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KR101378053B1 - 절연성 금속 기판 및 반도체 장치 - Google Patents

절연성 금속 기판 및 반도체 장치 Download PDF

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KR101378053B1
KR101378053B1 KR1020127020316A KR20127020316A KR101378053B1 KR 101378053 B1 KR101378053 B1 KR 101378053B1 KR 1020127020316 A KR1020127020316 A KR 1020127020316A KR 20127020316 A KR20127020316 A KR 20127020316A KR 101378053 B1 KR101378053 B1 KR 101378053B1
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metal substrate
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시게노리 유야
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

절연성 금속 기판은 태양 전지 등의 반도체 장치에 사용된다. 상기 기판은 강, 철기 합금강 또는 티타늄으로 제조된 금속 기재, 알루미늄층 및 알루미늄을 양극 산화 처리하여 얻어진 절연층을 포함한다. Al3X(여기서, X는 Fe, Cr 및 Ti로부터 선택된 원소 중 적어도 1종)로 나타내어지는 조성의 합금으로 주로 제조된 합금층은 상기 금속 기재와 상기 알루미늄층 사이의 계면에 존재하고, 0.01∼10㎛의 두께를 갖는다. 상기 알루미늄층은 1㎛ 이상 및 상기 금속 기재의 두께 이하이다.

Description

절연성 금속 기판 및 반도체 장치{INSULATING METAL SUBSTRATE AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 우수한 절연성을 갖는 절연성 금속 기판 및 이 기판을 사용하는 태양 전지 등의 반도체 장치에 관한 것이다.
종래에는 대량의 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 박막 어모퍼스 실리콘을 사용하는 실리콘 태양 전지가 주로 사용되어 왔지만, 최근에는 실리콘에 의존하지 않는 화합물 반도체 태양 전지가 연구 개발되고 있다.
공지된 화합물 반도체계 태양 전지는 GaAs 등의 Ⅲ-Ⅵ족 화합물, CdTe 등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 및 CIS(Cu-In-Se) 및 CIGS(Cu-In-Ga-Se) 등의 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물로부터 제조된 것들을 포함한다. CIS와 CIGS는 높은 흡광도 및 높은 광전 변환 효율을 갖는다고 알려져 있다.
최근에, 유리 기판이 태양 전지에 주로 사용되고 있지만, 가요성 금속 기판의 사용이 연구되고 있다.
금속 기판을 사용하는 화합물 박막 태양 전지는 기판의 경량성 및 유연성 등의 특성에 근거하여 유리 기판을 사용하는 일반적인 것과 비교하여 매우 다양하게 적용될 수 있는 가능성이 있다. 또한, 상기 금속 기판이 고온 처리를 견딜 수 있는 관점에서, 상기 광흡수층은 고온에서 형성되어 광전 변환성을 향상시킴과 동시에 태양 전지의 보다 높은 효율성을 유지할 수 있다.
태양 전지(태양 전지 모듈)는 하나의 기판 상에 직렬로 연결되어 있고 태양 전지 모듈 안에 통합되어 있으므로, 모듈의 효율성을 향상시킬 수 있다. 상기 금속 기판이 이 공정에 사용되는 경우, 광전 변환을 위해서 금속 기판 상에 절연층을 형성하고 반도체 회로층을 설치할 필요가 있다.
예를 들면, JP 2001-339081 A에는 스테인리스강 등의 철 소재들이 태양 전지 기판으로 사용되고 CVD 등의 기체상 증착 기술 또는 졸겔법 등의 액상 증착 기술에 의해 규소 산화물 또는 알루미늄 산화물로 기판을 코팅함으로써 절연층이 형성된다고 기재되어 있다.
그러나, 이들 기술은 핀홀 및 크랙을 야기하는 경향이 있고, 광범위한 박막 절연층을 제조하는데 적합하지 않다는 주요 문제를 가지고 있다.
한편, 알루미늄(Al)의 경우에 있어서, 그 표면에 양극 산화(양극 산화 알루미늄(AAO))막을 형성함으로써 핀홀이 없고 양호한 접착을 갖는 절연막이 얻어진다.
따라서, JP 2000-49372 A에 기재된 바와 같이, 알루미늄 기판의 표면에 절연층 역할을 하는 양극 산화막을 형성함으로써 얻어진 기판을 사용하는 태양 전지 모듈이 활발히 연구되고 있다.
Tokyo Metropolitan Industrial Technology Reserch Institute의 2000년 12월자 연구 보고서 No.3, p.21(이하 "비특허문헌 1")의 Masashi Kayashima와 Masakatsu Mushiro에 의해 기재된 바와 같이, 크랙은 120℃ 이상의 온도로 가열함으로써 알루미늄 표면에 형성된 양극 산화막에서 발생된다고 알려져 있다.
그러나, 고품질의 광전 변환 효율을 얻기 위해서, 화합물 반도체, 특히 CIGS 화합물 반도체로 제조된 광흡수층은 보다 높은 막 증착 온도에서 증착되고, 상기 막 증착 온도는 일반적으로 500℃ 이상이다.
절연층 역할을 하는 양극 산화 알루미늄막을 갖는 기판이 화합물 반도체로 제조된 광흡수층을 갖는 태양 전지 기판의 기판으로 사용되는 경우에 양극 산화막의 크랙 또는 박리는 광흡수층이 형성되는 동안 또는 막 증착 후 냉각하는 동안에 발생할 수 있다.
한번 크랙이 발생하면 절연성은 악화되고, 특히 누설 전류는 증가하여 만족스럽지 못한 광전 변환 효율로 이어진다. 고장도 발생할 수 있다.
또한, 알루미늄은 200℃ 부근에서 연화되므로 이 온도 이상의 온도를 거친 알루미늄 기판은 매우 낮은 강도를 갖고, 크리프 변형 또는 좌굴 변형 등의 영구적 변형(플라스틱 변형)이 쉽게 일어난다.
따라서, 알루미늄 기판을 사용하는 태양 전지의 취급은 엄밀히 제한되어야 하고 그것이 제조되는 동안에도 마찬가지이다. 이것은 알루미늄 기판을 사용하는 태양 전지가 옥외 태양 전지 장치에 적용되는 것을 곤란하게 한다.
한편, JP 2009-132996 A에는 알루미늄 등의 양극 산화성 금속으로 제조된 층은 중간층으로서 스테인리스강, 구리, 알루미늄, 티타늄, 철 또는 철 합금 등의 금속 기판의 표면에 설치되고, 이 중간층을 양극 산화함으로써 형성된 막을 절연층으로 사용하는 내열성 절연 기판이 기재되어 있다. 이러한 구조에 의해, 어느 정도 내열성을 갖는 절연성 금속 기판을 얻을 수 있다.
그러나, S.K. Mannan, V. Seetharaman 및 V.S. Raghunathan 저, Materials Science and Engineering, Vol.60(1983), p.79-86에 기재된 바와 같이 강철 기재에 Al층의 형성으로부터 야기된 금속 물질이 약 500℃로 가열될 때에 Al층과 강철 기재 사이의 계면에 불안정한 금속간 화합물(IMC)이 제조되고, 이 금속간 화합물에 의해 Al층과 강철 기재 사이의 계면 강도는 감소하여 결국 막은 박리된다.
JP 2001-339081 A JP 2000-49372 A JP 2009-132996 A
Masashi Kayashima 및 Masakatsu Mushiro저, 도쿄도립 산업기술 연구센터, 2000년 12월자 연구 보고서 No.3, p.21 S.K. Mannan, V. Seetharaman 및 V.S. Raghunathan 저, Materials Science and Engineering, Vol.60(1983), p.79-86
상술한 바와 같이, 최근 연구되고 있는 화합물 반도체 중 하나가 광흡수층으로서 사용되는 경우, 광흡수층의 증착 온도는 높은 광전 변환 효율을 얻기 위해서 고온이어야 한다. 이러한 증착 온도는 일반적으로 최소 500℃이며 그 이상인 것이 더욱 바람직하다.
이러한 이유로 강철 기판 상에 Al층이 적층된 기판 내에서 Al층과 강철 기재 사이의 계면에 형성된 금속간 화합물에 의해 계면 강도가 감소한다는 문제가 있고, 현재에는 태양 전지에 사용하기 위한 절연층을 가지는 만족스러운 금속 기판은 없다.
본 발명의 목적은 예를 들면, 화합물 반도체로 제조된 광흡수층을 갖는 박막 태양 전지에서 광흡수층의 증착 등의 고온의 반도체 회로 제조 공정을 거친 후에도 양호한 절연성 및 기계 강도, 유연성을 갖는 절연성 금속 기판을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 태양 전지 등의 광범위한 반도체 소자에서 롤투롤 시스템에 의해 제조될 수 있는 유연한 절연성 금속 기판 및 이 절연성 금속 기판을 사용하는 태양 전지 모듈 등의 반도체 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 강철, 철기 합금강 또는 티타늄으로 제조된 금속 기재; 상기 금속 기재 중 적어도 한 면 상에 설치된 알루미늄층; 상기 알루미늄층의 표면을 양극 산화하여 형성된 절연층; 및 Al3X(X는 Fe, Cr 및 Ti로부터 선택된 원소 중 적어도 1종)로 나타내어지는 조성의 합금으로 주로 제조된 합금층을 포함하고, 상기 금속 기재와 상기 알루미늄층 사이의 계면에 존재하는 절연성 금속 기판을 제공하고, 상기 합금층은 0.01~10㎛의 두께를 갖고 상기 알루미늄층은 1㎛ 이상 또는 상기 금속 기재의 두께 이하를 갖는다.
본 발명에 따른 절연성 금속 기판에 있어서, 절연층은 다공성 구조를 갖는 알루미늄의 양극 산화막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 알루미늄층은 상기 금속 기재의 적어도 한 면에 알루미늄 시트를 가압 접합하여 상기 금속 기재 중 적어도 한 면에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 기재는 10~1000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연층은 0.5~50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 본 발명의 절연성 금속 기판; 및 상기 절연성 금속 기판의 표면 상에 배열된 반도체 소자를 포함하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 절연성 금속 기판에 있어서, 반도체 소자는 직렬로 연결된 광전 변환 소자인 것이 바람직하다. 또한, 각각의 상기 광전 변환 소자는 칼코피라이트형 결정 구조를 갖는 화합물 반도체를 포함하는 광흡수층을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 상기 광전 변환 소자는 몰리브덴으로 이루어진 하부 전극을 갖는 것이 바람직하고, 상기 화합물 반도체는 Ib족 원소, Ⅲb족 원소 또는 Ⅵb족 원소로 이루어진 적어도 하나의 화합물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, Ib족 원소는 구리 및/또는 은을 포함하는 것이 바람직하고, Ⅲb족 원소는 알루미늄, 갈륨 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하고, Ⅵb족 원소는 황, 셀레늄 및 텔루륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
상기 구조를 갖는 본 발명의 절연성 금속 기판 및 반도체 장치는 금속 기재와 Al층 사이의 두께가 0.01~10㎛인 합금층(금속간 층)을 갖고, 예를 들면 태양 전지 모듈의 제조 후에 CIGS 등의 최소 500℃ 이상의 증착 온도에서 화합물 반도체계 광흡수층의 증착을 포함하는 제조 공정을 통하여 완성되었다.
이러한 이유로, 금속 기재와 알루미늄층 사이에 Al층의 박리 또는 크랙이 발생하지 않고 절연층의 박리 또는 크랙이 발생하지 않는다.
결과로서, 본 발명의 절연성 금속 기판은 양호한 절연성과 기계적 강도를 갖고 유연하다. 또한, 상기 절연성 금속 기판을 사용하는 본 발명의 반도체 장치는 절연성 감소에 의한 성능 감소 또는 기판의 강도 감소에 의한 기계적 강도 감소를 억제하는데 적합한 특성을 가진다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 500℃ 이상의 온도에서 처리된 후에도 높은 절연성 및 높은 강도를 유지할 수 있다. 즉, 500℃ 이상의 고온에서의 제조 공정이 가능하고 500℃ 이상의 막 증착 온도에서 화합물 반도체로 제조된 광흡수층을 형성할 수 있다.
광흡수층을 이루는 화합물 반도체는 광전 변환성이 향상되도록 고온에서 형성되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따라서 향상된 광전 변화성을 갖는 광흡수층을 갖는 태양 전지는 500℃ 이상의 온도에서 막 증착에 의해 얻을 수 있다.
500℃ 이상의 고온에서의 제조 공정을 포함하는 공정인 경우에도, 기판의 충분한 강도를 확보하여, 제조시에 취급에 대한 제한을 없앨 수가 있다.
도 1은 본 발명의 절연성 금속 기판을 사용하는 태양 전지의 예를 도식적으로 나타낸다.
도 2는 합금층을 형성하기 전에 절연성 금속 기판의 예를 도식적으로 나타낸 다.
도 3a는 기재 상에 Al층이 설치된 금속 물질에서 10㎛ 두께의 금속간 화합물을 형성하는 열처리 상태를 도식적으로 나타낸다.
도 3b는 기재 상에서 알루미늄층이 제공된 금속 물질에서 두께 5㎛의 금속간 화합물을 형성하는 열처리 조건을 도식적으로 나타낸다.
도 4a는 기판의 단면도의 화상 처리에 의해 출력된 차트이다.
도 4b는 기판의 단면도의 화상 처리에 의해 출력된 차트이다.
도 4c는 기판의 단면도의 화상 처리에 의해 출력된 차트이다.
도 4d는 기판의 단면도의 화상 처리에 의해 출력된 차트이다.
도 5e는 기판의 단면도의 화상 처리에 의해 출력된 차트이다.
본 발명의 절연성 금속 기판 및 반도체 장치를 첨부 도면에 나타낸 바람직한 실시형태를 참조하여 이하에 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 절연성 금속 기판을 사용하는 본 발명의 반도체 장치가 태양 전지 모듈에서 사용되는 예를 도식적으로 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(30)(이하에 "태양 전지(30)"라고 함)은 하부 전극(32), 광흡수층(34), 완충층(36) 및 상부 전극(38)을 포함하는 다수의 박막 태양 전지(40)가 절연성 금속 기판(10) 상에 직렬로 연결된 모듈형 태양 전지이다. 또한, 상기 박막 태양 전지(40)의 배열 방향으로 두 말단 상의 하부 전극(32)에, 직렬로 연결된 박막 태양 전지(40)에 의해 발생된 기전력을 수집하기 위해서 제 1 도전 부재(42) 및 제 2 도전 부재(44)가 형성된다.
태양 전지(30)에 있어서, 절연성 기판(10)(이하에 "기판(10)"이라고 함)은 금속 기재(12), Al(알루미늄)층(14) 및 절연층(16)으로 구성된 본 발명의 절연성 기판이다. 상기 절연층(16)은 Al층(14)의 표면을 양극 산화하여 얻어진 양극 산화 알루미늄막으로 제조된다.
또한, 본 발명의 기판(10)에 있어서, 합금층(20)은 금속 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이에 구성된다.
본 발명의 기판(10)(태양 전지(30)(반도체 장치))에 있어서, Al층(14)의 두께는 1㎛ 이상이고 금속 기재(12)의 두께 이하이고, 합금층(20)의 두께는 0.01~10㎛이다. 이 점은 하기에 상세히 설명한다.
도 2는 합금층(20)이 구성되기 전에 기판(10)의 예를 나타내는 단면도를 도식적으로 나타낸다.
금속 기재(12)(이하에 "기재(12)"라고 함)는 본 발명의 기판(10)의 기반 역할을 하고, 예를 들면 평면 금속 시트이다.
다양한 금속 물질은 특별한 제한없이 기재(12)의 재료로 사용될 수 있지만, 바람직한 예는 강, 철기 합금강 및 티타늄(티타늄 합금을 포함)이다. 철기 합금강은 철이 주 구성 원소인 합금 강철을 의미한다.
구체적으로, 기재(12)의 재료는 재료 성질 및 반도체 장치와 절연성 기판부의 전체 층 구조로부터 응력 산정의 결과에 기초하여 적당하게 선택될 수 있다. 선팽창계수 등의 제어를 고려하여, 바람직한 강철 기재는 오스테나이트 스테인리스강(선팽창계수: 17×10-6/℃), 탄소강(10.8×10-6/℃), 페라이트 스테인리스강(10.5×10-6/℃), 42 인바형 합금 또는 코바형 합금(5×10-6/℃), 36 인바형 합금(<1×10-6/℃)을 포함한다. 또한, 티타늄 물질로서 티타늄(선팽창계수: 9.2×10-6/℃)이 사용되어도 좋지만 순티타늄으로 제한되지 않고, 전신용 합급 Ti-6Al-4V 및 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn이 티타늄으로서 상당히 비슷한 선팽창계수를 갖기 때문에 사용되어도 좋다.
기재(12)의 두께는 특별히 제한되지 않고, 제조 공정 및 태양 전지(30)(반도체 장치)의 작업시에 요구되는 취급 특성(강도 및 유연성)에 따라 적절하게 선택되어도 좋다.
이 점을 고려하여, 기재(12)의 두께는 10~1000㎛가 바람직하다.
또한, 기판(12)의 강도는 특별히 제한되지 않지만, 탄성 한계 응력을 갖는 정도의 강도를 가져 소성 변형되지 않는다. 기재(12)의 기계적 정도 및 조질에 의존할지라도, 기재(12)의 0.2% 내력은 상온에서 250~900MPa가 바람직하다. 태양 전지(30)의 제조에 고온 처리가 있다면, 0.2% 내력의 온도 의존성 또한 중요하다. 상술한 바와 같이, 강 및 티타늄은 500℃의 온도에서 약 70%의 내력을 유지한다. 이것은 기판(10)이 광흡수층의 막 증착 온도인 500℃의 열이력을 받는 경우에도 소성 변형이 일어나지 않는 탄성 한계 응력을 보장한다.
0.2% 내력 및 그 온도 의존성은 Japan Institute of Metals와 Iron and Steel Institute of Japan의 편집 및 Maruzen Co., Ltd. 출판의 "Steel Material Handbook"에 기재되어 있다.
항복 응력 또한 기재(12)의 강도 지표로서 사용되어도 좋다.
알루미늄과 강의 영률 및 응력 산정을 필요로 하는 그들의 온도 의존성은 Japan Stainless Steel Association 편집 및 Nikkan Kogyo Shimbun, Ltd. 출판의 "Stainless Steel Handbook(제3판)"에 기재되어 있다.
상기 Al층(14)은 기재(12)의 표면 상에 형성된다.
본 발명에 있어서, 합금층(20)은 둘 사이에 구성된다. 이 합금층(20)은 하기에 상세하게 설명한다.
상기 Al층(14)은 주로 알루미늄계 층이고, 알루미늄 및 알루미늄 합금 등의 다양한 재료를 사용해도 좋다. 더욱 구체적으로, 소량의 불순물을 포함하는 순도 99질량% 이상의 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 순도 99.99질량%의 알루미늄, 순도 99.96질량%의 알루미늄, 순도 99.9질량%의 알루미늄, 순도 99.85질량%의 알루미늄, 순도 99.7질량%의 알루미늄 및 순도 99.5질량%의 알루미늄이 바람직하다.
공업용 알루미늄은 높은 순도의 알루미늄이 아닌 경우에도 사용될 수 있다. 이러한 공업용 알루미늄의 사용은 가격의 관점에서 유리하다. 그러나, 절연층(16)의 절연성의 관점에서 알루미늄 내에 실리콘을 침전시키지 않는 것이 중요하다.
본 발명의 기판(10)에 있어서, 양극 산화 알루미늄으로 제조된 절연층(16)은 기재(12)에 형성된 Al층(14)의 표면 상에 형성된다.
또한, 비특허문헌 1에 설명한 바와 같이, 크랙은 120℃ 이상의 온도에서 가열함으로써 알루미늄 표면 상에 형성된 양극 산화 알루미늄막에 형성된다.
Al층 상에 형성된 양극 산화막에서 크랙의 발생은 알루미늄의 선팽창계수(선열팽창계수)가 양극 산화막의 선팽창계수보다 크다고 생각된다.
즉, 알루미늄의 선팽창계수는 23×10-6/℃이다. 대조적으로, 양극 산화 알루미늄막의 선팽창계수의 정확한 값은 알려져 있지 않지만, 그 값은 산화 알루미늄(알파 알루미나)의 값에 가까운 약 7×10-6/℃로 추정된다. 이러한 관점에서, 약 16×10-6/℃의 선팽창계수의 큰 차이 때문에 양극 산화막이 응력을 견딜 수 없다고 생각되므로, 상술한 바와 같이 크랙은 알루미늄 물질 상의 양극 산화막에 형성된다.
따라서, 알루미늄 물질의 표면을 양극 산화하여 얻어진 절연층을 갖는 기판을 사용하는 태양 전지에 있어서, 가열은 500℃ 이상의 막 증착 온도를 필요로 하는 화합물 반도체로 제조된 광흡수층의 형성시에 절연층의 크랙 또는 박리를 발생시키기 때문에 충분한 절연성을 얻을 수 없다.
대조적으로, 본 발명에 있어서 기재(12)는 기판 전체의 강도 및 선팽창계수를 제어하고, 기재(12)와 양극 산화 알루미늄막 절연층(16) 사이에 약간의 열팽창 차이로 인해 발생된 응력은 기재(12)와 절연층(16)보다 낮은 영률을 갖는 Al층(14)을 개재하여 흡수된다. 결과로서, 열팽창계수의 차이에 의해 발생된 절연층(16) 즉, 양극 산화 알루미늄막의 크랙을 억제할 수 있다.
또한, 기계적 공정 및 조질에 의존할지라도, 알루미늄은 적어도 300MPa의 상온에서 내력을 갖지만 500℃에서의 내력은 상온에서의 1/20 이하로 떨어진다. 한편, 500℃에서의 티타늄 강철의 내력은 상온에서의 약 70% 수준으로 유지된다. 따라서, 기재(12)는 고온에서 기판(10)의 탄성 한계 응력 및 열팽창을 제어한다. 즉, 기판(10)의 충분한 강도는 500℃ 이상의 고온의 환경에서도 Al층(14)과 기재(12)를 조합하여 기판(10)을 형성함으로써 확보할 수 있다. 500℃ 이상의 고온에서 제조 과정을 포함하는 공정에서도, 기판의 충분한 강도를 확보하므로 제조시에 취급에 있어서 제한을 두지 않아도 된다.
본 발명에 있어서, 태양 전지(30)(반도체 장치)에 사용되는 경우에 Al층(14)의 두께는 1㎛ 이상 또는 금속 기재(12)의 두께 이하이다.
Al층(14)의 두께는 이하에 설명하는 합금층(20)의 두께와 비슷한 기재(12)(절연성 금속 기판)의 단면의 평균 두께를 의미한다.
Al층(14)의 두께가 1㎛보다 작으면, 충분한 응력 제거 효과를 얻을 수 없다. 또한, 알루미늄층(14)이 1㎛보다 작으면, 이하에 설명하는 합금(20)은 절연층(16)과 부분적으로 직접 접촉하고, 이것은 절연층(16)의 막 파단의 원인이 된다.
반대로, Al층이 너무 두꺼우면, 고온에서 잔류 휨을 발생시키고 그 후에 태양 전지(30)(반도체 장치)의 제조 공정을 방해한다. 또한, 태양 전지(30)의 재료비의 관점에서도 불리하다. 고온에서 알루미늄의 연화성 및 열팽창의 주 구성 성분인 기재(12)의 영률에 따라서 달라질지라도, Al층(14)의 두께가 기재(12)의 두께 이하인 경우에 잔류 휨은 작다. 또한, 임의의 휨이 발생해도 기재(12) 자체의 굽힘 강성이 낮아지므로 그 후의 제조 공정을 방해하지 않는다.
Al층(14)의 두께는 알루미늄 표면의 전처리, 양극 산화에 의한 절연층(16)의 형성 및 광흡수층(34)의 증착시에 Al층(14)과 기재(12) 사이의 계면에서 합금층(20)의 형성 의해 감소한다(알루미늄이 소모된다). 따라서, Al층(14)이 형성될 때(이하에 설명하는)의 두께는 상술한 요인에 인한 두께 감소를 고려하여 측정되고, 태양 전지(30) 상태에서 적어도 1㎛의 두께로 기재(12)와 절연층(16) 사이에 Al층(14)이 잔존하는 것이 중요하다.
상기 절연층(16)은 Al층(14) 상(기재(12)와 반대측)에 형성된다. 상기 절연층(16)은 알루미늄층(14)의 표면을 양극 산화하여 얻어진 양극 산화 알루미늄막으로 제조된다.
알루미늄을 양극 산화하여 얻어진 각종 막을 절연층(16)으로 사용해도 좋지만, 이하에 설명하는 산성 전해액으로부터 얻어진 다공성 양극 산화막을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극 산화막은 수십 나노미터 단위의 세공을 갖는 산화 알루미늄막이고, 낮은 영률을 가지므로 높은 굽힘 및 고온에서의 열팽창 차이에 의해 발생된 크랙에 대해 높은 내성을 나타낸다.
상기 절연층(16)은 2㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하고 5㎛ 이상이 보다 바람직하다. 매우 두꺼운 절연층(16)은 유연성이 감소하고 절연층(16)을 형성하는데 비용과 시간이 요구되기 때문에 바람직하지 않다. 실제로, 절연층(16)의 두께는 50㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛ 이하이다. 따라서, 절연층(16)의 바람직한 두께는 2~50㎛이다.
절연층(16)의 표면(18a)은 예를 들면, 산술 평균 조도(Ra)에 대해 1㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.1㎛ 이하의 표면 조도를 갖는다.
상기 기판(10)은 모두 유연한 재료로 제조된 기재(12), 알루미늄층(14) 및 절연층(16)을 포함하므로 전체적으로 유연하다. 하부 전극(32), 광흡수층(34), 상부 전극(36) 등은 예를 들면, 롤투롤 시스템에 의해 기판(10)의 절연층(16) 상에 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 태양 전지 구조는 피드아웃(feed-out)에서부터 롤업(roll-up)까지의 한번의 공정 또는 롤, 막 증착 및 롤업의 피드아웃을 포함하는 공정시에 다수의 층을 연속적으로 형성하여 제작할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 원소들을 분리시키고 통합하는 스크라이빙 공정이 롤투롤 시스템에서 각각의 막 증착 공정 사이에 추가되어 다수의 태양 전지가 전기적으로 직렬로 연결된 태양 전지 구조를 제조할 수 있다.
본 발명의 기판(10)의 제조 방법(도 2에 나타낸 합금층(20) 형성 전의 복합재)을 이하에 설명한다.
먼저 기재(12)를 준비한다. 상기 기재(12)는 소정의 형상 및 기판(10)의 크기에 적합한 크기로 형성된다.
그 후에, Al층(14)은 기재(12)의 표면 상에 형성된다. 기재(12)의 표면 상에 Al층(14)의 형성 방법은 그들 사이에 접착성을 확보할 수 있는 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 완전한 결합인 한 특별히 제한되지 않는다. 사용될 수 있는 방법의 예는 기상 증착 및 스퍼터링법 등의 기상 증착법, 비수성 전해질을 사용한 전해 알루미늄 도금법, 용융된 알루미늄에 디핑하여 도금하는 용융 도금법 및 표면 세정 후의 가압 접합법을 포함한다. Al층(14)이 용융 도금법을 사용하여 형성되는 경우, 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에 10㎛를 초과하는 두꺼운 합금층(20)이 형성될 가능성이 높기 때문에 합금층(20)의 두께에 주의가 필요하다.
롤링에 의한 가압 접합은 비용과 대량 생산성의 관점에서 알루미늄층(14)을 형성하는데 사용되는 것이 바람직하다.
이어서, 알루미늄층(14)의 표면을 양극 산화하여 절연층(16)을 형성한다. 기판(10)은 이와 같이 얻어진다.
공지의 각종 방법은 알루미늄을 양극 산화하는데 사용해도 좋다. 절연층(16) 역할을 하는 양극 산화막의 형성 방법의 예를 이하에 설명한다.
상술한 바와 같이, 절연층(16)은 알루미늄층(14)의 표면을 양극 산화하여 얻어진 양극 산화막으로 제조된다. 상기 양극 산화막은 기재(12)를 양극으로서 음극과 함께 전해액에 침지시키고 양극과 음극 사이에 전압을 인가하여 형성될 수 있다.
기재(12)는 전해액과 접촉 하자마자 알루미늄층(14)과 국부 전지를 형성하므로, 전해액과 접촉한 기재(12)는 격리되어야 한다. 즉, 기재(12)와 마스킹 필름 등을 사용한 알루미늄층(14)의 측면의 끝면 및 이면(즉, 알루미늄층(14)이 형성된 표면으로부터 반대면)을 격리하는 것이 필요하다.
양극 산화 처리 하기 전에 알루미늄층(14)의 표면은 알칼리 등을 사용한 세정 처리 및/또는 기계적 연마 및 전해 연마 등의 연마 평활화 처리를 선택적으로 행한다.
탄소 또는 알루미늄 등은 양극 산화에서 음극으로 사용된다.
상기 전해액은 특별히 제한되지 않고, 황산, 인산, 크롬산, 옥살산, 술팜산, 벤젠술폰산 및 아미드 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산을 함유하는 산성 전해액이 바람직하다. 상기 전해액은 황산, 인산 또는 옥살산, 또는 그것의 혼합물을 함유하는 것이 바람직하다.
양극 산화 조건은 사용된 전해질의 종류에 의해 변경되고 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들면, 적절한 양극 산화 조건은 전해질 농도 1~80질량%, 용액 온도 5~70℃, 전류 밀도 0.005~0.60A/㎠, 전압 1~200V 및 전기분해 시간 3~500분이다.
양극 산화시, 산화 반응은 주로 알루미늄층(14)의 표면으로부터 수직 방향으로 진행되어 알루미늄층(14)의 표면에 양극 산화막을 형성한다. 상기 전해액이 사용된 임의의 경우에 있어서, 상기 양극 산화막은 상부에서 보았을 때 대략 정육각형 형상으로 다수의 미세 컬럼이 갭없이 배열되고, 각 미세 컬럼의 중심부에는 둥근 바닥면을 갖는 미세공이 형성되고, 각 미세 컬럼의 저면에는 배리어층을 갖는 다공형이다.
상술한 바와 같이, 이러한 다공성 구조를 갖는 양극 산화막은 높은 굽힘 내성 및 고온에서 열팽창 차이에 의해 발생된 크랙에 대한 높은 내성을 나타낸다.
산성 전해액을 사용한 다공성 양극 산화막을 형성한 후에, 상기 배리어층의 두께를 증가시키기 위해서 중성 전해액에서 추가적으로 전기 처리를 행하는 포어 충진 기술을 사용해도 좋다. 막의 절연성은 배리어층의 두께를 증가시킴으로써 더욱 증가시킬 수 있다.
이러한 알루미늄의 양극 산화에 있어서, 그 안에 배열된 다공성 미세 컬럼을 갖는 양극 산화막보다 조밀한 양극 산화막(비다공성 산화 알루미늄 단일막)은 산성 전해액 보다 붕산 등의 중성 전해액에서 전해 처리에 의해 얻어진다.
상술한 바와 같이, 절연층(16) 역할을 하는 양극 산화막은 2~50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 두께는 정전류 전기분해 또는 정전압 전기분해에서 전기분해 시간 및 전류와 전압의 크기에 의해 제어될 수 있다.
양극 산화 처리는 예를 들면, 소위 롤투롤 시스템의 공지의 양극 산화 장치를 사용하여 행할 수 있다.
마스킹 필름은 양극 산화 처리 후에 박리된다. 상기 기판(10)은 이와 같이 생산될 수 있다. 여기서, 합금층(20)의 형성을 하기에 상세하게 설명한다.
상술한 바와 같이, 도 1에 나타낸 태양 전지(30)는 하부 전극(32), 광흡수층(34), 완충층(36) 및 상부 전극(38)으로 구성된 박막 태양 전지(40)가 기판(10) 상에 직렬로 연결된 태양 전지 모듈(모듈형 태양 전지)이다.
또한, 상술한 바와 같이, 기판(10)은 기본적으로 기재(12), Al층(14) 및 절연층(16)으로 구성되고, 0.01~10㎛ 두께의 합금층(20)은 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이에 형성된다. 본 발명의 기판(10)(태양 전지(30)(반도체 장치))이 이러한 합금층(20)을 갖는다는 사실 때문에 알루미늄층(14)과 절연층(16)의 크랙 및 박리는 적절하게 억제되고, 우수한 절연성 및 기계적 강도를 가지고 롤투롤 시스템에 의해 제조될 수 있는 기판(10)을 달성할 수 있고, 태양 전지(30) 등의 반도체 장치를 달성할 수 있다.
하기 실시예에서 나타내지만, 본 발명의 기판(10)에 있어서 기재(12)와 Al층(14) 사이의 계면에서 발생된 합금층(20)은 기재(12)의 종류에 상응하는 알루미늄 합금이고, 주로 금속간 화합물(IMC)로 제조된 층이라고 생각된다. 구체적으로, 상기 기재(12)가 철이면 합금층(20)은 Al3Fe이고; 기재(12)가 티타늄이면 합금층(20)은 Al3Ti이고; 기재(12)가 철기 합금강이면 합금층(20)은 Al3Fe의 철 부분에서 합금 원소가 고용체인 층이라고 생각된다.
여기서, 임의의 기재(12)가 사용되어도, 합금층(20)의 발생(성장)에 의해 알루미늄층(14)은 감소하지만 기재(12)는 거의 감소하지 않는다.
합금층이 전혀 존재하지 않으면, 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면 접착성은 열악하고, 롤투롤 제조 공정 또는 반도체 장치의 사용시에 열 사이클 또는 굽힘 응력이 적용될 때 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이에 절연층의 박리 또는 크랙을 일으키는 계면 박리가 발생한다.
반대로, 합금층(20)이 너무 두꺼우면 주로 합금층(20)을 형성하는 금속간 화합물은 불안정하고, 두꺼운 합금층(20)이 형성됨으로써 합금층(20)과 알루미늄층(14) 사이의 보이드 및 크랙이 발생하고, 이는 계면 박리 및 절연 기능의 손실을 발생시킨다.
본 발명자에 의한 연구에 따라서, 상술한 문제점을 피하고 합금층(20)을 갖는 효과를 적절히 달성하기 위해서 합금층(20)의 두께는 0.01㎛ 이상이어야 한다. 상기와 같은 이유로, 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하여야 하고 5㎛ 이하가 특히 바람직하다.
여기서, 본 발명의 반도체 장치에 있어서 합금층(20)의 두께는 태양 전지(30) 등의 반도체 장치가 완성되는 시점에서의 두께를 의미한다.
즉, 합금층(20)의 두께를 0.01~10㎛로 설정함으로써 합금층(20)이 존재하기 때문에 계면 접착성을 적절하게 확보할 수 있고, 또한 합금층(20)에 의해 보이드 등이 발생될 때에도 절연성을 적절하게 확보할 수 있고, 계면 박리 및 컬링의 발생도 적절하게 억제할 수 있다. 특히, 합금층(20)의 두께를 0.01~5㎛로 설정함으로써 보이드 등의 발생을 적절하게 억제할 수 있고, 계면 박리 및 컬링의 발생을 확실하게 억제하여 그에 의해 발생되는 절연 성능의 저하를 억제할 수 있다.
하기 실시예에서 나타내지만, 합금층(20)이 얇으면 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에 섬형으로 합금층(20)이 발생되는 경우가 빈번하다. 섬형 합금층(20)의 형태이어도, 합금층(20)을 갖는 효과는 적절히 실현된다.
본 발명에 있어서, 합금층(20)의 두께는 기재(12)(절연성 금속 기판)의 단면의 평균 두께를 의미한다. 또한, 기재(12)의 단면의 평균 두께는 기재(12)의 단면을 관찰하여 측정될 수 있다.
구체적으로, 하기 실시예에서 나타내지만, 합금층(20)의 두께는 기재(12)의 단면을 노출시키기 위해 기재(12)(태양 전지(30) 등의 반도체 장치)를 슬라이싱한 후에, SEM(scanning electron microscope) 등에 의해 이 단면을 촬영하고, 화상 분석에 의해 화상의 합금층(20) 부분을 측정하여 관찰 시야의 길이로 나눔으로써 결정된다.
상술한 바와 같이, 합금층(20)이 얇으면 합금층(20)은 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이에 섬형으로 발생된다. 이러한 경우에도, 합금층(20)의 두께는 상술한 바와 같이 각 섬형의 두께보다 평균적인 두께를 취할 수 있다.
여기서, 도 4에 나타낸 바와 같이 합금층(20)의 두께는 균일하지 않고 합금층(20)은 많은 요철을 갖는다.
그러나, 많은 요철이 보일지라도 합금층(20)은 통상 거의 균일하게 성장한다. 면형에서의 성장, 위스커형에서의 성장, 기재(12) 또는 Al층(14)으로 파고들어가는 비정상적인 성장은 발생하지 않는다. 따라서, 합금층(20)의 두께는 촬영된 화상을 사용하는 상기 측정 방법에 의해 정확하게 측정될 수 있다.
합금층(20)의 형성 방법의 예는 상술한 바와 같이 알루미늄층(14)이 기재(12)의 표면에 형성된 후에, 복합재를 열처리하는 방법이다. 또는, 도 2에 나타낸 바와 같이 기재(12), 알루미늄층(14) 및 절연층(16)을 갖는 복합재가 생성된 후에 열처리가 행해져 합금층(20)이 형성되는 방법이어도 좋다. 또한, 상기 복합재의 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이에 어느 정도 밀봉되면, 복합재의 열처리에 의한 합금층(20)의 형성 대신에 이하에 설명하는 광흡수층(34)의 증착 등의 기판 생성 후에 반도체 소자 일부를 제조하는 고온 공정이 합금층(20)의 형성 공정 역할을 해도 좋다.
여기서, 합금층(20)의 두께는 알루미늄과 기재(12)의 재료 사이의 반응성에 따라 달라지지만, 기본적으로는 기판(10)에 의해 받은 열이력(온도 및 시간)에 의해 결정된다.
따라서, 0.01~10㎛(바람직하게는 0.01~5㎛)의 범위에서 합금층(20)의 소정의 두께를 야기하는 열처리 조건(온도 및 시간 유지=열이력)이 실험적으로 또는 기재(12)와 알루미늄층(14)의 조합에 따른 모의 실험에 의해 미리 검토되고, 그 결과 상술한 바와 같이 복합재의 열처리는 그에 따라서 행해질 수 있다. 또한, 태양 전지(30) 등의 반도체 장치의 제조 공정에서 광흡수층(34)의 증착 공정 등의 고온 처리가 있는 경우에 있어서, 고온 공정에서 처리 조건은 합금층(20)이 원하는 두께로 설정될 수 있다.
도 3은 TTT(time temperature transformation) 도표 방식으로 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에서 발생된 10㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 열처리 조건을 나타낸다.
도 3a에 나타낸 예에 있어서, 알루미늄층(14)은 순도 4N의 고순도 알루미늄이다. 또한, a는 기재(12)가 페라이트 스테인리스강(SUS430)인 예이고, b는 기재(12)가 저탄소강(SPCC)인 예이고, c는 기재(12)가 순도 99.5%의 고순도 티타늄 소재인 예이다.
도 3a에 나타낸 바와 같이, 10㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 열처리 조건은 유지 온도가 높을수록 시간은 짧게, 유지 시간이 길수록 온도는 낮게 한다.
기재(12)가 저탄소강이면, 도 3a의 b로 나타낸 바와 같이, 예를 들면 유지 온도가 500℃인 경우에 약 10분의 유지 시간으로 합금층(20)의 두께는 10㎛이다. 따라서, 태양 전지(30) 등의 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 처리가 500℃에서 행해지면, 10분 이하의 처리 시간으로 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 것이다. 반대로, 처리가 10분 동안 행해지면, 500℃ 이하의 처리 온도로 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 것이다.
또한, 유지 온도가 525℃일 때 기재(12)가 저탄소강이면, 약 5분의 유지 시간으로 합금층(20)의 두께는 10㎛이다. 따라서, 태양 전지(30) 등의 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 처리가 525℃에서 행해지면 5분 이하의 처리 시간으로 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 것이다. 반대로, 처리가 5분 동안 행해지면 525℃ 이하의 처리 온도로 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 것이다.
즉, 본 발명에 있어서, 처리가 제조 공정 동안 500℃에서 행해지는 경우, 처리 시간이 10분 이하일 때 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있고, 처리가 10분 동안 행해지는 경우, 처리 온도가 500℃ 이하일 때 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있다.
또한, 처리가 제조 공정에서 525℃에서 행해지는 경우에 처리 시간이 5분 이하일 때 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있고, 처리가 5분 동안 행해지는 경우에 처리 온도가 525℃ 이하일 때 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있다.
도 3a로 나타낸 바와 같이, 기재(12)가 페라이트 스테인리스강이면 10㎛의 합금층(20)을 형성하는 열처리 조건은 더 높은 온도 및 더 긴 시간으로 구성된다.
만일 기재(12)가 페라이트 스테인리스강이면, 예를 들면 유지 온도가 575℃인 경우에, 10㎛인 합금층(20)이 20분의 유지 시간으로 제조될 것이다. 즉, 기재(12)로서 페라이트 스테인리스강을 사용하여 태양 전지(30) 등의 반도체 장치가 제조되면 575℃에서 처리가 행해질 때 20분까지 처리가 가능하고 반대로, 처리가 20분 동안 행해질 때 고온 처리는 575℃까지 가능하다.
즉, 575℃에서 처리가 행해지는 경우에 처리 시간이 20분 이하이면 페라이트 스테인리스강이 기재(12)로서 사용될 수 있고, 처리가 20분 동안 행해지는 경우에 처리 온도가 575℃ 이하이면 페라이트 스테인리스강이 기재(12)로서 사용될 수 있다.
또한, 도 3a로 나타낸 바와 같이, 기재(12)가 티타늄 소재이면 580℃ 이하의 처리 온도 및/또는 50분 이하의 처리 시간 등의 더 높은 온도에서 더 긴 시간 동안 열처리가 가능하다.
도 3b는 알루미늄층(14)과 기재(12) 사이에 5㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 열처리 조건을 나타낸다. 도표에서 a, b, c는 도 3a의 것과 동일하다.
도 3b에 나타낸 바와 같이, 5㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 열처리 조건은 10㎛의 두께보다 더 낮은 온도 및 더 짧은 시간이다.
그러나, 도 3b로 나타낸 바와 같이, 저탄소강이 강철 기재(12)로 사용되는 경우에도, 예를 들면 처리 온도가 500℃일 때 처리 시간이 5분 이하이면 합금층(20)의 두께는 5㎛ 이하이다. 즉, 처리가 500℃에서 행해지는 경우에 처리 시간이 5분 이하이면 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있고, 처리가 5분 동안 행해지는 경우에 처리 온도가 500℃ 이하이면 저탄소강이 기재(12)로서 사용될 수 있다.
또한, 도 3b로 나타낸 바와 같이, 페라이트 스테인리스강이 기재(12)로서 사용되면, 예를 들면 소정의 합금층(20)의 두께가 5㎛ 이하일 때에도 처리는 550℃에서 20분 동안 행할 수 있다. 또한, 도 3b의 c로 나타낸 바와 같이, 티타늄 소재가 기재(12)로서 사용되면, 예를 들면 소정의 합금층(20)의 두께가 5㎛ 이하일 때에도 처리는 575℃에서 20분 동안 행해질 수 있다.
즉, 임의의 기재(12)가 사용되어도 도 3에 나타낸 열처리 조건(열이력)하에서, 기판(10)의 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 수 있고, 단 열처리 조건은 10㎛(5㎛) 두께의 합금층(20)을 형성하는 범위의 하부측 및 왼쪽 영역이다.
따라서, 이들 기재(12) 및 태양 전지(30) 등의 반도체 장치를 사용하는 기판(10)의 제조 공정에 있어서, 처리는 10㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 범위의 하부측 및 왼쪽 영역의 조건하에서 행해질 수 있고, 광흡수층(34)의 형성은 500℃ 이상, 예를 들면 기재 소재 및 막 증착 조건을 선택함으로써 행해질 수 있다.
각각의 기재(12)에서 10㎛(5㎛) 두께의 합금층(20)을 형성하는 범위가 밴드형을 갖는 이유는 상술한 바와 같이, 합금층(20)의 두께가 전체 표면 상에 균일하지 않고 요철이 있기 때문이다.
따라서, 기본적으로 각각의 기재(12)에서 열처리 조건이 10㎛의 두께를 형성하는 밴드의 하부측 및 상부 라인의 왼쪽이면, 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이하가 될 수 있다. 추가적으로, 합금층(20)의 두께가 10㎛ 이하로 보다 확실히 하고 싶은 경우에는 열처리 조건은 10㎛의 두께를 형성하는 밴드의 하부측 및 상부 라인의 왼쪽이 바람직하다.
태양 전지(30) 등의 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 기판(10)이 여러 번의 고온을 초래하면 추가 이론이 유효하다고 생각되므로 상기 합금층(20)의 두께는 각각의 열처리의 온도 및 처리 시간을 추가함으로써 10㎛(5㎛) 이하가 될 수 있다.
또한, 도 3은 10㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 몇몇의 열처리 조건을 나타내고, 본 발명자에 의한 연구에 따르면 10㎛ 두께의 합금층(20)을 형성하는 영역은 알루미늄의 융점인 660℃ 근처의 고온 및 IMC가 생성되는 최저 온도 근처의 저온에서 연속적으로 확장될 수 있다.
태양 전지(30)는 하부 전극(32), 광흡수층(34), 완충층(36) 및 상부 전극(38)을 포함하는 박막 태양 전지(40)가 기판(10) 상에 직렬로 연결된 태양 전지 모듈이다.
또한, 제 1 도전 부재(42) 및 제 2 도전 부재(44)는 배열 방향으로 두 말단 상의 하부 전극(32)에 형성된다.
도면에 나타낸 바람직한 실시형태에 있어서, 알칼리 공급막(50)은 절연층(16)(기판(10))과 하부 전극(32) 사이에 형성된다.
알칼리 금속(특히, 나트륨)이 CIGS 등의 재료로 제조된 광흡수층(34)으로 확산될 때 높은 광전 변환 효과를 갖는 것이 알려져 있다. 상기 알칼리 공급막(50)은 광흡수층(34)에 알칼리 금속을 공급하기 위한 층이고, 알칼리 금속 함유 화합물의 층이다. 이 알칼리 공급막(50)을 가짐으로써, 알칼리 금속은 광흡수층(34)의 형성시에 하부 전극(32)을 통하여 광흡수층(34)으로 확산되므로 광흡수층(34)의 광전 효과를 향상시킬 수 있다.
알칼리 공급막(50)은 특별히 제한되지 않고, Na2O, Na2S, Na2Se, NaCl, NaF 또는 소듐 몰리브데이트 등의 주로 알칼리 금속 함유 화합물(알칼리 금속 화합물을 포함하는 조성)로 구성된 다양한 물질들이 사용될 수 있다. Na2O(산화나트륨)를 함유하는 SiO2(이산화규소)계 화합물이 특히 바람직하다.
알칼리 공급막(50)의 형성 방법은 특별히 제한되지 않고, 공지의 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 예는 스퍼터링법 및 CVD 등의 기상 증착법, 및 졸겔법 등의 액상 증착법을 포함한다.
예를 들면, Na2O를 함유하는 SiO2계 화합물의 경우에 있어서, 알칼리 공급막(50)은 타겟으로서 소다석회 유리를 사용하는 스퍼터링법, 또는 실리콘 및 나트륨을 함유하는 알콕시드를 사용하는 졸겔 반응에 의해 형성될 수 있다. 이들 방법은 조합하여 사용될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 광흡수층에 대한 알칼리 금속 공급원은 알칼리 공급막(50)만으로 제한되지 않고, 절연층이 다공성인 경우 알칼리 공급원은 절연층(16) 이하의 다공성 알칼리 금속 화합물이어도 좋다. 또한, 알칼리 공급막(50) 및 상기 다공성을 가진 알칼리 금속 화합물이 조합되어 사용되어도 좋다.
태양 전지(30)에 있어서, 상기 하부 전극(32)이 알칼리 공급막(50) 상에 형성되어 소정의 스페이스(33)에 의해 인접한 하부 전극(32)으로부터 분리된다. 광흡수층(34)은 인접한 하부 전극(32) 사이의 스페이스(33)를 채우도록 하부 전극(32) 상에 형성된다. 완충층(36)은 광흡수층(34)의 표면 상에 형성된다.
상기 광흡수층(34) 및 상기 완충층(36)은 그 안에 소정의 스페이스(37)를 가지도록 하부 전극(32) 상에 배열된다. 상기 광흡수층(34)(완충층(36))에 인접한 하부 전극(32)과 스페이스(37) 사이의 스페이스(33)는 박막 태양 전지(40)의 배열 방향과 다른 위치에 형성된다.
상기 상부 전극(38)은 광흡수층(34)(완충층(36))의 스페이스(37)를 채우도록 완충층(36)의 표면 상에 형성된다.
상기 상부 전극(38), 완충층(36) 및 광흡수층(34)은 소정의 스페이스(39)를 가지도록 위치된다. 스페이스(39)는 인접한 하부 전극(32) 사이의 스페이스 및 광흡수층(34)(완충층(36))의 스페이스와 다른 위치에 설치된다.
태양 전지(30)에 있어서, 각각의 박막 태양 전지(40)는 하부 전극(32)과 상부 전극(38)을 통하여 기판(10)의 길이 방향으로(화살표 L로 나타낸 방향) 전기적으로 직렬로 연결되어 있다.
상기 하부 전극(32)은, 예를 들면 몰리브덴 전극이다. 상기 광흡수층(34)은 광전 변환 기능을 갖는 반도체 화합물, 예를 들면 CIGS로 제조된다. 또한, 완충층(36)은 예를 들면 CdS로 제조되고, 상부 전극(38)은 예를 들면 ZnO로 제조된다.
상기 박막 태양 전지(40)는 기판(10)의 길이 방향(L)에 대해 수직방향으로 확장되도록 형성된다. 따라서, 하부 전극(32)도 기판(10)의 폭 방향으로 확장된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전 부재(42)는 가장 오른쪽의 하부 전극(32)과 연결되어 있다. 상기 제 1 도전 부재(42)는 이하에 설명하는 음극으로부터 산출량을 수집하기 위해 제공된다.
상기 제 1 도전 부재(42)는 예를 들면, 기판(10)의 폭 방향으로 연속적으로 상당히 확장되는 가늘고 긴 스트립 형태의 부재이고, 가장 오른쪽의 하부 전극(32)과 연결되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 도전 부재(42)는 예를 들면 인듐과 구리의 합금으로 제조된 코팅 부재(42b)로 덮인 구리 리본(42a)을 갖는다. 상기 제 1 도전 부재(42)는 예를 들면 초음파 납땜하여 하부 전극(32)과 연결되어 있다.
한편, 제 2 도전 부재(44)는 가장 왼쪽의 하부 전극(32) 상에 형성된다.
상기 제 2 도전 부재(44)는 이하에 설명하는 음극으로부터 산출량을 수집하기 위해 제공된다. 상기 제 1 도전 부재(42)와 같이, 제 2 도전 부재(44)는 기판(10)의 폭 방향으로 연속적으로 상당히 확장되는 가늘고 긴 스트립 형태의 부재이고, 가장 왼쪽의 하부 전극(32)과 연결되어 있다.
상기 제 2 도전 부재(44)는 상기 제 1 도전 부재(42)와 비슷하게 구성되고, 예를 들면 인듐과 구리의 합금으로 제조된 코팅 부재(44b)로 덮인 구리 리본(44a)을 갖는다.
이하의 실시형태의 박막 태양 전지(40)의 광흡수층(광전 변화층)(34)은 예를 들면 CIGS로 제조되고, 공지의 CIGS 태양 전지 제조법에 의해 제조될 수 있다.
상기 태양 전지(30)에 있어서, 상부 전극(38)으로부터 박막 태양 전지(40)로 입사하는 광은 상부 전극(38) 및 완충층(36)을 통하여 통과하고, 광흡수층(34)에서 발생된 기전력을 야기하여, 예를 들면 상부 전극(38)으로부터 하부 전극(32)으로 흐르는 전류가 발생된다. 도 1에 나타낸 화살표는 전류의 방향을 나타내고, 전자가 이동하는 방향은 전류의 방향과 반대이다. 따라서, 박막 태양 전지(40)에 있어서, 도 1의 가장 왼쪽의 하부 전극(32)은 양극(애노드)을 갖고, 가장 오른쪽의 하부 전극(32)은 음극(캐소드)을 갖는다.
이하의 실시형태에 있어서, 태양 전지(30)에서 발생된 전력은 태양 전지(30)로부터 제 1 도전 부재(42)와 제 2 도전 부재(44)를 통하여 산출될 수 있다.
또한, 이하의 실시형태에 있어서, 제 1 도전 부재(42)는 부극성을 갖고, 제 2 도전 부재(44)는 양극성을 갖는다. 제 1 도전 부재(42)와 제 2 도전 부재(44)의 극성은 반대이어도 좋고; 이들 극성은 박막 태양 전지(40)의 배열, 태양 전지(30)의 배열 등에 따라서 변경될 수 있다.
이하의 실시형태에 있어서, 형성된 박막 태양 전지(40)는 하부 전극(32)과 상부 전극(38)을 통하여 기판(10)의 길이 방향으로 직렬로 연결되지만, 본 발명의 경우로만 제한되지 않는다. 예를 들면, 박막 태양 전지(40)는 하부 전극(32)과 상부 전극(38)을 통하여 폭 방향으로 직렬로 연결되도록 형성되어도 좋다.
박막 태양 전지(40)의 하부 전극(32)과 상부 전극(38)은 광흡수층(34)에서 발생된 전류를 수집하기 위해 설치된다. 상기 하부 전극(32)과 상부 전극(38) 둘 모두는 도전 재료로 제조된다. 광이 입사하는 측에 설치된 상부 전극(38)은 광을 통과시켜야 한다.
상기 하부 전극(백 전극)(32)은, 예를 들면 몰리브덴, 크롬 또는 텅스텐, 또는 그들의 조합으로 제조된다. 상기 하부 전극(32)은 단층 구조 또는 2층 구조 등의 적층 구조이어도 좋다. 상기 하부 전극(32)은 몰리브덴으로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 하부 전극(32)은 100nm 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하고 0.45~1.0㎛가 보다 바람직하다.
상기 하부 전극(32)을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 하부 전극(32)은 전자빔 증착 및 스퍼터링법 등의 기상 증착 기술에 의해 형성되어도 좋다.
상기 상부 전극(투명 전극)(38)은 예를 들면 Al, B, Ga, Sb 등으로 도핑된 ZnO, ITO(indium tin oxide), SnO2 또는 이들 중 2개 이상의 조합으로 제조된다. 상기 상부 전극(38)은 단층 구조 또는 2층 구조 등의 적층 구조이어도 좋다. 상기 상부 전극(38)의 두께는 특별히 제한되지 않지만 0.3~1㎛가 바람직하다.
상기 상부 전극(38)을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 상부 전극(38)은 전자빔 증착 및 스퍼터링법 등의 기상 증착 기술 또는 코팅법에 의해 형성되어도 좋다.
상기 완충층(36)은 상부 전극(38)의 형성시에 광흡수층(34)을 보호하기 위해 설치되고, 광이 상부 전극(38)을 통과하여 광흡수층(34)으로 입사하는 것을 허용한다.
상기 완충층(36)은 예를 들면 CdS, ZnS, ZnO, ZnMgO 또는 ZnS(O, OH) 또는 이들의 조합으로 제조된다.
상기 완충층(36)은 0.03~0.1㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 완충층(36)은 예를 들면 화학적 용액 성장법(CBD)에 의해 형성된다.
상기 광흡수층(34)은 전류를 발생시키기 위해서 상부 전극(38)과 완충층(36)을 통하여 도달한 빛을 흡수하고, 광전 변환 기능을 갖는다. 본 실시 형태에 따라서, 광흡수층(34)은 구조로 특별히 제한되지 않고; 광흡수층(34)은 예를 들면 칼코피라이트 구조를 갖는 적어도 하나의 화합물 반도체로 제조된다. 광흡수층(34)은 Ib족 원소, Ⅲb족 원소 및 Ⅵb족 원소로 구성된 적어도 하나의 화합물 반도체로 제조될 수 있다.
더 높은 흡광도 및 광전 변환 효율을 위해서, 상기 광흡수층(34)은 Cu 및 Ag로부터 선택된 적어도 하나의 Ib족 원소, Al, Ga 및 In으로부터 선택된 적어도 하나의 Ⅲb족 원소 및 S, Se 및 Te로부터 선택된 적어도 하나의 Ⅵb족 원소로 구성된 적어도 하나의 화합물 반도체로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 화합물 반도체의 예는 CuAlS2, CuGaS2, CuInS2, CuAlSe2, CuGaSe2, CuInSe2(CIS), AgAlS2, AgGaS2, AgInS2, AgAlSe2, AgGaSe2, AgInSe2, AgAlTe2, AgGaTe2, AgInTe2, Cu(In1 -xGax)Se2(CIGS), Cu(In1 - xAlx)Se2, Cu(In1 - xGax)(S, Se)2, Ag(In1 - xGax)Se2 및 Ag(In1 -xGax)(S, Se)2를 포함한다.
상기 광흡수층(34)은 상기에서 갈륨을 용해하여 얻어진 CuInSe2(CIS) 및/또는 Cu(In, Ga)Se2(CIGS)를 함유하는 것이 바람직하다. CIS 및 CIGS는 각각 칼코피라이트 결정 구조를 갖는 반도체이고 높은 흡광도 및 광전 변환 효율을 갖는다고 보고되어 있다. 또한, 그들은 광에 노출되어도 효율의 저하가 적고 우수한 내구성을 나타낸다.
상기 광흡수층(34)은 소정의 반도체 도전형을 얻기 위해 불순물을 포함한다. 불순물은 인접한 층 및/또는 적극적인 도핑으로부터 확산에 의해 광흡수층에 포함되어도 좋다. 상기 광흡수층(34)은 I-Ⅲ-Ⅵ족 반도체 및/또는 불순물을 이루는 원소에 대해 농도 분포를 가져도 좋고; 광흡수층(34)은 n형, p형 및 i형 등의 다른 반도체의 다수의 층 영역을 포함해도 좋다.
예를 들면, CIGS형에 있어서 광흡수층(34)은 두께 방향으로 Ga 양의 분포를 가지고, 밴드갭 폭 및 캐리어의 이동을 제어할 수 있어 높은 광전 변환 효율을 가진 설계를 달성할 수 있다.
상기 광흡수층(34)은 I-Ⅲ-Ⅵ족 반도체 이외에 하나 이상의 반도체를 포함해도 좋다. 상기 I-Ⅲ-Ⅵ족 반도체 이외의 반도체의 예는 Si 등의 Ⅵb족 원소로 제조된 반도체(Ⅵ족 반도체), GaAs 등의 Ⅲb족 원소 및 Ⅴb족 원소로 제조된 반도체(Ⅲ-Ⅴ족 반도체) 및 CdTe 등의 Ⅱb족 원소 및 Ⅵb족 원소로 제조된 반도체(Ⅱ-Ⅵ족 반도체)를 포함한다. 상기 광흡수층(34)은 특성에 악영향을 주지 않는 한 소정의 도전형을 얻기 위해 사용되는 불순물 및 반도체 이외에 임의의 성분을 함유해도 좋다.
상기 광흡수층(34)에 I-Ⅲ-Ⅵ족 반도체의 함량은 특별히 제한되지 않는다. 상기 광흡수층(34)에 I-Ⅲ-Ⅵ족 반도체의 함량은 75질량% 이상이 바람직하고, 95질량% 이상이 보다 바람직하고, 99질량% 이상이 더욱 바람직하다.
이 실시예에 있어서, 광흡수층(34)이 주성분(75질량% 이상)이 CdTe인 화합물 반도체로 구성되면 기재(12)는 탄소강 또는 페라이트 스테인리스강에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
CIGS층을 형성하는 공지의 방법의 예는 1) 다원 동시 증착법, 2) 셀렌화법, 3) 스퍼터링법, 4) 하이브리드 스퍼터링 및 5) 기계화학 공정법을 포함한다.
1) 공지의 다원 동시 증착법은
3단계법(J. R. Tuttle et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.426(1966), p.143, etc.) 및 EC 그룹의 동시 증착법(L. Stolt et al.: Proc. 13th ECPVSEC(1995, Nice), 1451, etc.)을 포함한다.
전자의 3단계법에 따라서, 우선 In, Ga 및 Se을 300℃ 기판 온도의 고진동하에서 동시 증착한 후에, 500℃~560℃로 승온하여 Cu 및 Se을 동시 증착한 후 In, Ga 및 Se을 더 동시 증착한다. 후자의 EC 그룹의 동시 증착법은 증착의 초기 단계에 구리가 초과된 CIGS, 후기 단계에 인듐이 초과된 CIGS를 증착하는 방법이다.
CIGS막의 결정성을 향상시키기 위해서 상기 방법을 개선한 이하의 방법이 알려져 있다.
a) 이온화한 Ga를 사용하는 방법(H. Miyazaki et al., Phys. Stat. Sol. (a), Vol. 203(2006), p. 2603, etc.):
b) 크래킹된 셀레늄을 사용하는 방법(제 68 회 응용 물리 학회 학술 강연회 강연 예고집(2007년 가을 홋카이도 공업 대학) 7P-L-6 등):
c) 라디칼화된 셀레늄을 사용하는 방법(제 54 회 응용 물리 학회 학술 강연회 강연 예고집(2007년 봄 아오야마가쿠인대학) 29P-ZW-10 등): 및
d) 광여기 공정을 사용하는 방법(제 54 회 응용 물리 학회 학술 강연회 강연 예고집(2007년 봄 아오야마가쿠인대학) 29P-ZW-14 등) 등을 들 수 있다.
2) 셀렌화법은 소위, 2단계법이라고 하고, 우선 구리층/인듐층, (구리-갈륨)층/인듐층 등의 적층막으로 형성된 금속 전구체를 스퍼터링 증착법, 증착법 또는 전착법 등으로 형성하고, 이와 같이 형성된 막을 셀레늄 증기 또는 셀레늄화수소에서 450℃~550℃의 온도로 가열하여 열확산 반응에 의해 Cu(In1 - xGax)Se2 등의 셀레늄화합물을 생성한다. 이 방법을 기상 셀렌화법이라고 한다. 다른 방법의 예는 금속 전구체막 상에 고상 셀레늄을 증착시키고 고상 셀레늄을 셀레늄원으로서 사용하는 고상 확산 반응에 의해 셀레늄화하는 고상 셀렌화 방법이다.
셀렌화법시에 발생할 수 있는 갑작스런 체적 팽창을 예방하기 위해서, 공지의 방법에 의해 행해지는 셀렌화는 금속 전구체막에 특정 비율로 미리 혼합하는 방법(T. Nakada et. al., Solar Energy Materials and Solar Cells 35(1994), 204-214, 등); 및 금속 박층 사이에 셀레늄을 샌드위칭하여(예를 들면, Cu층/In층/Se층…Cu층/In층/Se층) 다층 전구체막을 형성하는 방법(T. Nakada et. al., Proc. of 10th European Photovoltaic Solar Energy Conference(1991), 887-890 등)을 포함한다.
등급된 밴드갭 CIGS막을 형성하는 방법의 예는 우선, 구리-갈륨 합금막을 증착하고, 그 상에 인듐막을 증착시키고 자연 열확산을 이용하여 상기 막 두께 방향으로 갈륨 농도 기울기로 설렌화하는 것을 포함하는 방법이다(K. Kushiya et al., Tech Digest 9th Photovoltaic Science and Engineering Conf. Miyazaki, 1996(Intn. PVSEC-9, Tokyo, 1996), p.149, etc.).
3) 공지의 스퍼터링법은
타겟으로서 CuInSe2 다결정을 사용하는 방법, 타겟으로서 Cu2Se와 In2Se3과 스퍼터링 가스로서 H2Se/Ar 혼합 가스를 사용하는 2원 스퍼터링(J.H. Ermer et al., Proc. 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.(1985), 1655-1658, 등) 및
Cu 타겟, In 타겟 및 Se 또는 CuSe 타겟을 Ar 가스에서 스퍼터링하는 3원 스퍼터링(T. Nakada et al., Jpn. J. Appl. Phys. 32(1993), L1169-L1172 등)을 포함한다.
4) 공지의 하이브리드 스퍼터링법의 예는 상기 스퍼터링 증착법에서 Cu 및 In 금속은 DC 스퍼터링으로 행하고, Se만 기상 증착하는 방법을 포함한다(T. Nakada. et al., Jpn. Appl. Phys. 34(1995), 4715-4721 등).
5) 기계화학 공정법의 예는 CIGS의 조성에 따라 선택된 물질을 폴레너테리 볼밀의 용기에 넣고, 역학적 에너지에 의해 혼합하여 분말의 CIGS를 얻은 후에, 스크린 인쇄에 의해 기판 상에 도포하고 어닐링하여 CIGS막을 얻는 방법을 포함한다(T. Wada et al., Phys. Stat. Sol. (a), Vol.203(2006), p.2593 등).
CIGS을 형성하는 방법의 다른 예는 스크린 인쇄법, 근접 승화법, MOCVD법 및 스프레이법(습식 증착)을 포함한다. 예를 들면, 스크린 인쇄법(습식 증착) 또는 스프레이법(습식 증착)에 의해 기판 상에 Ib족 원소, Ⅲb족 원소 및 Ⅵb족 원소를 함유하는 미립자막을 형성하고, 상기 미립자막을 열분해 처리(Ⅵb족 원소 분위기하에서 열분해 처리를 행해도 좋음)를 행하는 공정을 포함하는 방법에 의해 소정의 조성을 가진 결정을 얻을 수 있다(JP 9-74065A, JP 9-74213).
본 실시 형태에 있어서, 기재(12)와 광흡수층(34)의 선팽창계수의 차는 3×10-6/℃ 미만이 바람직하다.
상기 광흡수층(34)에 사용되는 주 화합물 반도체에 있어서, 대표적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로서 GaAs는 5.8×10-6/℃의 선팽창계수를 가지고, 대표적인 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로서 CdTe는 4.5×10-6/℃의 선팽창계수를 가지고, 대표적인 I-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체로서 Cu(InGa)Se2는 10×10-6/℃의 선팽창 계수를 갖는다.
상기 기재(12)와 상기 광흡수층(34) 사이의 열팽창 차이는 광흡수층(34)으로서 적어도 500℃의 고온에서 기판(10) 상에 증착된 화합물 반도체의 냉각시에 박리 등의 막 증착 결함을 야기해도 좋다. 기재(12)로부터의 열팽창 차이에 인해 화합물 반도체의 강한 내부 응력은 광흡수층(34)의 광전 변환 효율을 저하시킬 수 있다. 기재(12)와 광흡수층(34)(화합물 반도체) 사이의 선팽창계수의 차이가 3×10-6/℃ 미만인 경우에는 박리 등의 막 증착 결함이 일어나기 쉽지 않아 바람직하다. 선팽창계수의 차이가 1×10-6/℃ 미만이 보다 바람직하다. 선팽창계수 및 선팽창계수 차이는 실온(23℃)에서 얻어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 태양 전지(30)는 상기 기판(10) 상에 박막 태양 전지(40)를 직렬로 연결하여 제조되지만, 공지의 다양한 태양 전지의 제조에 사용되는 것과 동일한 방법으로 제조해도 좋다. 도 1에 나타낸 태양 전지(30)의 제조 방법의 예를 이하에 설명한다.
상술한 바와 같이 형성된 기판(10)(또는 기판(10) 역할을 하는 복합재)을 우선 제조한다. 그 후에, 기판(10)의 절연층(16)의 표면에 예를 들면, 타겟으로서 소다석회 유리를 사용하는 스퍼터링법 또는 규소 및 나트륨을 함유하는 알콕시드를 사용하는 졸겔법에 의해 알칼리 공급층(50)을 형성한다.
그 후에, 하부 전극(32) 역할을 하는 몰리브덴막을 알칼리 공급층(50)의 표면에 예를 들면, 막 증착 장치를 사용하는 스퍼터링법에 의해 형성한다.
그 후에, 예를 들면 소정 위치에서 레이저 스크라이빙을 사용하여 몰리브덴막을 스크라이빙하고 기판(10)의 폭 방향으로 확장된 스페이스(33)를 형성한다. 스페이스(33)에 의해 서로 분리된 하부 전극(32)은 이와 같이 하여 형성된다.
그 후에, 스페이스(33)를 채우도록 하부 전극(32)을 광흡수층(34)(p형 반도체층)으로 덮는다.
상기 광흡수층(34)은 예를 들면, CIGS층이고 상술한 바와 같이 공지의 막 증착법 중 임의의 방법으로 형성해도 좋다.
여기서, CIGS 등의 화합물 반도체를 포함하는 광흡수층(34)은 태양 전지(30)의 변환 효율이 고온에서 양호하게 형성되기 때문에 상술한 바와 같이 적어도 500℃ 이상의 막 증착 온도에서 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여, 태양 전지(30)의 제조에 있어서 광흡수층(34)이 증착될 때 합금층(20)은 상기 기판(10)의 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에서 발생될 수 있다.
따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이 합금층(20)의 두께가 10㎛가 되도록 열처리 조건을 고려하여, 상기 광흡수층(34)의 증착 조건은 기재(12) 재료 등에 대하여 합금층(20)이 0.01~10㎛인 것이 바람직하고, 0.01~5㎛가 보다 바람직하다.
광흡수층(34)로서 반도체 화합물을 사용하는 태양 전지의 제조에 있어서, 일반적으로 합금층(20)을 발생시키는 고온 처리는 광흡수층(34)의 증착 이외의 제조 공정에서 금지된다. 따라서, 이들 공정에 있어서, 특별히 합금층(20)의 발생을 고려할 필요가 없다.
한번 광흡수층(34)이 증착되고, 완충층(36) 역할을 하는 CdS층(n형 반도체층)이 예를 들면 화학적 용액 성장법(CBD)에 의해 CIGS층 상에 형성된다. 이와 같이 하여 p-n 접합 반도체층이 형성된다.
그 후에, 예를 들면 스페이스(33)가 형성되어 있는 위치와 다른 소정의 위치에서 레이저 스크라이빙을 사용하여 박막 태양 전지(40)를 스크라이빙함으로써, 기판(10)의 폭 방향으로 확장되고 하부 전극(32)에 도달하는 스페이스(37)를 형성한다.
그 후에, 상부 전극(38) 역할을 하는 Al, B, Ga, Sb 등으로 도핑된 ZnO층이 스페이스(37)를 채우도록 스퍼터링법 또는 코팅법에 의해 완충층(36) 상에 형성된다.
그 후에, 예를 들면 스페이스(33 및 37)가 형성되어 있는 위치와 다른 소정의 위치에서 레이저 스크라이빙을 사용하여 박막 태양 전지(40)를 스크라이빙함으로써, 기판(10)의 폭 방향으로 확장되고 하부 전극(32)에 도달하는 스페이스(39)를 형성한다. 상기 박막 태양 전지(40)는 이와 같이 하여 형성된다.
그 후에, 기판(10)의 길이 방향(L)에서 가장 오른쪽과 가장 왼쪽 하부 전극(32) 상에 형성된 박막 태양 전지(40)는 예를 들면 레이저 스크라이빙 또는 기계적인 스크라이빙에 의해 제거되어 하부 전극(32)를 노출한다.
그 후에, 제 1 도전 부재(42) 및 제 2 도전 부재(44)는 예를 들면 초음파 납땜에 의해 각각 가장 오른쪽 및 가장 왼쪽 하부 전극(32) 상에 접합된다.
상기 박막 태양 전지(40)가 전기적으로 직렬로 연결된 태양 전지(30)는 도 2에 나타낸 바와 같이 제조될 수 있다.
필요에 따라서, 상기 얻어진 태양 전지(30)의 상측 상에 접착/밀봉층, 수증기 배리어층 및 표면 보호층이 위치되고, 접착/밀봉층 및 백시트는 태양 전지(30)의 후면, 즉 기판(10)의 후면 상에 형성되고, 이들 층은 진공 라미네이트에 의해 통합된다.
상기 예는 본 발명의 반도체 장치가 태양 전지(모듈)에서 사용되는 일례이지만, 본 발명의 반도체 장치는 그들로 제한되지 않고, 본 발명의 절연성 금속 기판 상에 다수의 다양한 반도체 소자가 배열된 반도체 장치를 다양하게 사용해도 좋다. 즉, 본 발명은 종래의 유리 기판 상에 반도체 회로가 형성된 장치에서 사용되는 유리 기판을 본 발명의 절연성 금속 기판으로 변경하여 형성된 다양한 반도체 장치에 사용해도 좋다.
바람직한 예는 센서 등의 수동 장치 및 유기 EL 디스플레이를 구동하는데 사용되는 TFT 패널을 포함한다.
본 발명에 의해 절연성 금속 기판 및 반도체 장치에 대해 상기에 자세하게 설명하지만 본 발명은 상기 예로 한정되지 않고, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 각종 개선 및 변형해도 좋다.
(실시예)
이어서, 본 발명의 절연성 금속 기판의 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
샘플 A
시판의 페라이트 스테인리스강(SUS430) 및 고순도 알루미늄(알루미늄 순도: 4N)을 냉각 롤링에 의해 접합시켜 30㎛의 두께를 가진 알루미늄층(14) 및 50㎛의 두께를 가진 기재(12)(스테인리스강)를 포함하는 2층 클래드 재료를 제조했다.
기재 표면 및 끝면을 마스킹 필름으로 덮고 에탄올로 초음파 세정하여 아세트산과 과염소산의 용액으로 전해 연마했다. 그 후에, 80g/L 옥살산 용액에서 40V의 정전압 전기분해에 의해 절연층(16)(알루미늄의 양극 산화막)을 10㎛의 두께로 형성하고, 도 1A에 나타낸 기판(10)을 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 20㎛이었다.
샘플 B
시판의 저탄소강(SPCC) 및 고순도 알루미늄(알루미늄 순도: 4N)을 냉각 롤링에 의해 접합시켜 30㎛의 두께를 가진 알루미늄층(14) 및 50㎛의 두께를 가진 기재(12)(저탄소강)를 포함하는 2층 클래드 재료를 제조했다.
도 1A에 나타난 바와 같이, 절연층(16)이 형성된 기판(10)을 샘플 A와 동일한 처리에 의해 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 20㎛이었다.
샘플 C
시판의 순티타늄(순도: 99.5%) 및 고순도 알루미늄(알루미늄 순도: 4N)을 냉각 롤링에 의해 접합시켜 30㎛의 두께를 가진 알루미늄층(14) 및 50㎛의 두께를 가진 기재(12)(Ti)를 포함하는 2층 클래드 재료를 제조했다.
도 1A에 나타난 바와 같이, 절연층(16)이 형성된 기판(10)을 샘플 A와 동일한 처리에 의해 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 20㎛이었다.
샘플 D
시판의 페라이트 스테인리스강(SUS430) 및 고순도 알루미늄(알루미늄 순도: 4N)을 냉각 롤링에 의해 접합시켜 80㎛의 두께를 가진 알루미늄층(14) 및 50㎛의 두께를 가진 기재(12)(스테인리스강)를 포함하는 2층 클래드 재료를 제조했다.
도 1A에 나타난 바와 같이, 절연층(16)이 형성된 기판(10)을 전해 연마 시간을 증가시킨 것 이외에는 샘플 A와 동일한 처리에 의해 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 50㎛이었다.
샘플 E
도 1A에 나타난 바와 같이, 절연층(16)이 형성된 기판(10)을 샘플 A(Al층 30㎛, 기재 50㎛)의 2층 클래드 소재를 사용하고 전해 연마 시간을 증가시킨 것 이외에는 샘플 A와 동일한 처리에 의해 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 5㎛이었다.
샘플 F
도 1A에 나타난 바와 같이, 절연층(16)이 형성된 기판(10)을 샘플 D(Al층 80㎛, 기재 50㎛)의 2층 클래드 소재를 사용한 것 이외에는 샘플 A와 동일한 처리에 의해 제조했다.
절연층 형성 후에 Al층(14)의 두께는 70㎛이었다.
열처리 및 평가
이와 같이 하여 얻어진 샘플 A~F는 다양한 조건하에서 열처리되었다.
열처리는 475℃~600℃의 유지 온도 및 1~50분의 유지 시간으로 급속 가열로를 사용하여 행했다. 각 샘플의 열처리 조건은 표 1에 나타냈다.
열처리 후에, 각 샘플에 대하여 합금층(20) 및 알루미늄층(14)의 두께를 측정하고 기판의 휨 및 절연성을 평가했다.
합금층 및 알루미늄층의 두께
각 샘플의 단면을 관찰하여 기재(12) 및 알루미늄층(14) 사이의 계면에서 합금층(20)의 생성을 평가하고, 알루미늄의 두께 감소 상태를 평가했다.
각 샘플을 다이아몬드 커터로 절단하고, 아르곤 이온빔을 사용하는 이온 연마에 의해 계산한 후 SEM-EDX(에너지 분산형 X선 분석 장치를 가진 주사형 전자 현미경)에 의해 관찰했다. 절연층(16)(양극 산화막), Al층(14), 합금층(20) 및 기재(12)(금속 기재)의 평균 원자량이 다르기 때문에 SEM-반사 전자상이 사용될 때 뚜렷한 차이가 있는 화상을 얻었다.
화상에서 각 층의 면적을 화상 분석에 의해 측정하고, 각 층의 두께를 관찰 시계의 길이에 의해 나눔으로써 결정했다. 관찰 시계 배율은 성장한 합금층(20)의 두께에 따라 1000~10000배로 설정했다.
기판 휨
샘플의 표면을 2차원 레이저 변위계에 의해 스캔하여 기판의 곡률 반경을 측정했다.
절연성
기판(10)의 절연성에 대한 기재(12)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에서 발생된 합금층(20)의 영향을 확인하기 위해서, 80mm의 곡률 반경을 가진 지그에 따라 볼록한 표면을 형성하도록 절연층(16)을 제조하고, 두 직교 방향으로 각각 10번씩 만곡 응변을 적용한 후 절연 테스팅을 행했다.
절연성 측정은 절연층(16)의 표면 상에 마스크된 기상 증착에 의해 0.2㎛의 두께 및 3.5mm의 직경을 가진 금 전극을 설치하고, 금 전극에 부극성 전압의 200V를 인가하여 행했다. 누설 전류를 금 전극 표면 면적(9.6㎟)으로 나눔으로써 얻어진 값을 누설 전류 밀도로 사용했다. 이 측정을 동일한 기판 상에 설치된 9개의 금 전극으로 행하고, 이들 평균값을 기판의 누설 전류 밀도라고 했다. 또한, 각 기판 상의 9개의 금 전극의 누설 전류 밀도의 불균형(최소값-최대값)도 평가했다.
휨이 확인된 샘플을 측정 부분 이외의 단부를 눌러 납작하게 하면서 측정했다.
결과를 표 1에 나타냈다.
Figure 112012061782551-pct00001
상기 표에 있어서, 비교예 8의 곡률 반경은 표면 기복때문에 측정할 수 없었다.
또한, 비교예 4에 대하여 9개의 전극 중 2개의 측정에서 절연이 파괴되었고, 비교예 7 및 9에 있어서 9개의 전극 중 4개의 측정에서 절연이 파괴되었다. 이러한 이유로, 절연이 파괴되지 않은 금 전극에 대한 평균값, 최소값 및 최대값을 누설 전류 밀도및 누설 전류 밀도의 불균형으로 사용했다.
비교예 8에 있어서 합금층(20) 및 절연층(16)을 직접 접촉하고, 또한 기판(10)의 표면 기복때문에 곡률 반경을 측정할 수 없었다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 합금층(20)의 두께가 10㎛ 이하, 알루미늄층(14)의 두께가 1㎛ 이상이고 기재(12)의 두께가 50㎛ 이하인 본 발명의 실시예에 있어서 곡률 반경은 모든 경우에 50cm 이상이고, 누설 전류 밀도에서 열처리를 행하지 않은 것과 큰 차이가 있었다. 대조적으로, 합금층(20)의 두께 또는 알루미늄층(14)의 두께가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에 있어서 누설 전류는 증가하고, 측정된 값의 불균형도 증가했다. 또한 전압이 200V까지 증가하는 동안에 절연층이 파괴된 기판이 있었다. 또한, 절연이 파괴되지 않은 기판에 있어서 곡률 반경은 50cm 이하이고 가시적인 휨이 있었다.
합금층 및 계면의 고찰
샘플 A가 사용된 실시예 2, 3 및 5, 및 비교예 1 및 6의 단면을 도 4 및 도 5에 나타냈다. 도 4에 있어서, A는 비교예 1(합금층(금속간 층) 0㎛), B는 실시예 2(합금층 0.05㎛), C는 실시예 3(합금층 5㎛) 및 D는 실시예 5(합금층 10㎛)이고, 도 5e는 비교예 6(합금층 12㎛)이었다.
이들 샘플은 접합면으로부터 오일 또는 자연 산화막을 제거한 표면 세정 후에 냉각 롤링에 의해 얻어진 클래드 소재이다. 열처리를 하지 않은 샘플에 있어서, 10000배의 배율로 SEM에 의해 합금층을 확인할 수 없었다.
대조적으로, 고온을 유지하면서 행하는 실시예에 있어서, 기재(12)(SUS430강)와 알루미늄층(14) 사이의 계면에서 합금층(20)이 발생되었다. 여기서, 열처리 시간이 짧거나 또는 온도가 높지 않은 경우에 있어서, 합금층(20)은 도 4b에 나타낸 바와 같이 최대 두께 1㎛의 섬형으로 생성되고, 평균 두께는 0.05㎛이었다. 한편, 열처리가 고온 또는 장시간인 실시예에 있어서, 다른 도에 나타낸 바와 같이 적어도 1㎛의 평균 두께를 가진 연속층에 성장했다.
상술한 바와 같이, 합금층(20)의 계면, 특히 Al층(14)과의 계면에서 요철을 나타낼지라도, 합금층(20)은 거의 균일하게 성장하고 알루미늄측으로 크게 파고 들어가는 면형 또는 위스커형 등의 비정상적인 성장은 발생되지 않았다.
또한, 합금층(20)이 EDX에 의해 분석되는 경우, 합금의 몰 조성은 Al:Fe:Cr=3:0.8:0.2이고 Al3Fe 조성의 금속간 화합물의 Fe 사이트에 Cr이 고용체인 층이라고 생각된다. Fe:Cr=8:2의 몰비는 SUS430에서의 몰비와 상당히 일치했다.
합금층(20)의 두께가 약 5㎛인 경우, 도 4c에 나타낸 바와 같이 합금층(20)과 알루미늄층(14) 사이의 계면에 커켄달 보이드로 생각되는 보이드를 나타냈다.
합금층(20)의 두께가 약 10㎛인 경우, 도 4d에 나타낸 바와 같이 보이드는 커지고 그들과 연결된 크랙형부가 있었다. 그러나, 크랙의 길이는 최대 10㎛를 유지하고 저배율에서 관찰할 때 크랙부가 시야의 1/4이었다. 합금층(20)이 성장하여 두께가 10㎛를 초과하는 경우, 도 5e에 나타난 바와 같이 시야의 전체 계면을 따라 크랙을 나타냈다.
표 1의 실시예에 나타낸 바와 같이, 합금층(20)의 두께가 10㎛일 때 누설 전류에서 많은 이상이 나타나지 않아 사용 가능하다고 생각된다. 그러나, 계면에서 크랙형 보이드가 있는 것은 장기적 신뢰성 등의 관점에서 바람직하지 않다. 이러한 이유로, 본 발명에 있어서 합금층(20)의 바람직한 두께는 5㎛ 이하이었다.
샘플 B와 샘플 C에서 동일한 관찰 및 분석이 행해지는 경우, 열처리 후의 샘플 B에서 저탄소강과 알루미늄 계면에 Al3Fe의 금속간 화합물 및 샘플 C에서 Al3Ti의 금속간 화합물로 제조된다고 생각되는 각각의 합금층(20)을 형성했다. 계면에서 요철 조건은 샘플 A의 것과 동일하다. 또한, 합금층(20)의 두께에 대해서 보이드 또는 그들이 연결된 크랙의 조건은 샘플 A와 거의 동일하다.
모든 샘플에 있어서, 열처리에 의해 알루미늄층(14)의 두께는 합금층(20)의 성장에 따라 감소하지만, 기재(12)(SUS430, 저탄소강, Ti)의 두께는 열처리 전과 오차범위 내에서 일치하고 거의 50㎛이었다.
상기 샘플의 설명 및 도 3의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 10㎛ 및 5㎛의 합금층(20)의 두께로 야기된 열처리 조건(유지 온도 및 유지 시간)의 영역을 나타낸 도 3a와 3b에 있어서, a는 기재(12)로서 SUS430이 사용된 샘플 A와 상응하고, b는 기재(12)로서 저탄소강이 사용된 샘플 B와 상응하고, c는 기재(12)로서 Ti 소재가 사용된 샘플 C와 상응했다.
도 3 및 샘플의 열처리 결과에 의해 나타낸 바와 같이, 높은 온도에서 유지 시간을 증가시킴으로써 합금층(20)의 두께를 증가시켰다. 상술한 바와 같이, 합금층(20)의 두께가 10㎛를 초과하는 경우, 합금층(20)과 알루미늄층(14) 사이의 계면 강도는 감소하고 절연층(16)(양극 산화막)에 미세 크랙을 발생시키는 경향이 있다고 생각된다.
또한, 도 3과 표 1의 결과를 조합하는 경우, 다양한 기판(12)을 사용한 기판(10)에 도 3의 밴드에 의해 나타낸 영역의 하부측 및/또는 왼쪽에 대한 열이력을 가해도 절연성은 유지되고 열처리 후의 휨과 같은 많은 문제는 없다.
이것은 실시예 1~3의 기판(10)을 사용하는 반도체 장치에 반도체 회로 부분의 제조 공정에서 발생된 열이력을 가하는 경우와도 동일하다. 예를 들면, 샘플 A의 기판(10)의 경우에 있어서, 600℃×15분 또는 550℃×50분에 상응하는 열이력을 가해도 합금층(20)의 두께는 10㎛ 이내이고, 절연성 및 가요성을 유지하면서 열처리 후의 변형 없이 사용할 수 있다.
본 발명은 태양 전지 및 유기 EL 디스플레이 등의 절연 기판을 사용하는 반도체 장치의 제조에 다양하게 사용될 수 있다.
10: 기판 12: 기재
14: Al층 16: 절연층
20: 합금층 30: 태양 전지
32: 하부 전극 33, 37, 39: 스페이스
34: 광흡수층 36: 완충층
38: 상부 전극 40: 박막 태양 전지
42: 제 1 도전 부재 44: 제 2 도전 부재
50: 알칼리 공급층

Claims (10)

  1. 강, 철기 합금강 또는 티타늄으로 제조된 금속 기재;
    상기 금속 기재 중 적어도 한 면에 설치된 알루미늄층;
    상기 알루미늄층의 표면을 양극 산화 처리하여 형성된 절연층; 및
    Al3X(여기서, X는 Fe, Cr 및 Ti로부터 선택된 원소 중 적어도 1종)로 나타내어지는 조성의 합금을 포함하는 합금층을 포함하고,
    상기 금속 기재와 상기 알루미늄층 사이의 계면에 존재하는 절연성 금속 기판으로서:
    상기 합금층은 0.01~10㎛의 두께를 갖고, 상기 알루미늄층은 1㎛ 이상 및 상기 금속 기재의 두께 이하인 것을 특징으로 하는 절연성 금속 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 다공성 구조를 갖는 알루미늄의 양극 산화막인 것을 특징으로 하는 절연성 금속 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미늄층은 상기 금속 기재 중 적어도 한 면에 알루미늄 시트를 가압 접합하여 상기 금속 기재 중 적어도 한 면에 설치되는 것을 특징으로 하는 절연성 금속 기판.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 기재는 10~1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 절연성 금속 기판.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층은 0.5~50㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 절연성 금속 기판.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 절연성 금속 기판; 및
    상기 절연성 금속 기판의 표면 상에 배열된 반도체 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 직렬로 연결된 광전 변환 소자인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 칼코피라이트형 결정 구조를 갖는 화합물 반도체를 포함하는 광흡수층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 각각 몰리브덴으로 제조된 하부 전극을 갖고, 상기 화합물 반도체는 Ib족 원소, Ⅲb족 원소 및 Ⅵb족 원소로 제조된 적어도 하나의 화합물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 Ib족 원소는 구리 및/또는 은을 포함하고, 상기 Ⅲb족 원소는 알루미늄, 갈륨 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하고, 상기 VIb족 원소는 황, 셀레늄 및 텔루륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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