include another process chamber P3 forming a first conductive layer.
  • the transfer part 40 transfers the substrates on which the trenches spaced apart and parallel to each other, which are loaded at the loading chamber LP, to the first conductive layer forming process chamber P3.
  • the first conductive layer forming process chamber P3 deposits a first conductive material on the substrate at an angle to the substrate at one side to form a first conductive layer.
  • the first conductive material may be made of a transparent conductive material or an opaque or highly transparent metal material.
  • the substrate is a transparent insulating material and the first conductive layer is made of a transparent conductive material or a high transparent metal material
  • the first conductive layer is made of a transparent conductive material or a high transparent metal material
  • the incident light is It may pass through the first conductive layer.
  • the first conductive layer is made of an opaque metal material
  • the mask layer and the second conductive layer are made of a transparent conductive material or a high transparent metal material, and light is incident on the second conductive layer.
  • the first conductive layer formation, the photoelectric conversion portion formation, the mask layer formation, the photoelectric conversion portion etching, and the second conductive layer formation process are sequentially performed on the substrate on which the trenches spaced at regular intervals and parallel to each other are formed. Is carried out. As a result, high efficiency integrated thin film solar cells are manufactured by electrically connecting adjacent unit cells. (18, 19)
  • the cluster type apparatus 10 illustrated in FIG. 1 may further include the unit process chambers of the photoelectric conversion part forming process chamber P1 ′ in addition to the unit process chambers P11 to P14 of the photoelectric conversion part forming process chamber P1. P11 'to P14').
  • the photoelectric conversion part forming process chamber P1 may also perform the function of the separate photoelectric conversion part forming process chamber P1 'without including a separate photoelectric conversion part forming process chamber P1'. In such cases, a high efficiency integrated thin film solar cell having a double junction structure in which a plurality of photoelectric conversion units having a single junction structure is stacked while maintaining a vacuum may be manufactured.
  • the integrated thin film solar cell is manufactured by the cluster type device according to the first embodiment of the present invention
  • film forming and etching processes are repeatedly or continuously performed in a plurality of process chambers in a vacuum state.
  • a highly efficient integrated thin film solar cell having a single junction structure or a multi-junction structure can be manufactured.
  • the device manufacturing method can be applied to a roll-to-roll method or a roller type in-line type production apparatus.
  • the photoelectric conversion material may be obliquely deposited on the substrate to expose a portion of the first conductive layer located inside the trench. Therefore, the mask layer forming process chamber PA and the etching process chamber EP may be omitted because the photoelectric conversion material is not required to be etched after the mask layer is formed.
  • the first conductive layer, the photoelectric conversion unit, and the second conductive layer forming process are sequentially performed on the substrate on which the trenches spaced at regular intervals and parallel to each other are formed.
  • high efficiency integrated thin film solar cells having a single junction structure are manufactured by electrically connecting adjacent unit cells (see Japanese Patent No. 5,396,444).
  • the integrated thin film solar cell when the integrated thin film solar cell is manufactured by the cluster type device according to the first embodiment of the present invention, it is effective by repeatedly or continuously performing only a film forming process in a plurality of process chambers in a vacuum state.
  • High efficiency integrated thin film solar cell with single junction structure with maximized area can be manufactured.
  • the device manufacturing method can be applied to a roll-to-roll method or a roller type in-line type production apparatus (see Japanese Patent; 5,396,444). These methods will be described below.
  • the manufacturing apparatus of the integrated thin film solar cell according to the second embodiment of the present invention and its modifications is a roll-to-roll type or roller type in-line type manufacturing apparatus.
  • the functions of the second electrode layer forming process chamber P2, the first electrode layer forming process chamber P3, and the loading chamber LP unloading chambers ULP are the same as the functions described in the first embodiment, respectively. Detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 2 is a view showing an apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell having a single junction structure according to a second embodiment of the present invention, and shows a roll-to-roll type or roller type in-line type manufacturing apparatus.
  • the unwinding roller UWR (not shown) in which the flexible substrate on which the trenches are formed is wound around the core is mounted in the loading chamber LP on the left side, and then the substrate is continuously driven by the driving means (not shown) during the process.
  • the first conductive layer forming process chamber P3 the photoelectric conversion unit forming unit process chambers P11 to P14, the mask layer forming process chambers PA, the etching process chamber EP, and the second conductive layer forming.
  • the first conductive layer is formed by gradient deposition
  • the photoelectric conversion portion is formed
  • the mask layer is formed by the gradient deposition
  • the photoelectric conversion portion is etched
  • the second conductive layer is formed by the gradient deposition on the substrate on which the trenches spaced apart from each other are formed.
  • the transfer chamber and the substrate holder having the separate transfer unit 40 may not be included. Instead, it may include a loading chamber LP and an unloading chamber ULP on which the unwinding roller UWR and the rewinding roller RRW are respectively mounted.
  • the device manufacturing method may be applied to FIG. 3, which is a modification of the second embodiment, as well as FIG. 2.
  • the unit process chambers P12 and P13 shown in FIG. 1 simultaneously deposit the same intrinsic semiconductor material (eg, amorphous silicon) on each of the two substrates, or different intrinsic semiconductor materials (eg, amorphous). Silicon and microcrystalline silicon) can be deposited simultaneously.
  • the unit process chambers P12 and P13 illustrated in FIGS. 2 and 3 may sequentially deposit the same intrinsic semiconductor material on the same substrate.
  • FIG. 3 is a view showing an apparatus for manufacturing an integrated thin film solar cell having a double junction structure according to a modified example of the second embodiment of the present invention, and shows a roll-to-roll type or roller type in-line type manufacturing apparatus.
  • one or more unit process chambers P11 to P14 forming the first photoelectric conversion unit and one forming the second photoelectric conversion unit on the substrate on which the first photoelectric conversion unit is formed are shown.
  • the above unit process chambers P11 'to P14' are included.
  • the plurality of unit process chambers P11 ′ through P14 ′ forming the second photoelectric conversion unit may be connected between the unit process chamber P14 and the mask layer forming process chamber PA forming the mask layer.
  • the integrated thin film solar cell manufacturing apparatuses according to the second embodiment of the present invention and modified examples thereof shown in FIGS. 2 and 3 also form a process chamber for forming a first conductive layer. It may or may not include (P3), respectively.
  • the roll-to-roll type or roller type manufacturing apparatus does not include the first conductive layer forming process chamber P3, the substrate on which the first conductive layers spaced apart from each other is formed is a unit of the process chamber P1 through the loading chamber LP. It may be transferred to the process chamber (P11).
  • the first impurity semiconductor layer forming unit process chamber P11 'and the second impurity semiconductor layer forming unit process chamber P14' form a first impurity semiconductor layer and a second impurity semiconductor layer, respectively, and form an intrinsic semiconductor.
  • the layer forming unit process chambers P12 ′ and P13 ′ form an intrinsic semiconductor layer of the second photoelectric conversion unit.
  • the mask layer forming process chamber PA forms the mask layer by depositing the mask material on the second photoelectric conversion part at an angle with respect to the substrate surface.
  • the second photoelectric conversion unit forming unit process chambers P11 ′ to P14 ′ form the second photoelectric conversion unit.
  • the first photoelectric conversion unit or the second photoelectric conversion unit in which light is first incident light conversion unit may be formed of a material based on amorphous silicon in order to absorb the light of the short wavelength region.
  • the photoelectric conversion part in which light is incident later may be formed of a material based on microcrystalline silicon in order to absorb light in a long wavelength region well.
  • the first photoelectric converter is a p-type semiconductor layer, an intrinsic amorphous silicon semiconductor layer, and an n-type semiconductor, which are sequentially stacked.
  • the layer may include a layer
  • the second photoelectric conversion unit may include a p-type semiconductor layer, an intrinsic microcrystalline silicon semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer.
  • the first photoelectric conversion part is sequentially stacked n-type semiconductor layer, intrinsic microcrystalline silicon semiconductor layer and p-type
  • the semiconductor layer may include a second photoelectric converter, and may include an n-type semiconductor layer, an intrinsic amorphous silicon semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer.
  • the p-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion part or the second photoelectric conversion part may be a semiconductor layer based on p-type amorphous silicon or a semiconductor based on p-type microcrystalline silicon.
  • the n-type semiconductor layer may be a semiconductor layer based on n-type amorphous silicon or a semiconductor layer based on n-type microcrystalline silicon.
  • a first conductive layer is formed on the substrate on which the trenches spaced apart from each other are formed by gradient deposition, and the first photoelectric conversion unit.
  • a series of processes such as forming, forming a second photoelectric conversion portion, forming a mask layer by gradient deposition, etching a second photoelectric conversion portion, etching a first photoelectric conversion portion, and forming a second conductive layer by gradient deposition, etc. are continuously performed in a vacuum. Is executed. As a result, a highly efficient integrated thin film solar cell having a double junction structure is manufactured in a vacuum state without using a laser (18 to 20).
  • the first conductive material is connected to the bottom surface and the bottom surface of each of the trenches from the air line inside each of the trenches 101 and 102 of the substrate 100.
  • a first conductive layer 110 spaced apart from each other is formed on the protruding surface region of the substrate connected to the side surface. That is, the first conductive material is not deposited on a portion of the inner walls of the trenches 101 and 102 due to the correlation between the cross-sectional shapes of the trenches 101 and 102 formed on the substrate 100 and the gradient deposition angle ⁇ 1.
  • the deposition angle is measured based on the flat protruding surface of the substrate.
  • the integrated thin film solar cell is manufactured by the manufacturing apparatuses according to the embodiments of the present invention, since the laser etching process and the like are not necessary, there is no opportunity for the substrate to be exposed to the atmosphere during the process and thus the vacuum is always maintained. Since the integrated thin film solar cell is manufactured, deterioration in film quality due to various foreign matters may improve the performance of the integrated thin film solar cell.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 진공 상태에서 복수의 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결되는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치로서, 기판에 형성된 복수의 트렌치들 각각의 내부의 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 일측면 및 상기 일측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제1 도전층이 형성된 상기 기판상에 광전변환 물질을 방출하여 광전변환부를 형성하는 광전변환부 형성 공정챔버; 및 상기 트렌치들 각각의 내부의 또 다른 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 타측면 및 상기 타측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제2 도전층을 형성하는 제2 도전층 형성 공정챔버를 포함하고, 상기 광전변환부 형성 공정챔버 및 상기 제2 도전층 형성 공정챔버는 진공 상태에서 상기 각각의 공정을 수행할 수 있다.

Description

집적형 박막 태양전지의 제조 장치
본 발명은 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 즉 반도체 pn 접합, 금속과 반도체의 접합 즉 금속/반도체(metal/semiconductor; MS) 접합(일명 쇼트키(Sctottky) 접합), 또는 금속/절연체/반도체(metal/insulator/semiconductor; MIS) 접합 구조에 의한 광기전력 효과를 이용하여 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다.
태양전지는 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘계 태양전지，화합물계 태양전지 및 유기물계 태양전지로 분류될 수 있다. 이 중 실리콘계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 단결정 실리콘(single crystalline silicon; sc-Si)，다결정 실리콘(polycrystalline silicon; pc-Si), 미세결정 실리콘(microcrystalline silicon; μc-Si:H), 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si:H) 태양전지로 분류될 수 있다. 또한，태양전지는 반도체의 두께에 따라 벌크(bulk)형 태양전지와 박막(thin film)형 태양전지로 분류된다. 박막형 태양전지는 반도체층의 두께가 수 미크론(μm) 내지 수십 미크론(μm) 이하의 태양전지이다. 실리콘계 태양전지에 있어서 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 벌크형에 속하며，비정질 실리콘 및 미세결정 실리콘 태양전지는 박막형에 속한다. 한편，화합물계 태양전지는 III-V족의 GaAs (Gallium Arsenide)와 InP (Indium Phosphide) 등의 벌크형과 II-VI족의 CdTe (Cadmium Telluride) 및 I-III-VI족의 CuInGaSe2 (CIGS; Copper Indium Gallium Diselenide) 등의 박막형으로 분류된다. 또한 유기물계 태양전지는 크게 유기 분자형과 유무기 복합형이 있고 이 밖에 염료 감응형 태양전지와 페로브스카이트(perovskite)계 태양전지가 있으며 이들 모두가 박막형에 속한다.
상기한 여러 종류의 태양전지 중에서 에너지 변환효율이 높고 제조 비용이 상대적으로 저렴한 벌크형 실리콘 태양전지가 주로 지상 전력용으로 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 벌크형 실리콘 태양전지는 제조 코스트에서 웨이퍼(wafer) 즉 기판이 차지하는 비중이 매우 크기 때문에 실리콘 기판을 박막화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 벌크형 III-V족 태양전지의 경우에도 값싼 기판 위에 박막형 태양전지를 형성하는 연구가 진행되고 있다. 한편으로는 재료의 사용량이 적고, 유리 또는 스테인리스 스틸과 같은 값싼 기판 위에 비정질 실리콘을 바탕으로 한 대면적의 태양전지를 간단하고 저렴하게 양산할 수 있는 박막 실리콘 태양전지의 제조 기술 개발이 진행되어오고 있다. CIGS와 같은 박막 태양전지의 경우에도 폴리이미드나 스테인리스 스틸, 몰리브덴 등의 얇고 유연한(flexible) 기판을 사용하여 집적화된 CIGS 태양전지를 제작함으로써 저가격화를 실현하려고 노력하고 있다. 아울러, 다양한 응용을 위해 유연한 투과형(see-through-type) 집적형 박막 태양전지의 제조 방법 개발도 절실히 요구되고 있다.
박막 태양전지는 실용적인 높은 전압을 얻기 위하여 집적(integration)화 하지 않으면 안 된다. 집적형 박막 태양전지(integrated solar cell)는 기본적으로 단위 태양전지(unit solar cell) 즉 단위 셀(unit cell)들로 이루어져 있으며, 이웃한 각각의 단위 셀은 전기적으로 서로 직렬연결되어 있다. 이렇게 된 구조의 집적형 박막 태양전지를 제조 위하여는 여러 단계의 제막(製膜) 및 식각(scribing or patterning) 공정을 거쳐야 하고 이러한 각각의 제막 및 식각 공정에는 목적에 따라 다양한 장치들을 이용하여야 한다.
상용화된 대표적인 집적화 기술은 레이저 패터닝 법이다. 이 방법에 의해 유리 기판을 사용하여 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 제1 도전층(투명 도전막 또는 금속), 광전변환부 및 제2 도전층(금속 또는 투명 도전막) 등을 각각 식각하기 위해 총 세 번의 레이저 패터닝 공정이 필요하게 된다. 이러한 세 차례의 레이저 패터닝 공정을 통하여 집적형 박막 태양전지로서 작동하는 유효한 면적, 즉 유효면적이 수 % 정도 줄어들게 된다. 유효면적이 수 % 정도 줄어드는 만큼 전체 집적형 박막 태양전지에서 생산할 수 있는 전력이 그 만큼 감소되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 대기 중에서 실시해야 하는 레이저 패터닝 공정으로 인하여 진공 속에서의 연속적인 제막 공정이 거의 불가능하다는 문제점이 있다.
또한, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 연속적인 진공 제막 공정이 불가능하여 진공과 대기 중을 기판이 수 차례 들락거리는 복잡한 공정이 필요하기 때문에, 단일접합(single junction)뿐만 아니라 다중접합(multi-junction) 구조의 집적형 박막 태양전지를 제작하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
또한, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 거의 대부분의 경우에 대기 중에서 레이저로 식각 공정을 수행하기 때문에 대기 중의 수분이나 먼지 등에 의해 태양전지의 각층이 오염되어 소자의 계면 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 레이저 식각으로 발생되는 분진에 의해 박막에 미세 구멍 즉 핀 홀(pin hole)들이 발생되어 션트(shunt) 저항이 감소하고, 레이저 에너지에 의해 박막이 열적 손상을 받아 막질이 악화되어 소자의 접합 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 감소하는 문제점이 있다.
또한, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에는, 분진 대책을 위한 기판 반전기 및 기판 세정기와 여러 대의 고가의 레이저 장비가 필요하게 되어 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 레이저 패터닝 기술을 구사하여 집적화된 투과형 박막 태양전지 제작 시에는 그 가격이 매우 비싸지는 문제점이 있다.
본 발명은, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행하거나, 제막 및 식각 공정을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적을 극대화시켜 생산할 수 있는 전력을 극대화할 수 있는 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 단일접합 구조뿐만 아니라 다중접합 구조의 집적형 박막 태양전지를 용이하게 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 레이저 패터닝을 하기 위해 각각의 박막이 증착된 기판이 대기에 노출될 때마다 대기 중의 수분이나 먼지 등에 의해 태양전지의 각층이 오염되어 소자의 계면 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 저하되는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 진공을 깨지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 레이저 식각으로 발생되는 분진에 의해 박막에 미세 구멍 즉 핀 홀들이 발생되어 션트 저항이 감소하고, 레이저 에너지에 의해 박막이 열적 손상을 받아 막질이 악화되어 소자의 접합 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 감소하는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 레이저를 사용하지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 이러한 집적형 박막 태양전지 제작 시에, 분진 대책을 위한 기판 반전기 및 기판 세정기와 여러 대의 고가의 레이저 장비가 필요하게 되어 제조단가가 상승하는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 레이저 패터닝 기술을 구사하여 집적화된 투과형 박막 태양전지 제작 시에는 그 가격이 매우 비싸지는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 투과형 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 진공 상태에서 복수의 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결되는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치로서, 기판에 형성된 복수의 트렌치들 각각의 내부의 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 일측면 및 상기 일측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제1 도전층이 형성된 상기 기판상에 광전변환 물질을 방출하여 광전변환부를 형성하는 광전변환부 형성 공정챔버; 및 상기 트렌치들 각각의 내부의 또 다른 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 타측면 및 상기 타측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제2 도전층을 형성하는 제2 도전층 형성 공정챔버를 포함하고, 상기 광전변환부 형성 공정챔버 및 상기 제2 도전층 형성 공정챔버는 진공 상태에서 상기 각각의 공정을 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행하거나, 제막 및 식각 공정을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적을 극대화시켜 생산할 수 있는 전력을 극대화할 수 있는 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 단일접합 구조의 집적형 박막 태양전지 및 다중접합 구조의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 패터닝을 하기 위해 각각의 박막이 증착된 기판이 대기에 노출될 때마다 대기 중의 수분이나 먼지 등에 의해 태양전지의 각층이 오염되어 소자의 계면 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 저하되는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 진공을 깨지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 식각으로 발생되는 분진에 의해 박막에 미세 구멍 즉 핀 홀들이 발생되어 션트 저항이 감소하고, 레이저 에너지에 의해 박막이 열적 손상을 받아 막질이 악화되어 소자의 접합 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 감소하는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 레이저를 사용하지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 분진 대책을 위한 기판 반전기 및 기판 세정기와 여러 대의 고가의 레이저 장비가 필요 없이도 제조단가가 저렴한 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 고가의 레이저 장비를 전혀 사용하지 않고서도 제조단가가 저렴한 투과형 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에 대한 변형 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에 대한 변형 예를 나타낸다.
도 5a 내지 5e는 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에 의하여 제조되는 집적형 박막 태양전지의 제조 공정을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치의 공정챔버의 일례를 나타낸다.
본 발명에 의한 집적형 박막 태양전지 제조 장치는 모든 건식 박막 태양전지의 집적화에 활용될 수 있지만, 편의상 제조 과정이 가장 복잡한, 광전변환부의 에칭이 포함되는 비정질 실리콘을 바탕으로 한 박막 실리콘 태양전지의 경우를 예로 들어 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하면서 이하에서 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)를 포함한다. 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)는 진공 상태에서 서로 이격된 제1 도전층 상에 서로 이격된 광전변환부가 순차적으로 적층된 기판을 향하여, 인접하는 광전변환부들 사이의 트렌치들 내부에서 인접한 제1 도전층과는 전기적으로 연결되면서 서로 간에는 이격되는 제2 도전층을 형성하도록, 제2 도전성 물질을 방출하는 방출기, 상기한 방출기로부터 방출되는 제2 도전성 물질의 향방을 조절하는 증착각 조절기를 포함할 수 있다. 여기서 방출기(emmiter)라 함은 스퍼터 건(sputter gun), 이온 빔 소스 (ion beam source), 중성입자(neutral particle) 빔 소스, 전자 빔 증발(electron beam evaporation) 소스, 열 증발(thermal evaporation) 소스, 유출기(流出器, effusion cell) 또는 스프레이(spray) 소스 등과 같이 증착될 물질의 래디컬(radical)이나 이온, 중성입자들을 직진성이 있게 방출하는 기기(器機) 또는 부품을 말한다. 또한 증착각 조절기는 증발되는 물질을 어느 정해진 방향으로만 향진하게 하거나 셔터(shutter)처럼 증발되는 물질의 일부를 가려서 원하는 방향으로만 물질이 향진하도록 하는 기능을 가진 기기, 부품 또는 구조물을 말한다. 여기서 말하는 구조물에는, 방출기 또는 공정챔버 간의 칸막이(partition)나 해당 공정챔버의 구조물 일부분도 포함될 수 있다. 따라서 후자일 경우에는 셔터 기능을 갖는 기기 및 부품이나 칸막이 등도 필요 없게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치는 상기한 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)와 더불어 광전변환부를 형성하는 공정챔버(P1)와 제1 도전층을 형성하는 공정챔버(P3)를 포함할 수 있다. 또한 광전변환부의 일부분을 덮을 마스크층 형성을 위한 마스크층 형성 공정챔버(PA) 및 마스크층에 의해 덮이지 않고 노출된 광전변환부를을 에칭하기 위한 에칭용 공정챔버(EP)를 더 포함할 수 있다.
또한 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치가 클러스터(cluster) 방식의 인라인 타입(inline type)의 제조 장치인 경우, 진공 속에서 각각의 공정챔버에 기판을 반입 또는 반출하기 위한 즉 이송하기 위한 이송부(40)를 구비한 이송챔버(transfer chamber; TC)를 더 포함할 수 있다. 또한 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)는 이송부(40)로부터 기판을 이송 받는 기판 홀더(substrate holder)를 더 포함할 수 있다. 또한 기판을 대기 상태에서 진공 장치 내부로 넣기 위한 로딩 챔버(loading chamber; LP)와 기판을 진공 장치 내부로부터 대기 상태인 외부로 꺼내기 위한 언로딩 챔버(unloading chamber; ULP)의 기능을 겸한 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)를 더 포함하거나, 각각 분리된 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)를 더 포함할 수도 있다.
또한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치가 롤투롤(roll-to-roll) 방식이나 롤러(roller) 방식의 인라인 타입의 제조 장치인 경우, 언와인딩 롤러(unwinding roller; UWR)(미도시)와 리와인딩 롤러(rewinding roller; RWR)(미도시)가 각각 장착된 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)를 포함할 수도 있다. 유연 기판(flexible substrate)이 언와인딩 롤러(UWR)의 코어(core)에 감겨 로딩 챔버(LP)에 장착되며, 공정시 구동 수단(미도시)에 의해 기판이 연속적으로 움직여서 언로딩 챔버(ULP)에 장착된 리와인딩 롤러(RWR)의 코어에 감기게 된다. 따라서 이 경우에는 별도의 이송부(40)를 구비한 이송챔버(TC)와 기판 홀더를 포함하지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타내는 도면이며, 클러스터 방식의 인라인 타입의 제조 장치를 나타낸다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 클러스터 타입 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기한 광전변환부 형성 공정챔버(P1; P11 내지 P14)와 상기한 복수의 공정챔버들(PA, EP, P2), 제1 도전층 형성 공정챔버(P3) 및 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)들을 포함하며 이송챔버(TC)의 둘레에 방사형으로 설치되어 있다. 광전변환부 형성 공정챔버(P1)에서는 서로 이격된 제1 도전층이 형성된 기판상에 광전변환부를 형성한다. 여기서, 상기 기판에는 서로 이격되어 트렌치들이 형성되어 있으며, 이는 예컨대 도 5a에서 도면부호 101 및 102로 표시된다. 마스크층 형성 공정챔버(PA)에서는 광전변환부가 형성된 기판상에 마스크용 물질을 타측에서 기판에 대해 비스듬히 증착하여 마스크층을 형성한다. 여기서 타측이라 함은 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 설명되는 바와 같이, 제1 도전성 물질이 방출되는 일측의 맞은편을 나타낸다. 에칭용 공정챔버(EP)에서는 마스크층을 마스크로 사용하여, 광전변환부에 의해 덮여 있는 트렌치들 내부의 제1 도전층의 일부가 노출되도록, 마스크층이 덮여있지 않아 트렌치들 내부에 노출되어 있는 광전변환부를 에칭한다. 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)에서는 상기한 공정을 거친 기판상에 제2 도전성 물질을 타측에서 기판에 대해 비스듬히 증착하여 제2 도전층을 형성한다. 이러한 공정들을 진공 속에서 순차적으로 실시함으로써 단일접합 구조의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다(미국 특허: 8,148,626; 8,153885; 미국 특허: 8,168,882; 일본 특허; 4,592,676; 일본 특허; 5,396,444 참조).
또한, 광전변환부 형성 공정챔버(P1)는 광전변환부를 형성하며, 하나 이상의 단위 공정챔버(P11, P12, P13, P14)를 포함할 수 있다. 이때 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치에서 실리콘 계열의 광전변환부를 제조할 경우, 상기한 광전변환부 형성 공정챔버(P1)는 제1 불순물 반도체층(P11), 진성 반도체층(P12, P13) 및 제2 불순물 반도체층(P14)을 형성하는 복수의 단위 공정챔버들(P11, P12, P13, P14)을 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 이송부(40)에 의해 복수의 공정챔버들(P11 내지 P14, PA, EP, P2) 중 두 개의 공정챔버들 사이에서 기판이 이송될 때 진공 상태가 유지된다.
제1 도전성 물질, 마스크용 물질 및 제2 도전성 물질은 투명한 도전성 물질이나 불투명 또는 고투명(highly transparent)한 금속 물질로 이루어질 수 있다. 투명 도전성 물질은 주로 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)로서, 산화아연(zinc oxide; ZnO), 산화주석(tin oxide; SnO2), 산화인듐주석(Indium tin oxide; ITO), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브덴(MoO3), 산화바나듐(V2O5), 산화티타늄(TiOx) 또는 산화니켈(NiOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 불투명 또는 고투명한 금속 물질은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 세슘(Cs), 백금(Pt) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 마스크용 물질은 불화리튬(LiF)과 같은 절연성 물질로 이루어 질 수 있다. 여기서 고투명 금속이란 두께가 대략 십 나노미터 이하의 금속을 말한다. 이와 같은 제1 도전성 물질, 마스크용 물질 및 제2 도전성 물질은 이후의 실시예에도 적용할 수 있다.
도 1에는, 하나의 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)가 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)가 각각 따로 이송챔버(TC)에 연결될 수 있다. 또한 로딩 챔버(LP) 및 언로딩 챔버(ULP)는 이송부(40)로부터 기판을 이송 받는 기판 홀더를 더 포함할 수 있다. 복수의 이송부(40)가 이송챔버(TC) 내부에 설치될 수 있으며, 이송부(40)는 기판을 직선 또는 상하로 이송시키거나 회전시킬 수 있다.
서로 이격된 제1 도전층이 형성된 기판은 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)를 통하여 장치 내부로 로딩되어 이송부(40)상에 얹혀져서 광전변환부 형성 공정챔버(P1) 중의 어느 하나의 단위 공정챔버로 이송된다. 이때 사용된 기판은 절연성 기판이거나 도전성 기판 위에 절연성 물질이 코팅된 기판일 수 있으며 기판에는 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성되어 있을 수 있다.
광전변환부는 빛이 입사되어 흡수됨으로써 자유 캐리어들(free carriers)이 생성되는 임의의 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광전변환부는 실리콘 계열, 화합물 계열, 유기물 계열, 건식 염료 감응 계열 및 페로브스카이트(perovskite) 계열의 물질 중 하나 이상으로 형성될 수 있다. 이 중 박막 실리콘을 바탕으로 한 실리콘 계열 태양전지는 비정질 실리콘, 비정질 실리콘게르마늄(amorphous silicon-germanium; a-SiGe:H), 미세결정 실리콘, 다결정 실리콘의 단일접합 태양전지들과, 비정질 실리콘/비정질 실리콘, 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄, 비정질 실리콘/미세결정 실리콘, 비정질 실리콘/다결정 실리콘 이중접합 태양전지들, 비정질실리콘/비정질 실리콘 게르마늄/비정질 실리콘게르마늄, 비정질 실리콘/ 비정질 실리콘게르마늄/미세결정 실리콘, 비정질 실리콘/미세결정 실리콘/미세결정 실리콘 삼중접합 태양전지들 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 그러나 이들에 한정되지는 않는다. 또한 광전변환부는 접합 구조상으로는 pn이나 pin, MS 또는 MIS의 단일접합일 수 있으며, 이들 중의 둘 이상의 조합으로 다중접합 구조를 형성할 수 있다.
이하에서는 광전변환부의 물질이 비정질 실리콘을 바탕으로 한 물질인 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. 이 경우, 광전변환부는 제1 불순물 반도체층, 진성(intrinsic; i) 반도체층 및 제2 불순물 반도체층을 포함하는 단일접합 구조로 형성될 수 있다. 또한, 광전변환부는 비정질 실리콘을 바탕으로 한 단일접합 구조를 두 개 이상 포함하는 다중접합 구조로 형성될 수도 있다.
광전변환부 형성 공정챔버(P1)의 제1 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P11)에서는 제1 불순물이 첨가된 제1 불순물 반도체층이 형성된다. 이때, 제1 불순물 반도체층의 증착을 위하여 실란(SiH4)과 수소(H2) 가스 및 제1 불순물 가스가 상기한 단위 공정챔버(P11)에 유입된다. 제1 불순물 가스가 붕소(B)와 같은 Ⅲ족 물질을 공급하기 위한 B2H6가스라면 p형 반도체층이 형성된다. 또한 제1 불순물 가스가 인(P)과 같은 Ⅴ족 물질을 공급하기 위한 PH3가스라면 n형 반도체층이 형성된다.
제1 불순물 반도체층의 두께는 진성 반도체층의 두께에 비하여 얇을 수 있다. 이에 따라 진성 반도체층이 형성되는 시간은 제1 불순물 반도체층이 형성되는 시간에 비하여 길 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 제조 장치는 제조 공정 시간을 줄이기 위하여 진성 반도체층이 형성되는 하나 이상의 단위 공정챔버(P12, P13)를 포함할 수 있다.
제1 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P11)에서 제1 불순물 반도체층이 형성된 기판은 진성 반도체층 형성 단위 공정챔버(P12) 내부로 이송되어 제1 불순물 반도체층이 형성된 기판상에 진성 반도체층이 형성되고, 상기한 단위 공정챔버(P11)에서는 제1 불순물 반도체층이 또 다른 기판에 형성될 수 있다. 제1 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P11)에서 제1 불순물 반도체층이 형성된 또 다른 기판은 또 다른 진성 반도체층 형성 단위 공정챔버(P13) 내부로 이송되어 진성 반도체층이 해당 기판상에 형성될 수 있다.
이와 같은 방식으로 제1 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P11)에서 제1 불순물 반도체층이 형성되는 동안 진성 반도체층 형성 단위 공정챔버들(P12, P13)에서 진성 반도체층이 형성되는 공정이 계속하여 이루어질 수 있다. 이에 따라 택 타임(tact time)이 단축되어 일정 시간 안에 태양전지의 생산 수량을 증가시킬 수 있다. 진성 반도체층의 형성을 위하여 단위 공정챔버들(P12, P13)에 실란 및 수소 가스가 유입된다.
진성 반도체층 형성 단위 공정챔버들(P12, P13)에서 진성 반도체층이 형성된 기판은 제2 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P14)로 이송되어 진성 반도체층이 형성된 기판상에 제2 불순물 반도체층이 형성된다. 제2 불순물 반도체층의 형성을 위하여 실란과 수소 가스 이외에 제2 불순물 가스가 유입된다. 제1 불순물 반도체층이 p형 반도체층인 경우, 제2 불순물은 Ⅴ족 물질을 공급하기 위한 것일 수 있다. 또한, 제1 불순물 반도체층이 n형 반도체층인 경우, 제2 불순물은 Ⅲ족 물질을 공급하기 위한 것일 수 있다.
한편, 본 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는, 광전변환부를 이루는 제1 불순물 반도체층, 진성 반도체층, 제2 불순물 반도체층을 상기한 단위 공정챔버(P11), 단위 공정챔버들(P12, P13), 단위 공정챔버(P14)에서 각각 형성하는 방법을 일례로 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 다음과 같은 다양한 방법들이 있을 수 있다. 즉, 제1 불순물 반도체층, 진성 반도체층, 제2 불순물 반도체층이 하나의 단위 공정챔버(P11)에서 형성될 수 있다. 또한, 제1 불순물 반도체층 및 제2 불순물 반도체층이 하나의 단위 공정챔버(P11)에서 형성되고, 진성 반도체층은 복수의 단위 공정챔버들(P12, P13, P14)에서 형성될 수 있다. 또한, 제1 불순물 반도체층 및 진성 반도체층은 하나의 단위 공정챔버(P11)에서 형성되고, 제2 불순물 반도체층은 다른 하나의 단위 공정챔버(P12)에서 형성될 수 있다. 또한, 제1 불순물 반도체층을 하나의 단위 공정챔버(P11)에서 형성하고, 진성 반도체층 및 제2 불순물 반도체층은 다른 하나의 단위 공정챔버(P12)에서 형성될 수 있다. 또한 광전변환부가 p형과 i형만으로 형성되는 경우에는 단위 공정챔버(P11)과 단위 공정챔버(P12 또는 P13)에서 각각 형성될 수 있다. 또한 광전변환부가 n형과 i형만으로 형성되는 경우에는 단위 공정챔버(P14)과 단위 공정챔버(P12 또는 P13)에서 각각 형성될 수 있다. 또한 가장 간단하게 광전변환부가 진성 반도체만으로 형성되는 경우에는 단위 공정챔버(P12 또는 P13)에서 형성될 수 있다. 이와 같은 광전변환부를 형성하는 방법은 제1 실시예뿐만 아니라 이후에 설명되는 실시예들에도 적용될 수 있다.
서로 이격된 제1 도전층 상에 광전변환부가 형성된 후의 기판은, 이송부(40)에 의하여 진공 상태에서 마스크층 형성 공정챔버(PA)로 이송되어 마스크용 물질이 타측에서 기판에 대해 비스듬히 증착되어 광전변환부가 형성된 기판상에 마스크층이 형성된다. 마스크층은 에칭용 공정챔버(EP)에서의 식각을 위한 마스크로 사용될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 마스크용 물질은 투명 도전성 물질이나 불투명 또는 고투명 금속 물질, 또는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 제1 도전층이 불투명 금속 물질로 이루어진 경우 마스크층 형성 공정챔버(PA)에서 투명 도전성 물질 또는 고투명 금속 물질로 이루어진 마스크층이 광전변환부상에 형성될 수 있다. 또한 제1 도전층이 투명 도전성 물질로 이루어진 경우 마스크층 형성 공정챔버(PA)에서 불투명 또는 고투명 금속 물질이나 투명 도전성 물질로 이루어진 마스크층이 광전변환부상에 형성될 수 있다.
마스크층 형성 공정챔버(PA) 내에서 마스크층이 형성된 기판은 이송부(40)에 의하여 진공 상태에서 에칭용 공정챔버(EP)로 이송된다. 에칭용 공정챔버(EP) 내에서는 마스크층을 마스크로 하여 트렌치 내부에 노출되어 있는 광전변환부, 즉 제2 불순물 반도체층, 진성 반도체층, 제1 불순물 반도체층이 차례로 에칭되어 서로 이격된 광전변환부들이 형성됨과 동시에 기판의 트렌치 내부에 위치하는 제1 도전층의 일부가 노출된다. 이때 마스크층은 광전변환부 물질에 비해 식각율이 낮은 물질을 사용하여 트렌치들 내부의 광전변환부들이 완전히 에칭된 후에도 트렌치들 외부에서는 광전변환부들이 식각이 되지 않게 마스크층이 광전변환부들을 덮고 있어야 하기 때문에 이를 감안하여 마스크층의 두께를 적당히 조절하여 형성할 필요가 있다. 에칭 공정은 유도결합플라즈마 (inductively coupled plasma; ICP)를 이용한 반응성 이온 식각법(reactive ion etching; RIE) 등과 같은 건식 에칭 방법을 이용하여 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
에칭용 공정챔버(EP)에서 상기한 바와 같은 에칭 공정을 거친 기판은 이송부(40)에 의하여 진공 상태에서 제2 전극층 형성 공정챔버(P2)로 이송된다. 제2 전극층 형성 공정챔버(P2)에 대한 상세한 설명은 도 6a 및 도 6b를 참조하여 이후에 상세히 설명된다. 제2 전극층 형성 공정챔버(P2) 내에서는 서로 이격된 마스크층이 형성된 기판상에 제2 도전성 물질을 타측에서 기판에 대해 비스듬히 증착하여 제2 도전층이 형성된다. 이때, 제1 단위 셀 영역(도 5e의 UC1)에 형성된 제1 도전층(110)과, 제1 단위 셀에 인접하는 제2 단위 셀 영역(도 5e의 UC2)에 형성된 제2 도전층(140)이 제1 단위 셀 영역과 제2 단위 셀 영역 사이에 있는 트렌치 내부에서 전기적으로 연결된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 집적형 박막 태양전지가 형성된다.
앞서 언급한 바와 같이 제2 도전성 물질은 투명 도전성 물질이나 불투명 또는 고투명 금속 물질로 이루어질 수 있다. 마스크층 형성 공정챔버(PA)에서 형성된 마스크층이 불투명 또는 고투명 금속 물질로 이루어진 경우, 제2 도전층은 불투명 또는 고투명 금속 물질로 이루어질 수 있다. 또한 마스크층 형성 공정챔버(PA)에서 형성된 마스크층이 투명 도전성 물질로 이루어진 경우, 제2 도전층은 불투명 또는 고투명 금속 물질이나 투명 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에서의 제1 도전성 물질, 마스크용 물질 및 제2 도전성 물질의 증착은 스퍼터, 이온 빔 증발, 중성입자 빔 증발, 전자 빔 증발, 열 증발, 유출기 또는 스프레이 등의 증착 물질의 직진성이 있는 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 도전성 물질, 마스크용 물질 및 제2 도전성 물질의 증착법은 이후의 실시예들에도 적용 가능하다. 또한 투명 도전성 물질의 증착은 산소(O2) 분위기 중에서 행해질 수 있다.
이하에서는, 제2 도전층이 불투명한 금속 물질로 이루어지는 것을 일 예로 하여 설명하기로 한다. 이와 같은 제2 도전성 물질의 성분은 제1 실시예뿐만 아니라 이후에 설명되는 실시예들에도 적용될 수 있다.
앞서 설명한 대로, 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)에서 제2 도전층이 형성된 기판은 이송부(40)에 얹혀진 후 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)를 통하여 본 집적형 박막 태양전지의 제조 장치로부터 대기 중으로 꺼내어진다.
이상에서 설명된 바와 같이, 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판상에 서로 이격된 제1 도전층이 형성된 기판상에, 광전변환부 형성, 마스크층 형성, 광전변환부 에칭, 제2 도전층 형성 공정이 차례로 실시된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조될 수 있다(미국 특허: 8,148,626; 8,153,885; 8,168,882 참조).
또한, 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 제1 도전층을 형성하는 또 다른 공정챔버(P3)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 이송부(40)는 로딩 챔버(LP)에 로딩되어 있는 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판을 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)로 이송한다. 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)는 이 기판상에 제1 도전성 물질을 일측에서 기판에 대해 비스듬히 증착하여 제1 도전층을 형성한다. 앞서 언급한 바와 같이 제1 도전성 물질은 투명 도전성 물질이나 불투명 또는 고투명 금속 물질로 이루어질 수 있다. 기판이 투명 절연성 재질이고, 제1 도전층이 투명 도전성 물질 또는 고투명 금속 물질로 이루어지는 경우, 기판을 통과한 빛이 투명 도전성 물질 또는 고투명 금속 물질로 이루어진 제1 도전층에 입사되어 그 입사된 빛이 제1 도전층을 투과될 수 있다. 또한, 제1 도전층이 불투명 금속 물질로 이루어지는 경우, 마스크층 및 제2 도전층이 투명 도전성 물질 또는 고투명 금속 물질로 이루어져 빛이 제2 도전층으로 입사된다.
이상에서 설명된 바와 같이, 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판상에, 제1 도전층 형성, 광전변환부 형성, 마스크층 형성, 광전변환부 에칭, 제2 도전층 형성 공정이 차례로 실시된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조된다.(18, 19)
또한, 도시되어 있지는 않지만, 도 1에 도시된 클러스터 타입의 장치에, 동일한 구조의 클러스터 타입의 장치를 두 대 이상 연결하여 집적형 태양전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시된 클러스터 타입 장치(10)가 광전변환부 형성 공정챔버(P1)의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14) 외에 별도의 광전변환부 형성 공정챔버(P1')의 단위 공정챔버들(P11' 내지 P14')을 포함할 수 있다. 그러나 별도의 광전변환부 형성 공정챔버(P1')를 포함하지 않고 상기한 광전변환부 형성 공정챔버(P1)가 별도의 광전변환부 형성 공정챔버(P1')의 기능을 동시에 수행할 수도 있다. 이러한 경우들에 있어서 진공 상태를 유지하면서 단일접합 구조의 광전변환부가 복수 개 적층되는 이중접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 클러스터 타입의 장치에 의하여 집적형 박막 태양전지가 제조될 경우, 진공 상태의 복수의 공정챔버 내에서 제막 및 식각 공정을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 단일접합 구조 또는 다중접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다. 또한 이러한 소자 제조 방법은 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 제조 장치에도 적용 가능하다.
또한 광전변환부 형성 공정챔버(P1) 내에서 증착 물질의 직진성이 있는, 앞서 설명한 스퍼터, 이온 빔 증발, 중성입자 빔 증발, 전자 빔 증발, 열 증발, 유출기 또는 스프레이 등의 박막 증착 방법을 이용하여 광전변환부를 형성할 경우에, 트렌치 내부에 위치하는 제1 도전층의 일부가 노출되게 광전변환부 물질이 기판에 경사 증착되게 할 수 있다. 따라서 마스크층을 형성한 후 광전변환부 물질을 에칭할 필요가 없어지기 때문에 상기한 마스크층 형성 공정챔버(PA) 및 에칭용 공정챔버(EP)를 생략할 수 있다. 이러한 경우에는 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판상에 제1 도전층, 광전변환부, 제2 도전층 형성 공정이 차례로 실시된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 단일접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조된다(일본 특허; 5,396,444 참조).
상기한 바와 같이, 본 발명에 제1 실시예에 따른 클러스터 타입의 장치에 의하여 집적형 박막 태양전지가 제조될 경우, 진공 상태의 복수의 공정챔버 내에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적을 극대화한 단일접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다. 또한 이러한 소자 제조 방법은 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 제조 장치에도 적용 가능하다(일본 특허; 5,396,444 참조). 이하에서 이들 방식에 대해 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예 및 그 변형 예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 제조 장치다. 이러한 타입의 제조 장치가 포함하는, 하나 이상의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14)을 포함하는 광전변환부 형성 공정챔버(P1) 및 마스크층 형성 공정챔버(PA), 에칭용 공정챔버(EP), 제2 전극층 형성 공정챔버(P2), 제1 전극층 형성 공정챔버(P3), 로딩 챔버(LP) 언로딩 챔버(ULP)들 각각의 기능은 앞서 제1 실시예에서 설명된 기능과 각각 동일하여 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일접합 구조의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타내는 도면이며, 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 제조 장치를 나타낸다. 이러한 장치인 경우, 트렌치들이 형성된 유연 기판이 코어에 감긴 언와인딩 롤러(UWR)(미도시)가 좌측의 로딩 챔버(LP) 내에 장착된 후, 공정시 구동 수단(미도시)에 의해 기판이 연속적으로 움직여서 제1 도전층 형성 공정챔버(P3), 광전변환부 형성 단위 공정챔버들(P11 내지 P14), 마스크층 형성 공정챔버들(PA), 에칭용 공정챔버(EP), 제2 도전층 형성 공정챔버(P2) 등과 같은 복수의 공정챔버들을 차례로 통과하면서 우측의 언로딩 챔버(ULP) 내에 있는 리와인딩 롤러(RWR)(미도시)의 코어에 감기게 된다. 다시 말해, 서로 이격된 드렌치들이 형성된 기판상에 경사 증착에 의한 제1 도전층 형성, 광전변환부 형성, 경사 증착에 의한 마스크층 형성, 광전변환부 에칭, 경사 증착에 의한 제2 도전층 형성 등과 같은 일련의 공정이 진공 속에서 연속적으로 실행된다. 이로써 레이저를 사용하지 않고서도 단일접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지가 진공 상태에서 제조된다. 그리고 이 경우에, 도 1에서 설명한 클러스터 타입의 제조 장치와는 달리 별도의 이송부(40)를 구비한 이송챔버와 기판 홀더를 포함하지 않을 수 있게 된다. 대신에 언와인딩 롤러(UWR)와 리와인딩 롤러(RWR)가 각각 장착된 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)를 포함할 수 있다. 또한 이러한 소자 제조 방법은 제2 실시예인 도 2뿐만아니라 제2 실시예의 변형 예인 도 3에도 적용 가능하다.
도 1에 도시된 단위 공정챔버들(P12, P13)은 두 개의 기판들 각각에 동일한 진성 반도체 물질(예를 들어, 비정질 실리콘)을 동시에 증착하거나, 서로 다른 진성반도체 물질들(예를 들어, 비정질 실리콘과 미세결정질 실리콘)을 동시에 증착할 수 있다. 이와는 달리, 도 2 및 도 3에 도시된 단위 공정챔버들(P12, P13)은 동일한 기판에 같은 진성 반도체 물질을 연속적으로 증착할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예의 변형 예에 따른 이중접합 구조의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타내는 도면이며, 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 제조 장치를 나타낸다. 이러한 장치인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 광전변환부를 형성하는 하나 이상의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14)과 더불어 제1 광전변환부가 형성된 기판상에 제2 광전변환부를 형성하는 하나 이상의 단위 공정챔버들(P11' 내지 P14')을 포함한다. 제2 광전변환부를 형성하는 복수의 단위 공정챔버들(P11' 내지 P14')은 단위 공정챔버(P14)와 마스크층을 형성하는 마스크층 형성 공정챔버(PA) 사이에 연결될 수 있다.
제1 실시예를 통하여 설명된 바와 같이, 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예 및 그 변형 예에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치들 역시 제1 도전층을 형성하는 공정챔버(P3)를 각각 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 롤투롤 타입 또는 롤러 타입의 제조 장치가 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)를 포함하지 않을 경우 서로 이격된 제1 도전층이 형성된 기판이 로딩 챔버(LP)를 통하여 공정챔버(P1)의 단위 공정챔버(P11)로 이송될 수 있다.
제1 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P11') 및 제2 불순물 반도체층 형성 단위 공정챔버(P14')는 제2 광전변환부의 제1 불순물 반도체층 및 제2 불순물 반도체층을 각각 형성하고 진성 반도체층 형성 단위 공정챔버들(P12', P13')은 제2 광전변환부의 진성 반도체층을 형성한다.
마스크층 형성 공정챔버(PA)는 제2 광전변환부 상에 마스크용 물질을 타측에서 기판 표면에 대해 비스듬히 증착하여 마스크층을 형성한다.
앞서 설명된 바와 같이 제2 광전변환부 형성 단위 공정챔버들(P11' 내지 P14')은 제2 광전변환부를 형성한다. 이때 제1 광전변환부 또는 제2 광전변환부 중 빛이 먼저 입사되는 광전변환부는 단파장 영역의 빛을 잘 흡수하기 위하여 비정질 실리콘을 바탕으로 한 물질로 형성될 수 있다. 그리고 빛이 나중에 입사되는 광전변환부는 장파장 영역의 빛을 잘 흡수하기 위하여 미세결정질 실리콘을 바탕으로 한 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제조 장치에 의하여 제조된 집적형 태양전지가 pin 타입 태양전지인 경우, 제1 광전변환부는 순차적으로 적층된 p형 반도체층, 진성 비정질 실리콘 반도체층 및 n형 반도체층을 포함할 수 있고, 제2 광전변환부는 p형 반도체층, 진성 미세결정질 실리콘 반도체층 및 n형 반도체층을 포함할 수 있다.
아울러 본 발명의 실시예에 따른 제조 장치에 의하여 제조된 집적형 박막 태양전지가 nip 타입 태양전지인 경우, 제1 광전변환부는 순차적으로 적층된 n형 반도체층, 진성 미세결정질 실리콘 반도체층 및 p형 반도체층을 포함할 수 있고, 제2 광전변환부는 n형 반도체층, 진성 비정질 실리콘 반도체층 및 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
태양전지의 특성이나 제조 효율 등을 고려하여 제1 광전변환부 또는 제2 광전변환부의 p형 반도체층은 p형의 비정질 실리콘을 바탕으로 한 반도체층 또는 p형의 미세결정질 실리콘을 바탕으로 한 반도체층일 수 있으며, n형의 반도체층은 n형의 비정질 실리콘을 바탕으로 한 반도체층 또는 n형의 미세결정질 실리콘을 바탕으로 한 반도체층일 수 있다.
도 3에 도시된 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 집적형 박막 태양전지 제조 장치를 사용하면 서로 이격된 드렌치들이 형성된 기판상에 경사 증착에 의한 제1 도전층 형성, 제1 광전변환부 형성, 제2 광전변환부 형성, 경사 증착에 의한 마스크층 형성, 제2 광전변환부 에칭, 제1 광전변환부 에칭, 경사 증착에 의한 제2 도전층 형성 등과 같은 일련의 공정이 진공 속에서 연속적으로 실행된다. 이로써 레이저를 사용하지 않고서도 이중접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지가 진공 상태에서 제조된다(18~20).
앞서 제1 실시예에서 설명된 바와 같이, 광전변환부 형성 공정챔버(P1) 내에서 증착 물질의 직진성이 있는, 앞서 설명한 스퍼터, 이온 빔 증발, 중성입자 빔 증발, 전자 빔 증발, 열 증발, 유출기, 또는 스프레이 등의 박막 증착 방법을 이용하여 제1 광전변환부 및 제2 광전변환부를 형성할 경우에, 트렌치 내부에 위치하는 제1 도전층의 일부가 노출되게 광전변환부 물질이 기판에 경사 증착되게 할 수 있다. 따라서 마스크층을 형성한 후 광전변환부 물질을 에칭할 필요가 없어지기 때문에 상기한 마스크층 형성 공정챔버(PA) 및 에칭용 공정챔버(EP)를 생략할 수 있다. 이러한 경우에는 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판상에 제1 도전층, 제1 광전변환부 및 제2 광전변환부, 제2 도전층 형성 공정이 차례로 실시된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 이중접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입에 의하여 집적형 태양전지가 제조될 경우, 진공 상태의 복수의 공정챔버 내에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적의 극대화된 다중접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 변형 예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치를 나타내는 도면이며, 클러스터 방식의 인라인 타입의 제조 장치를 나타낸다.
한편, 도 4에 도시된 집적형 박막 태양전지 제조 장치가 포함하는, 하나 이상의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14)을 포함하는 광전변환부 형성 공정챔버(P1) 및 마스크층 형성 공정챔버(PA), 에칭용 공정챔버(EP), 제2 전극층 형성 공정챔버(P2), 제1 전극층 형성 공정챔버(P3), 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP) 각각의 기능은 앞서 제1 실시예를 통하여 설명된 기능과 각각 동일하여 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 변형 예에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 제1 실시예와는 다른 장방형 클러스터 방식의 인라인 타입의 제조 장치다. 도 1의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 이송챔버(TC) 둘레에 방사형으로 공정챔버들이 설치되고, 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 장방형의 이송챔버(TC)의 장변 양쪽에 공정챔버들이 설치된다.
장방형의 이송챔버(20)에는, 기판의 로딩과 언로딩을 겸할 수 있는 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP), 하나 이상의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14), 마스크층 형성 공정챔버(PA), 에칭용 공정챔버(EP), 및 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)가 장방형의 이송챔버(TC)의 장변 일측면과 타측면에 두루 설치된다. 이송용 로봇과 같은 이송부(40)는 이송챔버(TC) 내부에 설치되어 기판(미도시)을 하나의 챔버에서 다른 챔버로 진공 속에서 이송시킨다. 이송부(40)의 하부에는, 이송부(40)가 이동할 수 있도록 레일(30)이 설치되어 있으며, 이송부(40)는 이 레일(30)을 따라 이동하여 단위 공정챔버들(P11 내지 P14), 마스크층 형성 공정챔버(PA), 에칭용 공정챔버(EP), 제2 도전층 형성 공정챔버(P2) 내로 기판을 이송시킨다.
이송부(40)의 상부에는, 제1 부재(41) 및 제2 부재(43)가 각각의 결합 수단(44, 45)에 의하여 결합된다. 제1 부재(41)는 이송챔버(TC) 내부 바닥에 설치된 레일(30) 방향으로 직선 왕복 운동이 가능하고, 결합 수단(44, 45)을 축으로 하여 시계 방향 또는 반시계 방향의 회전 운동 및 수직 왕복 운동도 가능하다. 또한, 제1 부재(41)의 상부에는, 제1 부재(41) 상에서 직선 왕복 운동을 할 수 있는 제2 부재(43)가, 결합 및 직선 구동 수단(42)에 의해 결합되어 설치되어 있으며 제2 부재 양단은 미끄러지지 않게 기판을 올려 놓을 수 있는 구조(미도시)로 되어 있다.
로딩/언로딩 챔버(LP/ULP) 내에서 제2 부재(43) 상에 얹혀진 기판이 상기한 이송부(40), 제1 부재(41) 및 제2 부재(43)의 구동에 의하여, 복수의 공정챔버(P11 내지 P14, PA, EP, P2) 중 적어도 하나의 공정챔버 내부로 이송될 수 있다.
도 4에는, 하나의 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)가 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)가 각각 따로 이송챔버에 연결될 수 있다. 또한 로딩 챔버(LP) 및 언로딩 챔버(ULP)는 이송부(40)로부터 기판을 이송 받는 기판 홀더를 더 포함할 수 있다.(12) 또한, 로딩/언로딩 챔버(LP/ULP)는 장방형의 이송챔버의 단변의 일측면에 설치될 수도 있으며, 단변의 양측면에 로딩 챔버(LP)와 언로딩 챔버(ULP)가 각각 따로 설치될 수도 있다. 그러나 상기한 챔버 배치에 한정되지 않고 다양한 배치가 있을 수 있다.
도 4의 클러스터 타입의 제조 장치에 있어서, 이송챔버(TC)의 장변의 길이를 늘리고 이 장변의 양측면에 제1 도전성 물질, 마스크용 물질, 제2 도전성 물질 및 광전변환 물질을 증착하거나 에칭하는 공정챔버의 대수를 늘려서 설치할 경우, 확장된 이송챔버(TC) 내부를 일정 공간으로 분할하여 이 분할된 공간에 각각 한대씩의 이송부(40)를 설치하고 이송부(40)끼리 제2 부재(43)를 통하여 기판을 주고 받을 수 있게 만들면 집적형 박막 태양전지의 생산성을 비약적으로 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 제 1 실시예 및 제 4 실시예에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치는 상기한 제1 도전층 형성 공정챔버(P3), 상기 광전변환부 형성 공정챔버(P1), 마스크층 형성 공정챔버(PA), 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)가 각각 분리되어 있는 것처럼 설명하였으나 이들 공정챔버 중 적어도 하나 이상의 공정챔버를 이용하여 상기한 네 개의 공정챔버의 기능을 대체할 수도 있다.
도 5a 내지 5e는 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치에 의하여 제조되는 집적형 박막 태양전지의 제조 공정의 일례를 나타낸다.
본 집적형 박막 태양전지 제작에 사용되는 기판(100)은, 도 5a에 보는 바와 같이, 표면에 트렌치(101, 102)가 형성되어 있다. 형성된 트렌치의 폭은 수십 미크론 정도이고 폭과 깊이의 비는 대략 1이 되는 것이 바람직하다. 기존의 레이저 패터닝에 의해 손실되는 면적의 폭이 수백 미크론 정도임을 감안할 때 본 발명에 의하면 매우 효과적으로 유효면적의 손실을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 그리고 기판(100)은 태양전지의 구조에 따라 투명한 재질이거나 불투명한 재질일 수 있다. 기판(100)을 통하여 빛이 입사될 수 있는 태양전지 구조 즉 상판형(superstrate type) 구조인 경우에 기판(100)은 빛의 투과율이 우수한 투명 절연성 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(100)은 소다석회 유리나 강화 유리 등으로 만든 유리 기판이나 플라스틱 기판 또는 나노 복합체(nano composit) 기판 중 하나일 수 있다. 나노 복합체는 분산매질(matrix, 연속상) 속에 나노 입자가 분산상으로 분산되어 있는 계이다. 분산매질은 유기 용제, 플라스틱, 금속 또는 세라믹일 수 있으며, 나노 입자는 플라스틱, 금속 또는 세라믹일 수 있다. 분산매질이 유기 용제일 경우 열처리에 의하여 유기 용제가 사라지고 나노 입자만이 남을 수 있다.
기판(100)을 통하여 빛이 입사되지 않고, 입사광에 면한 투명 도전막이나 얇은 금속을 통하여 빛이 입사되는 태양전지 구조 즉 하판형(substrate type) 구조인 경우에 기판(100)은 세라믹이나 금속 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 이 경우에도 기판(100)은 유리나 플라스틱, 나노 복합체 재질로 이루어질 수도 있다. 이때 세라믹이나 유리, 플라스틱, 나노 복합체 재질은 열경화성 또는 UV 경화성 재질을 포함할 수 있다.
트렌치들(101, 102)은 유리나 세라믹, 금속, 플라스틱, 나노 복합체 등의 물질을 용융시킨 상태에서 박판 또는 박막으로 만드는 과정에서 이 물질이 굳기 전에, 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 직선 트렌치들이 임프린트(imprint)나 프레스(press), 엠보싱(embossing), 열(thermal) 경화나 자외선(ultra-violet; UV) 경화법 등으로 기판에 형성될 수 있다. 금속과 같은 도전성 기판인 경우에는 트렌치를 형성한 후에 플라스틱이나 세라믹, 나노 복합체 등의 절연성 물질을 기판 전면에 코팅하거나, 상기한 도전성 기판 표면에 상기한 절연성 물질을 코팅한 후에 이 절연성 물질에 상기한 방법으로 트렌치를 형성할 수도 있다. 또한 유리와 같은 절연성 기판에도 상기한 방법으로 트렌치를 형성할 수 있다. 뿐만 아니라 상기 기판들의 용융 과정없이 핫-엠보싱(hot-embossing) 또는 핫-프레스(hot-press)법을 사용하여 트렌치들(101, 102)이 기판에 형성될 수도 있다. 이 경우에는 유리 또는 금속 기판에 코팅된 플라스틱, 세라믹 또는 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치가 형성되므로 유리 또는 금속 기판에 직접 트렌치를 형성하는 경우보다 트렌치가 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 트렌치 형성을 위한 요철이 표면에 형성된 요철 금형에 의한 프레스, 핫-프레스, 엠보싱 또는 핫-엠보싱 방법뿐만 아니라 습식 식각, 건식 식각, 연삭 또는 절삭과 같은 기계적 가공 또는 레이저 스크라이빙과 같은 광학적 가공 중 어느 한 방법을 통하여 트렌치들(101, 102)이 형성될 수도 있다. 보다 간단하게는 표면이 평탄한 평판 금형과 기타(guitar) 줄처럼 미세한 선(string or wire)을 이용하여 기판에 트렌치를 형성할 수 있다.
앞서 설명된 기판의 종류 및 트렌치 형성 방법들은 본 발명의 실시예들에 공통적으로 적용될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치의 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)는 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판(100)상에 제1 도전성 물질을 일측에서 최대 각도 θ1로 비스듬히 증착(OD1)하여 제1 도전층(110)을 형성한다.
이에 따라 증착 물질의 직진성에 의해 제1 도전성 물질이 기판(100)의 트렌치들(101, 102) 각각의 내부의 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 일측면 및 상기 일측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 서로 이격된 제1 도전층(110)이 형성된다. 즉, 기판(100)상에 형성된 트렌치들(101, 102)의 단면 형상과 경사 증착 각도 θ1과의 상호 관계에 의해 트렌치들(101, 102) 내벽의 일부분에는 제1 도전성 물질이 증착되지 않는다. 여기서 증착 각도는 상기 기판의 평탄한 돌출면을 기준으로 측정하는 것으로 한다.
도 5a에서는 집적형 박막 태양전지 제조 장치의 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)에서 제1 도전층(110)이 형성되나 서로 이격된 제1 도전층(110)이 이미 형성된 기판(100)이 로딩 챔버(LP)에 로딩되어 이송부(40)에 의해 광전변환부 형성 공정챔버(P1)의 어느 하나의 단위 공정챔버 내로 이송될 수도 있다. 이 경우에 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)를 포함하지 않을 수도 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치의 단위 공정챔버들(P11 내지 P14)을 포함하는 광전변환부 형성 공정챔버(P1)는 광전변환부(120)를 형성한다. 광전변환부(120)는 제1 도전층(110)이 형성된 기판상에 형성된다. 이때 집적형 박막 태양전지의 제조 장치의 광전변환부 형성 공정챔버(P1)가 제1 광전변환부를 형성하는 단위 공정챔버들(P11 내지 P14)과 더불어 제2 광전변환부를 형성하는 단위 공정챔버들(P11' 내지 P14')을 포함할 경우 다중접합의 집적형 박막 태양전지가 제조될 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4에 도시된 집적형 박막 태양전지 제조 장치의 마스크층 형성 공정챔버(PA)는 광전변환부(120)가 형성된 기판상에 마스크용 물질을 타측에서 기판에 대해 최대 각도 θ2로 비스듬히 증착(OD2)하여 마스크(130)을 형성한다. 여기서, 타측은 제1 도전성 물질이 증착되는 일측의 맞은편을 나타낸다. 마스크용 물질이 각도 θ2로 표면에 비스듬히 증착되므로 증착 물질의 직진성에 의해 트렌치들(101, 102) 내부에 형성된 광전변환부(120)의 일부분에는 마스크용 물질이 증착되지 않는다. 마스크층(130)은 에칭용 공정챔버(EP)에서의 식각을 위한 마스크로 사용될 수 있다. 도 1 및 도 4의 클러스터 타입의 제조 장치에서 마스크층(130)이 투명 도전성 물질로 형성될 경우, 앞서 설명된 바와 같이, 마스크층(130)은 마스크층 형성 공정챔버(PA)가 아닌 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)에서 형성될 수도 있다. 즉, 마스크층(130)과 제1 도전층(110)이 동일한 재질로 이루어지는 경우 마스크층(130)은 제1 도전층(110)이 형성되는 공정챔버(P3)에서 형성될 수 있다. 또한, 마스크층(130)과 제1 도전층(110)이 다른 재질로 이루어지는 경우에도 마스크층(130)을 형성하기 위한 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)를 제1 도전층(130)을 형성하기 위한 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)와 함께 제1 도전층(110)이 형성되는 공정챔버(P3)에 설치함으로써 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)에서 마스크층(130)이 형성될 수도 있다. 이때, 제1 도전성 물질은 일측으로부터 기판에 대해 최대 각도 θ1로 비스듬히 증착되나, 마스크용 물질은 상기 일측의 맞은편 즉 타측으로부터 최대 각도 θ2로 비스듬히 증착된다. 이와 같은 과정을 통하여 광전변환부(120)의 식각 영역이 한정된다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치의 에칭용 공정챔버(EP) 내에서는 마스크층(130)을 마스크로 사용하여 트렌치(101, 102) 내부의 광전변환부에 의해 덮여 있는 제1 도전층(110)의 일부가 노출되도록 광전변환부(120)가 수직 에칭(etching) 된다. 이때, 에칭 방법으로는 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP)를 이용한 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 에칭 공정을 이용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치의 제2 도전층 형성 공정챔버(P2) 내에서는 하나의 단위 셀 영역(UC1)에 형성된 제1 도전층(110)과 상기 단위 셀 영역(UC1)과 이웃하는 또 다른 하나의 단위 셀 영역(UC2)에 형성된 제2 도전층(130)이 트렌치 내부에서 전기적으로 연결되도록, 광전변환부(120) 상에 제2 도전성 물질을 기판 표면에 대해 상기 최대 각도 θ2 보다 더 큰 최대 각도 θ3로 타측에서 비스듬히 증착(OD3)된다. 이에 따라 인접하는 단위 셀들을 전기적으로 직렬연결하는 제2 도전층(140)이 형성된다.
이상에서 설명된 바와 같이 인접하는 광전변환부들(120) 사이의 영역에 트렌치가 있을 수 있으며, 트렌치의 양측에 위치한 광전변환부들(120)은 서로 인접한 단위 셀 영역들(UC1, UC2)일 수 있다. 제2 도전성 물질이 기판에 대해 각도 θ2 보다 더 큰 각도 θ3로 타측에서 비스듬히 증착(OD3)되면 증착 물질의 직진성에 의해, 에칭에 의해 드러난 제1 도전층(110)과 제2 도전층(130)이 전기적으로 연결된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 고효율의 집적형 박막 태양전지가 제조된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따라 집적형 박막 태양전지가 제조될 경우, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 제막 및 식각 공정을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적의 극대화로 단일접합 구조의 고효율의 집적형 박막 태양전지를 진공 속에서 제조할 수 있다.
또한, 광전변환부 형성 공정챔버(P1)에서 증착 물질의 직진성이 있는, 앞서 설명한 스퍼터, 이온 빔, 중성입자 빔, 전자 빔, 열, 유출기 또는 스프레이 등의 박막 증착 방법을 이용하여 광전변환부를 형성할 경우에, 트렌치 내부에 위치하는 제2 도전층의 일부가 노출되게 광전변환부 물질이 기판에 경사 증착되게 할 수 있다. 이 경우에는 제2 도전층이 형성된 기판상에 광전변환부 물질이 서로 이격되게 형성된다. 따라서 마스크층을 형성한 후 광전변환부 물질을 에칭할 필요가 없어지기 때문에 상기한 도 5c 공정 및 상기한 도 5d 공정을 생략할 수 있다. 다시 요약하면, 광전변환부 물질을 경사 증착에 의하여 형성할 경우에는, 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치들이 형성된 기판상에 제1 도전층, 광전변환부, 제2 도전층 형성 공정이 차례로 실시된다. 이에 따라 인접한 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결됨으로써 단일접합 구조의 고효율의 집적형 태양전지가 제조된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 집적형 박막 태양전지가 제조될 경우, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적의 극대화로 다중접합 구조의 고효율의 집적형 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 기판의 단위 셀 영역(UC1, UC2) 즉 돌출면 영역에 막히거나 관통하는 많은 구멍을 뚫은 기판을 사용하여 전술한 공정(도 5a, b, c, d, e 또는 도 5a, c, e)을 똑같이 수행하면 투과형 집적형 박막 태양전지를 매우 저렴하게 제조할 수 있게 된다(미국 특허: 8,449,782; 일본 특허; 4,592,676; 일본 특허; 5,396,444 참조).
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치의 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)의 일례를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 상기한 공정챔버(P2)는 증착 물질의 직진성이 있는 스퍼터, 이온 빔 증발, 중성입자 빔 증발, 전자 빔 증발, 열 증발, 유출기 또는 스프레이 등의 박막 증착법에 의해 제2 도전성 물질을 경사 증착시킨다. 뿐만 아니라, 앞서 설명한 바와 같이 마스크용 물질, 제1 도전성 물질, 광전변환부 물질들을 경사 증착시킬 수도 있다. 아래에서는 제2 도전성 물질을 경사 증착하는 경우에 대해서 설명하기로 한다.
제2 도전층(140)을 형성하는 공정챔버(P2)는 기판 홀더(200), 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)를 포함한다. 기판 홀더(200)는 이송부(40)로부터 기판(100)을 이송 받는다. 즉, 기판 홀더(200)는 제2 도전층 형성 공정챔버(P2) 내부 하단에 설치되어 기판(100)을 이송 받아 지지한다. 기판(100)은 상기한 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)의 일측면에 설치되는 입구(미도시)를 통하여 이송부(미도시)에 의하여 상기한 공정챔버(P2) 내부로 이송된다. 기판 홀더(200)에 의하여 지지된 기판(100)은 기판 홀더(200)의 하부에 설치된 바퀴(210)에 의하여 레일(230)을 따라 좌우로 이동될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이 롤투롤 방식 또는 롤러 방식의 인라인 타입의 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 이송부(40)를 구비한 이송챔버(TC)를 포함하지 않을 수도 있으므로 상기 인라인 타입의 제조 장치의 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)는 이송부(40)로부터 기판(100)을 이송받는 기판 홀더(200)와 레일(230)을 포함하지 않을 수도 있다.
방출기(300)는 제2 도전성 물질을 기판(100)을 향하여 방출한다. 방출기(300)는 기판 홀더(200)의 상부에 배치되어 기판(100)에 증착될 제2 도전성 물질을 방출시킨다. 방출기(300)는, 증착될 도전성 물질(310)이 그 내부에 채워져 있다. 열 증발법에 의하여 증착 공정이 이루어질 경우 방출기(300)의 외부에는 방출기(300)를 가열하여 도전성 물질을 증발시키기 위한 가열 수단(미도시)이 더 구비될 수 있다. 또한 이온 빔 증발 또는 중성입자 빔 증발 법에 의하여 제2 도전성 물질의 증착 공정이 이루어질 수 있으나, 전자, 이온 또는 중성입자 빔을 방출기(300) 내부의 증발될 물질에 충돌 가열시켜 제2 도전성 물질이 방출기(300)로부터 방출될 수 있다, 그리고 방출기(300)는 도전성 물질뿐만 아니라 절연성 물질, 반도체 물질 즉 광전변환부 물질도 방출할 수 있다.
증착각 조절기(400)는 마스크층(130) 상에 형성되어 인접하는 광전변환부들(120) 사이의 영역에서 제1 도전층(110)과 전기적으로 연결되는 제2 도전층(140)을 형성하도록, 방출되는 제2 도전성 물질의 일부를 가린다. 이를 위하여 도 6a의 증착각 조절기(400)는 방출기(300)를 감싸고 제2 도전성 물질을 기판(100) 방향으로 방출하기 위한 적어도 하나 이상의 개구부(410, 420)를 그 원통면에 가진다. 이때, 제2 도전성 물질은 외부의 도전성 물질 공급부(미도시)로부터 개구부들 중 증착각 조절기(400)의 상부의 개구부(410)를 통하여 방출기(300)로 공급되거나 증착각 조절기(400)의 일측면 또는 양측면에서 지속적으로 공급될 수 있다. 제2 도전성 물질은 기판 홀더(200)와 인접한 개구부(420)를 통하여 원하는 각도로 기판(100) 방향으로 방출된다. 증착각 조절기(400)는 방출기(300)를 감쌀 수 있는 원형 또는 기타 다른 형상의 플레이트로 형성될 수 있다. 또한, 증착각 조절기(400)는 제2 도전성 물질이 기판(100) 방향으로 방출되는 각도를 조절하기 위하여, 외부의 엑튜에이터(미도시)에 연결되어 회전될 수 있다. 이에 따라, 증착각 조절기(400)를 적당한 각도 회전시켜서, 일정한 간격으로 이격되고 서로 평행한 트렌치가 형성된 기판(100)상에 증착되는 도전성 물질의 증착각(θ, θ')이 조절될 수 있다. 도 6a의 증착각 조절기(400)는 개구부(410, 420)의 위치 변화로 방출되는 제2 도전성 물질의 일부를 가림으로써 양(+)의 증착각(θ, θ') 또는 음(-)의 증착각(-θ, -θ')이 제어된다. 도 6b의 증착각 조절기(400)는 평면 플레이트를 포함하며, 이의 좌우 이동에 의하여 방출되는 제2 도전성 물질의 일부를 가린다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 증착각 조절기(400)가 좌측으로 이동하면 제2 도전성 물질의 양(+)의 증착각(θ')이 작아지고, 증착각 조절기(400)가 우측으로 이동하면 제2 도전성 물질의 증착각(θ)이 커질 수 있다. 보다 더 우측으로 이동하면 음(-)의 증착각 조절(-θ, -θ')이 가능하다. 앞서 설명한 바와 같이 증착각 조절기는 방출기 사이 또는 공정챔버 사이의 칸막이일 수도 있고 해당 공정챔버의 구조물 일부분일 수도 있다. 따라서 후자일 경우에는 셔터 기능을 갖는 기기 및 부품이나 칸막이 등이 필요 없게 된다.
도 6a 및 도 6b에는 도시되어 있지는 않지만, 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)는 증착각 조절기(400)의 하부에 배치되는 셔터(shutter)를 더 포함할 수 있다. 방출기(300)나 제2 도전성 물질의 표면에 부착된 산화물이나 오염 물질이 제2 도전성 물질과 같이 방출되어 기판(100)에 증착되는 것을 방지하기 위하여 셔터는 방출 공정 초기에는 닫혀 있다. 소정 시간이 지난 후에 셔터가 열리면 순수한 도전성 물질이 기판(100)을 향해 방출 되기 시작한다. 또한, 도 6a 및 도 6b의 증착각 조절기(400)는 증착각 조절기(400)를 냉각시키는 냉각 파이프 라인(430)을 포함할 수 있다. 냉각 파이프 라인(430)은 증착각 조절기(400)의 표면에 위치할 수 있다. 증착각 조절기(400)를 냉각시킴으로써 증착각 조절기(400) 표면이나 개구부(420) 가장자리에 부착된 도전성 물질이 흘러내리거나 재방출되는 것을 방지하여 원하는 방향으로만 도전성 물질을 방출시킬 수 있게 된다.
그런데, 최소의 증착각(θ')으로 형성된 제2 도전층(140)의 두께는, 최대의 증착각(θ)으로 방출되어 형성된 제2 도전층(140)의 두께에 비하여 상대적으로 얇을 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 레일(230) 위에 얹힌 기판 또는 기판 홀더(200)를 일정한 속도로 좌우로 이동시키거나 한쪽 방향으로만 움직이게 하면 기판(100) 상에 적절한 두께의 균일한 제2 도전층(140)을 형성할 수 있다. 롤투롤 또는 롤러 타입의 제조 장치인 경우에 있어서 유연 기판을 사용할 경우에도 동일한 방법으로 균일한 막을 증착할 수 있다.
한편, 도 6a 및 도 6b에서는 기판 홀더(200)가 제2 도전층 형성 공정챔버(P2) 내부 하단에 설치되고, 기판(100) 하부에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 기판 홀더(200)가 상기한 공정챔버(P2)의 상단에 설치되고, 기판(100)의 상부에서 기판(100)을 지지하는 구조일 수도 있다. 롤투롤 방식 또는 롤러 타입의 제조 장치인 경우에는 기판 홀더가 필요하지 않을 수 있다.
제2 도전층 형성 공정챔버(P2)의 기판 홀더(200), 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)는 경사 증착이 이루어지는 모든 공정챔버에 포함될 수 있다. 즉, 도 5a 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 도전층(110) 및 마스크층(130)은 경사 증착에 의하여 형성된다. 이에 따라 제1 도전층(110) 및 마스크층(130)을 형성하는 공정챔버(P3) 및 마스크층 형성 공정챔버(PA)는 기판 홀더(200), 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)를 각각 포함할 수 있다. 제1 도전층 형성 공정챔버(P3)의 방출기(300)는 제1 도전성 물질을 방출시키고, 마스크층 형성 공정챔버(PA)의 방출기(300)는 마스크용 물질을 방출시킬 수 있다. 또한 도시되지는 않았지만, 앞서 설명한 바와 같이 광전변환부도 경사 증착에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라 광전변환부 형성 공정챔버(P1)의 단위 공정챔버(P11, P12, P13, P14)들은 기판 홀더(200), 방출기(300) 및 증착각 조절기(400)를 각각 포함할 수 있다. 광전변환부 형성 공정챔버(P1)의 단위 공정챔버(P11, P12, P13, P14)들의 방출기(300)는 광전변환부 형성 물질을 방출시킬 수 있다. 이에 따라 제1 도전성 물질, 광전변환부 물질, 마스크용 물질 또는 제2 도전성 물질이 비스듬히 기판 표면에 증착될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치들은 서로 이격된 제1 도전층(110)과 서로 이격된 광전변환부(120)가 순차적으로 적층된 기판을 진공 상태에서 이송하는 이송부(40)와 더불어 이송부로부터 기판(100)을 이송 받는 기판 홀더(200), 제2 도전성 물질을 기판(100)을 향하여 방출하는 방출기(300), 인접하는 광전변환부들(120) 사이의 영역에서 제1 도전층(110)과 전기적으로 연결되는 제2 도전층(140)을 형성하도록 제2 도전성 물질의 향방을 조절하는 증착각 조절기(400)를 포함하는 제2 도전층 형성 공정챔버(P2)를 공통적으로 포함한다.
또한, 도 1 내지 도 4에는 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 나노임프린트 (nanoinprint), 핫 엠보싱(hot embossing), 핫 프레스(hot press) 등의 방법에 의해 기판에 트렌치들을 형성하는 공정챔버를 더 포함할 수 있다. 또한 트렌치들을 형성한 후, 트렌치들이 형성된 기판을 건조 또는 냉각하기 위한 건조 또는 냉각용 공정챔버를 더 포함할 수 있다. 건조 또는 냉각용 공정챔버는 도 1 및 도 4에서는 이송챔버 둘레에, 도 2 및 도 3에서는 로딩 챔버(LP)와 제1 도전층을 형성하는 공정챔버(P3) 사이에 각각 장착되고 이때에는 트렌치들이 형성되지 않은 기판과 유연 기판이 로딩 챔버(LP)에 각각 로딩된다.
또한, 도 1, 도 2 및 도 4에는 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 태양전지 제조 장치는, 제1 광전변환부를 형성하는 단위 공정챔버들(P11 내지 P14) 외에, 도 3에 도시되어 있는 것처럼, 제2 광전변환부를 형성하는 단위 공정챔버(P11' 내지 P14')들을 더 포함할 수 있다. 제1 광전변환부 상에 제2 광전변환부가 형성될 경우, 제1 광전변환부와 제2 광전변환부 사이에 위치하는 중간층을 형성하기 위한 공정챔버를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 이중접합 구조의 집적형 태양전지를 제조할 수 있다.
중간층은 절연성 또는 도전성 물질로 이루어지며, 투명한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 중간층은 질화규소, 규소산화물, 탄화규소, 또는 금속산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 중간층는 금속산화물 계열인 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(tin oxide; SnO2), 산화인듐주석(indium tin oxide; ITO), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브덴(MoO3), 산화바나듐(V2O5), 산화티타늄(TiOx) 또는 산화니켈(NiOx)등과 세슘(Cs) 또는 불화리튬(LiF) 등과 같은 금속 또는 절연체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 4에는 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치는 도전성 물질이나 광전변환부를 형성하기 위한 공정 가스 또는 에칭 가스가 공정챔버 간에 상호 혼입되지 않게 하기 위하여 게이트 밸브(gate valve) 또는 가스 게이트(gas gate), 칸막이(partition)와 같은 개폐 또는 밀폐, 격리 수단이 각각 설치될 수 있다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 도 1 및 도 4에서는 이송챔버와 이와 연결된 각각의 공정챔버들(EP, PA, P2) 사이 또는 단위 공정챔버들(P11 내지 P14) 사이에, 도2 및 도 3에서는 로딩 챔버(LP)로부터 언로딩 챔버에 이르는 이웃한 모든 공정챔버들 사이 사이에 상기한 게이트 밸브나 가스 게이트, 칸막이 등이 각각 장착될 수 있다.
또한, 도시하지는 않았지만, 모든 공정챔버에는 필요에 따라 기판을 냉각 또는 가열하는 수단을 각각 구비할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치들의 상기한 공정챔버들(P3, P1, PA, EP, P2) 내에서 기판 표면에 대해 경사진 각도로 증착될 물질이 입사하여 기판에 박막이 형성되는 것처럼 설명하였다. 그러나, 기판에 형성된 트렌치의 단면 형상에 따라, 예를 들어 단면 형상이 기울어진 우물의 그것과 같은 경우에는, 각각의 공정챔버 내에서 반드시 경사 증착에 의해 박막이 형성될 필요는 없고 기판에 대해 수직 증착에 의해 박막이 형성되는 경우도 포함될 수 있다(한국 등록특허: 10-1060239 및 한국 등록특허: 10-1112487 참조).
이제까지 경사 증착이란 용어는 서로 이격되고 평행한 트렌치들이 형성된 기판을 수평으로 놓았을 때, 증착될 물질이 기판 표면에 대해 경사진 각도로 입사하여 기판에 증착된다는 의미로 사용하여 왔다. 그러나 이 경사 증착 개념은 상대적인 것으로서, 증착될 물질이 수평면에 대해 수직으로 입사하고 이에 대해 기판이 수평면에 대해 경사지게 놓이거나 움직이는 경우를 포함할 수 있다. 또한 기판이 유리처럼 딱딱한 경우뿐만 아니라 폴리머처럼 유연할 때도 적용 가능하다. 예를 들면, 롤투롤 타입의 제조 장치에는 물론이고, 앞서 여러 번 용어를 사용해왔지만, 롤러 타입의 제조 장치에도 적용 가능하다. 본 발명에 의한 실시예에서는 공정챔버들이 직선으로 배치된 도 2 및 도 3을 제시했지만 이를 원형 배치로 바꾸어 약간 변형하면 롤러 타입의 제조 장치가 된다. 즉 하나의 대형 원통(drum)을 사용하고 그 바깥쪽 둘레에 모든 공정챔버 또는 공정수단(방출기)을 배치하면 된다. 이 경우에는 유연 기판이 대형 원통면에 밀착되어 움직이고 원통 둘레에 각종 공정수단이 배치되기 때문에 유연 기판에 대한 공정 물질의 상대적인 입사 각도를 임의로 조절할 수가 있다. 경우에 따라 칸막이 등과 같은 격리 수단을 사용하고 기판에 대해 상대적으로 방출기를 임의 각도로 기울임으로써 경사 증착을 실현할 수 있다. 또한 기판을 수평으로 높이거나 가로 또는 세로로 세워서 공정할 수 있는 클러스터나 롤투롤, 롤러 타입의 제조 장치에도 경사 증착 개념은 각각 적용 가능하다.
또한, 도 1 내지 도 4 및 이와 관련된 설명에서 본원 발명의 실시예에 따른 제조 장치에 포함된 공정 챔버들은 독립적인 챔버로 도시되고 있으나, 각각의 공정 챔버들은, 롤러 타입의 장치에서 설명한 것처럼. 반드시 자신만의 밀폐된 공간을 구비할 필요는 없다. 예컨대, 본원 발명의 실시예에 따른 태양전지의 각 층을 증착 및 에칭 시에 서로 다른 공정의 증착 물질과 에칭 물질들이 서로 섞이는 것이 방지될 수 있도록 각 공정 공간이 칸막이 등과 같은 수단을 통해 격리되는 것으로 충분하다. 상술한 바와 같이 각각의 공정 공간은 하나의 진공 챔버 내에 위치할 수 있다. 따라서, 본원 명세서에서 공정챔버는 자신만의 밀폐된 공간을 구비한 것 이외에 격리 수단 또는 공정챔버의 구조물의 일부분 등에 의해 격리 또는 차폐된 독립적인 공정 공간을 포괄하도록 지칭될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지 제조 장치들에 의하여 실리콘 계열의 광전변환 물질을 포함하는 집적형 박막 태양전지가 제조되는 것에 대하여 설명되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 화합물 계열, 유기물 계열, 건식 염료 감응 계열 및 페로브스카이트(perovskite) 계열의 광전변환 물질을 포함하는 태양전지의 제조에도 적용될 수 있다. 또한, 광전변환부를 구성하는 물질에 따라 또는 용도에 따라 공정챔버의 개수는 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 제조 장치들에 의하여 집적형 박막 태양전지가 제조될 경우, 레이저 식각 공정 등이 필요 없기 때문에 공정 중에 기판이 대기에 노출될 기회가 없고 따라서 항상 진공이 유지된 상태에서 집적형 박막 태양전지가 제조되므로 각종 이물질에 의한 막질 악화가 방지되어 집적형 박막 태양전지의 성능이 향상될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치들은 레이저 패터닝 공정시 발생할 수 있는 분진에 의한 오염이나 막질의 악화가 원천적으로 방지될 수 있고, 레이저 패터닝 공정에 의하여 발생하는 분진을 감소 또는 제거하기 위한 기판의 반전 및 세정 공정이 생략될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 장치들은 단위 셀들을 전기적으로 직렬연결하여 단일접합 구조의 소자를 제조할 시 진공 상태를 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명의 실시예들에 따른 제조 장치들은 다중접합 구조의 집적형 박막 태양전지를 제조할 시에도 진공 상태를 계속하여 유지할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 제막 공정만을 반복적으로 또는 연속적으로 수행하거나, 제막 및 식각 공정을 반복적으로 또는 연속적으로 수행함으로써 유효면적을 극대화시켜 생산할 수 있는 전력을 극대화할 수 있는 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 진공 상태의 복수의 공정챔버에서 단일접합 구조의 집적형 박막 태양전지 및 다중접합 구조의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 패터닝을 하기 위해 각각의 박막이 증착된 기판이 대기에 노출될 때마다 대기 중의 수분이나 먼지 등에 의해 태양전지의 각층이 오염되어 소자의 계면 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 저하되는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 진공을 깨지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 식각으로 발생되는 분진에 의해 박막에 미세 구멍 즉 핀 홀들이 발생되어 션트 저항이 감소하고, 레이저 에너지에 의해 박막이 열적 손상을 받아 막질이 악화되어 소자의 접합 특성이 나빠져서 소자의 에너지 변환효율이 감소하는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 레이저를 사용하지 않고 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 분진 대책을 위한 기판 반전기 및 기판 세정기와 여러 대의 고가의 레이저 장비가 필요 없이도 제조단가가 저렴한 고효율의 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 고가의 레이저 장비를 전혀 사용하지 않고서도 제조단가가 저렴한 투과형 집적형 박막 태양전지를 제조할 수 있다.

Claims (17)

  1. 진공 상태에서 복수의 단위 셀들이 전기적으로 직렬연결되는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치로서,
    기판에 형성된 복수의 트렌치들 각각의 내부의 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 일측면 및 상기 일측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제1 도전층이 형성된 상기 기판상에 광전변환 물질을 방출하여 광전변환부를 형성하는 광전변환부 형성 공정챔버; 및
    상기 트렌치들 각각의 내부의 또 다른 일기선으로부터 상기 각각의 트렌치의 바닥면과 상기 바닥면에 이어진 타측면 및 상기 타측면에 이어진 상기 기판의 돌출면 영역상에 제2 도전층을 형성하는 제2 도전층 형성 공정챔버를 포함하고,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버 및 상기 제2 도전층 형성 공정챔버는 진공 상태에서 상기 각각의 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버 및 상기 제2 도전층 형성 공정챔버 각각은 상기 광전변환부 형성 물질 및 상기 제2 도전층 형성 물질 각각을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도 이하로 각각 입사되게 하는 방출기를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버에서 상기 광전변환부는 상기 각각의 트렌치 내부의 상기 제1 도전층의 일부가 노출되도록 형성되며,
    상기 제2 도전층 형성 공정챔버에서 상기 또 다른 일기선은 상기 제1 도전층이 노출된 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버 및 상기 제2 도전층 형성 공정챔버 각각의 챔버 사이에는, 상기 광전변환부 형성 물질 및 상기 제2 도전층 형성 물질이 이웃한 챔버들 간에 서로 혼입되거나 이웃한 챔버에 유입되지 않도록 개폐 수단, 밀폐 수단 및 격리 수단 중 적어도 어느 하나가 존재하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전층 형성 공정챔버는 상기 제2 도전층 형성 물질을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도 이하로 각각 입사되게 하는 방출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환부상에 마스크층을 형성하는 마스크층 형성 공정챔버; 및
    상기 각각의 트렌치 내부의 상기 제1 도전층의 일부가 노출되도록 상기 마스크층을 마스크로 하여 상기 광전변환부를 에칭하는 광전변환부 에칭 공정챔버를 더 포함하며,
    상기 제2 도전층 형성 공정챔버에서 상기 또 다른 일기선은 상기 제1 도전층이 노출된 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버, 상기 마스크층 형성 공정챔버, 상기 에칭 공정챔버, 상기 제2 도전층 형성 공정챔버 각각의 챔버 사이에는, 상기 광전변환부 형성 물질, 상기 마스크층 형성 물질, 상기 에칭 물질 및 상기 제2 도전층 형성 물질이 이웃한 챔버들 간에 서로 혼입되거나 이웃한 챔버에 유입되지 않도록 개폐 수단, 밀폐 수단 및 격리 수단 중 적어도 어느 하나가 존재하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  8. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 복수의 트렌치들이 형성된 기판에 대하여 제1 도전성 물질을 증착하여 상기 제1 도전층을 형성하는 제1 도전층 형성 공정챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버, 상기 제2 도전층 형성 공정챔버 및 상기 제1 도전층 형성 공정챔버 각각은 상기 광전변환부 형성 물질, 상기 제2 도전층 형성 물질 및 상기 제1 도전층 형성 물질 각각을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도로 각각 입사되게 하는 방출기를 각각 포함하거나,
    상기 제2 도전층 형성 공정챔버, 상기 마스크층 형성 공정챔버, 상기 에칭 공정챔버 및 상기 제1 도전층 형성 공정챔버 각각은 상기 제2 도전층 형성 물질, 상기 마스크층 형성 물질, 상기 에칭 물질 및 상기 제1 도전층 형성 물질 각각을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도 이하로 각각 입사되게 하는 방출기를 각각 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버, 상기 제2 도전층 형성 공정챔버, 상기 마스크층 형성 공정챔버, 상기 에칭 공정챔버 및 상기 제1 도전층 형성 공정챔버 각각의 챔버 사이에는 상기 광전변환부 형성 물질, 상기 제2 도전층 형성 물질, 상기 마스크층 형성 물질, 상기 에칭 물질 및 상기 제1 도전층 형성 물질이 이웃한 챔버들 간에 서로 혼입되거나 이웃한 챔버에 유입되지 않도록 개폐 수단, 밀폐 수단 및 격리 수단 중 적어도 어느 하나가 존재하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버는 제1 광전변환부를 형성하는 제1 광전변환부 형성 공정챔버와 제2 광전변환부를 형성하는 제2 광전변환부 형성 공정챔버를 포함하며, 상기 제1 광전변환부 및 상기 제2 광전변환부 사이에 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버, 상기 제2 도전층 형성 공정챔버, 상기 제1 도전층 형성 공정챔버 및 상기 중간층 형성 공정챔버 각각은 상기 광전변환부 형성 물질, 상기 제2 도전층 형성 물질, 상기 제1 도전층 형성 물질 및 상기 중간층 형성 물질 각각을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도 이하로 각각 입사되게 하는 방출기를 각각 포함하거나,
    상기 제2 도전층 형성 공정챔버, 상기 마스크층 형성 공정챔버, 상기 에칭 공정챔버, 상기 제1 도전층 형성 공정챔버 및 상기 중간층 형성 공정챔버 각각은 상기 제2 도전층 형성 물질, 상기 마스크층 형성 물질, 상기 에칭 물질, 상기 제1 도전층 형성 물질 및 상기 중간층 형성 물질 각각을 직진성을 갖도록 방출하여 상기 기판 표면에 대해 입사각이 소정 각도 이하로 각각 입사되게 하는 방출기를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광전변환부 형성 공정챔버, 상기 제2 도전층 형성 공정챔버, 상기 마스크층 형성 공정챔버, 상기 에칭 공정챔버, 상기 제1 도전층 형성 공정챔버, 상기 중간층 형성 공정챔버 각각의 챔버 사이에는 상기 광전변환부 형성 물질, 상기 제2 도전층 형성 물질, 상기 마스크층 형성 물질, 상기 에칭 물질, 상기 제1 도전층 형성 물질 및 상기 중간층 형성 물질이 이웃한 챔버들 간에 서로 혼입되거나 이웃한 챔버에 유입되지 않도록 개폐 수단, 밀폐 수단 및 격리 수단 중 적어도 어느 하나가 존재하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  14. 제1항 내지 제10항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 대기 상태에서 진공 상태로 진입시키기 위한 로딩 챔버와 진공 상태에서 대기 상태로 꺼내기 위한 언로딩 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 로딩 챔버는 코어에 감긴 상기 기판을 풀어주기 위한 언와인딩 롤러를 포함하고 상기 언로딩 챔버는 또 다른 코어에 상기 기판을 감아주기 위한 리와인딩 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기판을 대기 상태에서 진공 상태로 진입시키기 위한 로딩 챔버, 진공 상태에서 대기 상태로 꺼내기 위한 언로딩 챔버 및 진공 상태에서 상기 기판을 이송하는 이송부를 구비한 이송챔버를 더 포함하거나, 로딩과 언로딩을 겸한 로딩/언로딩 챔버 및 진공 상태에서 상기 기판을 이송하는 이송부를 구비한 이송챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 기판을 가열하기 위한 가열수단 및 상기 기판을 냉각시키기 위한 냉각수단 중 적어도 하나를 필요에 따라 각각의 공정챔버 내에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 장치.
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