KR20100075336A - Continuous downward thermal deposition equipment for large size cigs film layer of cigs solar cell - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 대면적의 CIGS 박막형 태양전지 제조 시, 태양전지의 효율에 매우 중요한 CIGS 광흡수층 박막의 제작에 있어서, 몰리브데늄 박막이 코팅된 대면적의 유리기판상에 다수개의 하향식 선형 증발원을 사용하여 구리기체, 갈륨기체, 인디움기체, 셀레니움 기체를 하향으로 분사하여, CIGS 박막을 형성하고, 동시에 롤러이송에 의한 대면적의 유리기판의 고속 이송이 가능하고, 동시에 면가열장치에 의한 유리기판의 고온 가열이 가능하여 양질의 CIGS 박막을 형성함으로써, CIGS 박막형 태양전지의 대량 생산이 용이한 효과를 가지는 대면적 CIGS 태양전지의 광흡수층 연속 증착장비에 관한 것이다.According to the present invention, when manufacturing a large area CIGS thin film solar cell, in the production of a CIGS light absorption layer thin film which is very important for the efficiency of the solar cell, a plurality of top-down linear evaporation sources on a large area glass substrate coated with molybdenum thin film Copper gas, gallium gas, indium gas and selenium gas are sprayed downward to form a CIGS thin film, and at the same time, it is possible to convey a large area of glass substrate by roller conveyance, and at the same time, glass by surface heating device The present invention relates to a light-absorption layer continuous deposition apparatus of a large area CIGS solar cell having an effect of easily mass-producing a CIGS thin-film solar cell by forming a high-quality CIGS thin film by heating a substrate at a high temperature.
Description
도 1은 CIGS 박막형 태양전지의 구성도1 is a configuration diagram of a CIGS thin film solar cell
도 2는 상향식 CIGS 박막 증착방법의 구성도2 is a block diagram of a bottom-up CIGS thin film deposition method
도 3은 하향식 CIGS 광흡수층 박막을 제작하는 개념도3 is a conceptual diagram for manufacturing a top-down CIGS light absorption layer thin film
도 4는 구리, 갈륨, 인디움, 셀레니움 증발원의 배열을 나타내는 구성도4 is a block diagram showing the arrangement of copper, gallium, indium, selenium evaporation source
도 5는 대면적 CIGS 박막을 연속 제작하는 하향식 기판 이송용 증착장비의 구성도5 is a block diagram of a top-down substrate transfer deposition equipment for continuously producing a large area CIGS thin film
도 6은 원통형 셀레니움 증발원을 아래에서 본 저면도6 is a bottom view of the cylindrical selenium evaporation source from below;
도 7은 롤러장치와 면 가열장치 기판의 이송용 트레이의 단면도7 is a cross-sectional view of a tray for conveying a roller apparatus and a surface heating apparatus substrate;
도 8은 기판 트레이의 입체도8 is a perspective view of a substrate tray;
도 9는 다수개의 롤러가 회전 구동 되어 기판 트레이가 이송되는 구성도9 is a configuration in which a plurality of rollers are driven to rotate to transport the substrate tray
도 10은 양산용 연속 증착챔버와 로딩 챔버, 언로딩 챔버의 연결 구성도10 is a connection diagram of the continuous deposition chamber and the loading chamber, the unloading chamber for mass production
도 11은 대면적 기판의 연속 증착공정을 위한 챔버들의 연결 구성도11 is a connection diagram of chambers for a continuous deposition process of a large-area substrate
도 12는 대면적 기판의 연속 증착공정을 위한 챔버들과 트레이 순환롤러장치들의 연결 구성도12 is a connection diagram of chambers and tray circulation roller devices for a continuous deposition process of a large area substrate;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 소다라임 유리기판 11: 몰리브데늄 전극층 박막10: soda lime glass substrate 11: molybdenum electrode layer thin film
12: CIGS 광흡수층 박막 13: CdS 버퍼층 박막12: CIGS light absorbing layer thin film 13: CdS buffer layer thin film
14: ZnO 윈도우층 박막 15: TCO 투명 전극층 박막14: ZnO window layer thin film 15: TCO transparent electrode layer thin film
16: EVA 필름 17: 강화 유리 16: EVA film 17: tempered glass
20: 진공 챔버 21: 펌핑 포트20: vacuum chamber 21: pumping port
22: 유리기판 23: CIGS 박막22: glass substrate 23: CIGS thin film
24: 가열장치 25: 셀레니움 점증발원24: heating device 25: selenium evaporation source
26: 구리 점증발원 27: 갈륨 점 증발원26: copper evaporation source 27: gallium point evaporation source
28: 인디움 점증발원 29: 증발원 장치28: indium evaporation source 29: evaporation source device
30 유리기판 31: 트레이30 glass substrate 31: tray
32: 롤러 33: 면가열 장치32: roller 33: surface heating device
34: 구리 하향식 선형 증발원 35: 갈륨 하향식 선형 증발원 34: copper top down linear evaporation source 35: gallium top down linear evaporation source
36: 인디움 하향식 선형 증발원 37: 셀레니움 선형 증발원36: indium top-down linear evaporation source 37: selenium linear evaporation source
38: 고정축 39: 증발부 하우징38: fixed shaft 39: evaporator housing
40: 셀레니움 증발용 튜브 41: 셀레니움 기폐 이송용 튜브40: tube for selenium evaporation 41: tube for selenium gas transfer
42: 셀레니움 기체 분사용 노즐 43: 하향식 선형 증발원의 기체 분출노즐42: nozzle for selenium gas injection 43: gas blowing nozzle of the top-down linear evaporation source
44: 셀레니움 원통형 증발원 45: 자유회전 롤러44: selenium cylindrical evaporation source 45: free-rotating roller
46: 트레이 단46: tray
50: 양산용 연속 증착 챔버 51: 펌핑포트50: mass production continuous deposition chamber 51: pumping port
52: 기판 트레이 입구 포트 53: 기판 트레이 출구포트52: substrate tray inlet port 53: substrate tray outlet port
54: 가열용 실드 55: 실드 가열용 카트리지 히터54: shield for heating 55: cartridge heater for shield heating
60: 롤러 회전축 61: 베벨기어 박스60: roller rotation axis 61: bevel gear box
62: 기어 회전축 63: 구동 장치62: gear rotation shaft 63: drive unit
64: 롤러 연결축64: roller connecting shaft
70: 로딩 챔버 71: 입구도어70: loading chamber 71: inlet door
72:게이트밸브 73: 언로딩 챔버72: gate valve 73: unloading chamber
74: 출구도어 75: 트레이 이송 롤러74: exit door 75: tray feed roller
76:업다운 축장치 77: 트레이 전달용 롤러 장치76: up-down shaft unit 77: roller transfer roller unit
80: 할로겐 램프 히터 81: 냉각 장치80: halogen lamp heater 81: cooling device
82: 순환 롤러 83: 회전식 순환롤러 장치82: circulation roller 83: rotary circulation roller device
84: 순환롤러 장치84: circulating roller device
90: 기판 로딩 챔버 91: 저진공 가열 챔버90: substrate loading chamber 91: low vacuum heating chamber
92: 고진공 가열 챔버 93: 고진공 대기가열 챔버92: high vacuum heating chamber 93: high vacuum atmospheric heating chamber
94: 고진공 대기 냉각 챔버 95: 고진공 냉각 챔버94: high vacuum atmospheric cooling chamber 95: high vacuum cooling chamber
96: 저진공 냉각 챔버 97: 기판 언로딩 챔버96: low vacuum cooling chamber 97: substrate unloading chamber
지구의 온난화의 주범은 인류가 개발한 전기를 공급하기위한 발전소에서 사용하는 기름의 사용이다. 친환경적인 전기발생장치를 개발하기위한 대체에너지의 개발중, 태양광을 이용하여 무공해 전력장치를 개발하기위한 태양전지를 대량생산할 수 있는 기술이 매우 필요하다. 기존에는 실리콘 결정에 의한 태양전지가 개발되어 시판되고 있으나, 실리콘 웨이퍼의 원자재 부족과 원가 상승 및 낮은 효율 때문에 태양전지의 공급이 원활하지 않다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 세계적으로 박막형 태양전지의 개발에 박차를 가하고 있으며, 이의 생산기술이 국가와 지구의 장래의 에너지 문제를 해결할 열쇠를 쥐고 있다. 도1에는 박막형 태양전지의 하나로 알려진 CIGS 태양전지의 구조를 나타내었다. 소다라임 유리기판(10)위에 몰리브데눔 전극층 박막(11)을 구성하고, 그 위에 CIGS 광흡수층 박막(12)을 구성하게 된다. CIGS 는 구리, 인디움, 갈룸, 셀레니움의 4가지 원소로 구성된 결정박막으로, 태양광의 흡수율이 매우 뛰어난 흡수층으로 알려져 있다. CdS 버퍼층 박막(13)은 흡수층에서 생성된 전자가 모이게 하는 버퍼층으로서 PN jnuction의 N층에 해당된다. CIGS 층은 P층이다. ZnO 윈도우층 박막(14)은 또다른 N층의 역할을 하게 되며 전자가 더욱 잘 모이게 하여 주며, TCO 층을 스퍼터링 증착 시, CIGS 층과 CdS층을 보호해주는 역할을 하기도 한다. TCO 투명전극층 박막(15)은 N층에 모인 전자들을 모아서 버스 바쪽으로 잘 흐르게 하여 전기를 모으도록 도와주며, 빛을 투과하기도 하며, 전자들을 도선에 모아주는 역할도 한다. 다층으로 형성된 박막 태양 전지는 공기중에 노출되어도 수명이 오래 가도록 하기 위하여 EVA 필름(16)을 형성한 후에 강화 유리(17)로 덮어서 우박으로부터 보호받게 하여주며, 비로서 박막형 CIGS 태양광전지의 모듈이 완성되는 것이다. The main culprit of global warming is the use of oil used in power plants to supply electricity developed by mankind. During the development of alternative energy to develop eco-friendly electricity generating device, there is a great need for a technology that can mass-produce solar cells for developing pollution-free power devices using solar light. Conventionally, solar cells based on silicon crystals have been developed and marketed, but supply of solar cells is not smooth due to the shortage of raw materials of silicon wafers, cost increase, and low efficiency. In order to overcome this problem, the world is spurring the development of thin-film solar cells, and its production technology holds the key to solving the future energy problems of the country and the earth. Figure 1 shows the structure of a CIGS solar cell known as one of the thin-film solar cell. The molybdenum electrode layer
도2에는 상기의 CIGS 태양전지의 가장 주요 박막인 CIGS 광흡수층 박막을 제조하기위한 기존의 진공 증착 방법을 나타내었다. 진공챔버(20)의 내부 상부에는 가열장치(24)가 설치되어 복사에 의한 열로써 유리기판(22)을 가열하게 된다. 챔버의 하부에는 펌핑포트(21)가 부착되어 고진공으로 챔버을 펌핑하게 되며, 챔버의 하부에는 5개의 점 증발원이 놓이게 된다. 셀레니움 점 증발원(25)이 2개가 좌우에 설치되며, 중앙에는 구리 점증발원(26), 갈륨 점증발원(27), 인디움 점증발원(28)이 설치되어, 구리기체, 갈륨 기체, 인디움 기체, 셀레니움기체가 동시 증발되면서 유리기판에 CIGS박막(23)이 형성된다.Figure 2 shows a conventional vacuum deposition method for manufacturing a CIGS light absorbing layer thin film, which is the main thin film of the CIGS solar cell. A
상기의 상향식 CIGS 박막제조 방법은 소형의 박막형 CIGS 태양전지의 제작에는 알맞으나, 대면적의 CIGS 박막을 제조하는데는 적당하지 않아, 대면적 CIGS 박막 태양전지의 생산이 매우 어렵다. 유리기판의 온도는 500도 정도로 가열되어야 하는데, 이때, 유리기판이 처짐이 발생하므로, 박막을 형성하여도 박막의 균일도를 유지하기가 곤란해지며, 대면적의 기판을 지탱하는데 제한을 가지게 된다. 또한 점증발원의 용량은 매우 적으므로 장시간 증착이 불가능하기도 하다. 또한, 대면적의 CIGS 기판을 고속으로 생산하기가 매우 어렵다.The above-mentioned bottom-up CIGS thin film manufacturing method is suitable for manufacturing a small thin-film CIGS solar cell, but is not suitable for producing a large-area CIGS thin film, and thus, it is very difficult to produce a large-area CIGS thin film solar cell. The temperature of the glass substrate should be heated to about 500 degrees, in this case, because the glass substrate is sagging, it becomes difficult to maintain the uniformity of the thin film even if a thin film is formed, it has a limit in supporting a large area of the substrate. In addition, since the capacity of the evaporation source is very small, it is impossible to deposit for a long time. In addition, it is very difficult to produce large area CIGS substrates at high speed.
즉, 고온에서도 기판의 처짐을 방지하고, 대면적의 CIGS 광흡수층 박막의 제작이 가능하면서, 고생산성이 가능한 새로운 개념의 CIGS 광흡수층 박막의 연속 증착 장비의 개발이 시급하다.In other words, it is urgent to develop a new concept of continuous deposition equipment of CIGS light absorbing layer thin film which can prevent sagging of the substrate even at high temperature, and can manufacture a large area CIGS light absorbing layer thin film.
상기의 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 도3에 도시한 바와 같이, 다수개의 하향식 증발원을 사용하여 하향식 증착을 하고, 기판을 동시에 선형이송하는 것이다. 즉, 대형의 유리기판(30)은 트레이(31)에 담겨져서 이송이 가능하게 된다.As a method for solving the above problem, as shown in FIG. 3, a top-down deposition is performed by using a plurality of top-down evaporation sources, and the substrate is simultaneously linearly transferred. That is, the
이때, 트레이는 다수개의 롤러(32)들에 의하여 이송이 가능하다. 즉, 롤러들은 회전구동흘 하게 되며 롤러위에 얹혀진 트레이의 하부와 마찰에 의하여 트레이가 선형이송되는 것이다. 또한 롤러들 하부에는 면가열 장치(33)가 설치되어 있어서, 면가열 장치로부터 방사되는 복사에 의하여 트레이가 가열되고, 가열된 트레이와 접촉된 대면적의 유리기판이 가열되는 것이다. 이때, 기판의 가열온도는 약 550도 가 가장 알맞은 것을 알려져 있다. 또한, 진공챔버의 상부에는 구리 하향식 선형 증발원(34), 갈륨 하향식 선형 증발원(35), 인디움 하향식 선형 증발원(36)등이 고정축(38)에 의하여 증발부 하우징(39)에 연결되어 고정된다. 특히, 셀레니움 선형증발원은 셀레니움 증발용 튜브(40)에 의하여 셀레니움이 하향으로 분사된다. At this time, the tray can be transported by a plurality of rollers (32). In other words, the rollers are rotated and the tray is linearly moved by friction with the lower portion of the tray placed on the roller. In addition, the
도4에 나타낸 바와 같이, 선형의 셀레니움 도가니(37)에는 셀레니움 기체 이송용 튜브(41)가 연결되어 있어서, 가열로 인하여 증발된 셀레니움 기체는 셀레니움 기체 분사용 노즐(42)을 통하여 분사가 되며, 이때, 노즐의 위치는 기판을 향하여 하향으로 위치하여 있으므로 셀레니움 기체의 하향식 분사가 가능하게 된다. 도6과 같이 셀레니움 증발원은 원통형으로 제작될 수 있으며 기체 이송용 튜브(41)와 기체 분사용 노즐(42)이 선형과 동일한 구조로 하여 셀레니움 기체를 하향으로 분사가 가능하다. 또한, 구리, 갈룸, 인디움 기체도 하향식 선형 증발원의 하부에 형성된 기체 분출노즐(43)에 의하여 하향으로 분사가 가능한 것이다. 하향증착 시, 충분한 양의 셀레니움 공급을 위하여, 도3에서와 같이, 4개의 셀레니움 증발용 튜브가 구리 증발원 좌측에 위치하고, 구리와 갈륨 증발원 사이에, 갈륨과 인디움 증발원 사이에 각각 놓이게 되어, 셀레니움의 물질 사용율을 향상하게 된다. 참고로 셀레니움은 매우 휘발성이 강하고, 금속 표면에 고형화가 매우 잘되는 등의 특성을 가진 기체이므로 증발 시 세심한 주의가 필요하다.As shown in Figure 4, the
도5에 도시한 바와 같이, 대면적의 유리기판을 이송하면서, 가열이 가능하고, 하향식 증착이 가능한 진공 증착 장비의 구성도를 나타내었다. 양산용 연속 증착 챔버(50)는 고진공용기로서, 직육면체의 형태로이며, 상하부에 다수개의 펌핌포트(51)가 형성되고, 챔버 좌측에는 기판 트레이 입구포트(52)가 형성되고, 우측에는 기판트레이 출구포트(53)가 형성되어 있다. 챔버의 상부에는 가열용 실드(54)가 형성되어 있으므로, 휘발성이 강한 셀레니움이 챔버내에서 상부의 실드에 고형화 되었다가, 하부로 떨어져서 유리기판에 파티클을 형성하게 되는 것을 방지하게 된다. 이러한 실드는 후부에 다수개의 실드 가열용 카트리지 히터(55)들이 장착되어 있어서, 섭씨, 100도에서 300도 정도의 가열온도로 실드를 가열하게 되므로, 셀레니움이 고형화 되는 것을 막아준다.As shown in FIG. 5, a configuration diagram of a vacuum deposition apparatus capable of heating and top-down deposition while conveying a large-area glass substrate is shown. Mass production
대형의 기판에 CIGS 박막의 고속 증착이 가능하도록 1개에서 3개까지의 증발원 장치가 설치가 되며, 챔버 하부에는 면증발장치가 다수 개 놓이게 되어, 기판의 가열이 더욱 효과적이도록 도와주기도 한다. 실제로 면가열장치(33)를 매우 크게 제작하기가 어려우므로 다수 개로 제작하면 제작이 용이 하기도 한 장점을 가지게 된다. One to three evaporation source devices are installed to enable high-speed deposition of CIGS thin films on large substrates, and a plurality of surface evaporation devices are placed in the lower part of the chamber, which helps to heat the substrate more effectively. In fact, it is difficult to manufacture a very large
도7에는 면가열장치(33)와 롤러(32), 기판 트레이의 구조(31)의 단면을 나타내었다. 즉, 트레이의 좌우 가장자리가 롤러에 걸치게 되어 롤러의 회전구동에 의하여, 트레이가 이송되며, 면 가열장치는 롤러사이에 놓이게 되므로, 트레이와 더욱 가까워지게 되므로 복사에 의한 트레이 가열이 더욱 효과적이다. 기판이 대면적이 되면 트레이도 커지게 되고 쳐지는 일이 발생하게 되는데, 트레이를 받쳐주는 자유회전 롤러가 트레이 중간 부분에 1~10개까지 놓일 수 있다.7 shows a cross section of the
도8은 트레이를 도시한 것인데 기판이 들어갈 수 있도록 기판 두께 정도로 일정한 깊이로 파여 있고 단이 져 있어 기판 이송 중에 기판이 트레이에서 떨어지지 않도록 되어 있다.FIG. 8 shows a tray, which is dug to a certain depth so that the substrate can be inserted therein and has a stage so that the substrate does not fall out of the tray during substrate transfer.
도9에 도시한 바와 같이, 기판이 얹혀진 트레이는 다수개의 롤러에 실려서 이송하게 되는데, 롤러(32)들은 롤러 회전축(60)에 각각 연결되어 구동하게 되며, 롤러 회전축은 모두 베벨기어 박스(61)에 연결되어 있으므로, 베벨기어의 회전구동에 의하여 롤러가 구동하게 되는 것이다. 특히, 모든 베벨기어 박스들은 기어 회전축(62)에 연결되어 있으므로, 이 회전축의 회전 모션에 대하여 기어 회전축들이 동시에 같은 각속도로 회전 구동하게 된다. 좌우측에 설치된 기어 회전축(62)은 롤러연결축(64)으로 연결되어 한 개의 구동장치(63)를 사용하여 모든 롤러들을 구동하게 되므로 제어가 매우 용이하게 되는 효과가 있다.As shown in FIG. 9, the tray on which the substrate is mounted is carried by a plurality of rollers, and the
도10에 나타낸바와 같이, 상기의 CIGS 연속 증착 챔버(50)의 좌우에는 기판의 로딩 챔버(70)와 언로딩 챔버(73)가 연결되므로서, 고진공을 깨지 않고도, 기판의 인입과 출력이 가능하게 되므로 생산성을 향상하게 된다. 로딩챔버의 좌측에는 입구도어(71)가 형성되어 있으며, 내부에는 할로겐 램프히터(80)장치들이 놓이게 되어 기판의 프리히팅이 가능하게 된다. 또한, 롤러 장치들이 놓여 트레이의 이송이 가능하다. 증착챔버(50)와 로딩 챔버 사이에는 게이트 밸브(72)로 연결된다. 언로딩 챔버의 우측에는 트레이가 빠져나갈 수 있도록 출구도어(74)가 형성되며, 내부의 상부에는 냉각장치(81)가 형성되어 증착이 완료된 CIGS 기판의 냉각을 도와준다. 이렇게 빠져나온 트레이는 재활용을 위하여, 트레이 이송롤러(75)들이 부착된 트레이 전달 용 롤러 장치(77)가 업다운 축 장치(76)에 의하여 내려오게 되고, 롤러이송에 의하여 로딩챔버부로 이송하여, 입구도어까지 전달된 후 기판을 실고 진공챔버로 인입이 됨으로써, 트레이의 재사용이 가능하게 되는 것이다.As shown in FIG. 10, the
도11에는 생산성을 더욱 향상하기 위한 방법으로서, 상기의 양산용 증착 챔버(50)의 좌우에 로딩 챔버(90), 저진공 가열챔버(91), 고진 공 가열 챔버 (92), 고진공 대기 가열 챔버(93),고진공 대기 냉각 챔버(94), 고진공 냉각 챔버(95), 저진공 냉각 챔버(96), 기판 언로딩 챔버(97)가 게이트 밸브로써 선형 연결되어 있다. 즉, 고진공의 분위기를 깨지 않고도, 대기압으로부터 기판을 인입하면서, 공정시간과 펌핑시간을 단축하기 위하여, 대기압->저진공 기판 가열 ->고진공 기판 가열 ->고진공 기판 대기 및 이송 시간조절 -> 증착 스켄 ->고진공 냉각 대기 및 시간 조절 ->고진공 냉각 -> 저진공 냉각 -> 대기압 출구의 순서로 공정을 진행하게 되는 것이다.11 shows a
도12에는 도11에 도시한 선형의 챔버들에서 기판 로딩 챔버 전과 기판 언로딩 챔버 후에 회전식 순환롤러장치를 연결하고, 회전식 순환롤러장치들 사이에 순환롤러장치와 회전식 순환롤러장치들을 연결하여, 직사각형 형태로 구성된 챔버들과 순환롤러장치들을 트레이가 무한 횟수로 순환하도록 하여 생산성을 극대화할 수 있는 방법을 나타낸 것으로, 회전식 순환롤러 장치는 트레이의 이송방향을 90도로 바꾸어 주고 순환롤러 장치는 트레이의 선형 이송을 해 주며, 트레이는 규칙적으로 배열되고 나열된 순환롤러 위로 이송된다. 12 is connected to the rotary circulation roller device before and after the substrate loading chamber and the substrate unloading chamber in the linear chambers shown in FIG. 11, and the circulation roller device and the rotary circulation roller devices are connected between the rotary circulation roller devices. It shows the method to maximize the productivity by allowing the tray to cycle the infinite number of chambers and circulation roller devices configured in the form, the rotary roller device to change the conveying direction of the tray to 90 degrees and the circulation roller device is linear The trays are arranged regularly and transported on the listed rollers.
본 발명에 의하면, 대면적의 CIGS 박막형 태양전지 제조 시, 태양전지의 효율에 매우 중요한 CIGS 광흡수층 박막의 제작에 있어서, 대면적의 기판상에 하향식 선형 증발원을 사용하여 CIGS 박막을 형성하고, 동시에 대면적의 유리기판의 고속 이송과 고온 가열이 가능하여 CIGS 태양전지의 대량 생산이 용이한 효과를 가진다.According to the present invention, when manufacturing a large area CIGS thin film solar cell, CIGS light absorbing layer thin film is very important for solar cell efficiency. High speed heating and high temperature heating of large-area glass substrate enables high-volume production of CIGS solar cells.
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