KR101046953B1 - 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치 - Google Patents

레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 관한 것으로서, 태양전지의 에미터층에 레이저빔을 조사하여 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 레이저빔을 출력하는 레이저부; 상기 레이저부로부터 출력된 레이저빔을 전송하는 레이저빔 전송부; 상기 레이저빔 전송부를 통해 전송된 레이저빔을 콜리메이팅하며, 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈; 콜리메이팅되어 입사되는 레이저빔을, 태양전지 상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 갈바노미터 스캐너; 상기 갈바노미터 스캐너를 경유한 레이저빔이 입사되며, 입사된 레이저빔을 태양전지 상에 집속시켜 조사하기 위한 집광 렌즈; 및 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로 상에 위치하는 제1위치와 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제2위치 사이에서 상기 콜리메이팅 렌즈를 왕복이송시키는 콜리메이팅 렌즈 이송부;를 포함하며, 상기 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 선택적 에미터 가공에 적합한 스팟 크기를 가지는 콜리메이팅 렌즈가 선택되어 상기 제1위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치{Apparatus for forming selective emitter of solar cell using laser}
본 발명은 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 갈바노미터 스캐너를 이용하여 선택적 에미터의 가공조건 변경에 대응할 수 있는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있으며, 태양광 에너지라고 하면 일반적으로 태양전지를 일컫는다.
도 1은 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 태양전지는 p-n 접합을 형성하는 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판(21)과, 제1도전형의 불순물과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물이 도핑된 에미터층(22)과, 전면 전극(23)과, 후면 전극(24)과, 반사방지막(25) 및 BSF(back surface field)(26)를 구비하여, 태양광의 흡수율을 향상시키고 캐리어의 전달 저항을 감소시켜 효율을 향상시킨다.
또한, 전면 전극(23)과 에미터층(22) 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 전면 전극(23)과 접하는 영역의 에미터층(22)을 두껍게 형성하고 그렇지 않은 영역은 그보다 얇게 형성하여 캐리어의 라이프 타임(life time)을 향상시킨다. 이러한 구조의 에미터층을 선택적 에미터(selective emitter)(28)라 한다. 이러한 선택적 에미터(28)는 전면 전극(23)과의 접촉 저항을 감소시켜 태양전지의 효율을 증대시키는데 기여하는 바가 크다.
도 2는 종래의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 단일의 레이저빔(L)을 출력하는 레이저부(30)와, 레이저부(30)로부터 출력된 단일의 레이저빔(L)을 입력받아 다수의 레이저빔(L)으로 분할하여 출력하는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)(40)로 구성된다.
이러한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치로부터 레이저빔이 조사되는 제조공정상의 태양전지(20)는, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판(21)과, 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물로 형성된 에미터층(22)과, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판(21)상에 형성되며 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막(27)과, 레이저빔(L)이 조사되어 불순물 농도가 에미터층(22)의 다른 부분보다 높은 선택적 에미터(28)로 구성된다.
종래의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 회절광학소자가 선택되면 분할되는 레이저빔의 수량 및 레이저빔 사이의 간격이 결정되기 때문에, 태양전지의 전면 전극의 수량이나 간격이 변경되면 그에 대한 대응이 불가능하여 호환성에 문제가 있다. 또한, 장치의 설치 이후 위와 같이 태양전지의 사양이 변경되면 레이저빔을 전송하는 부분의 구성을 전체적으로 수정해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 전면 전극의 폭이 변경되면 가공시간을 최소화하기 위하여 선택적 에미터를 형성하는 레이저빔의 스팟 크기 또한 변경되어야 하는데, 종래의 장치는 회절광학소자에 의해 스팟 크기가 결정되어 레이저빔의 스팟 크기를 변경할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저빔을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈를 원하는 레이저빔의 스팟 크기에 맞춰 선택하여 배치하고, 갈바노미터 스캐너를 이용하여 레이저빔을 태양전지 상의 원하는 위치로 조사하여 선택적 에미터를 형성함으로써, 태양전지의 전면 전극의 수량, 간격 또는 폭이 변경되어도 호환성 있게 대응하여 다양한 형태의 선택적 에미터를 형성할 수 있는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 태양전지의 에미터층에 레이저빔을 조사하여 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 레이저빔을 출력하는 레이저부; 상기 레이저부로부터 출력된 레이저빔을 전송하는 레이저빔 전송부; 상기 레이저빔 전송부를 통해 전송된 레이저빔을 콜리메이팅하며, 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈; 콜리메이팅되어 입사되는 레이저빔을, 태양전지 상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 갈바노미터 스캐너; 상기 갈바노미터 스캐너를 경유한 레이저빔이 입사되며, 입사된 레이저빔을 태양전지 상에 집속시켜 조사하기 위한 집광 렌즈; 및 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로 상에 위치하는 제1위치와 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제2위치 사이에서 상기 콜리메이팅 렌즈를 왕복이송시키는 콜리메이팅 렌즈 이송부;를 포함하며, 상기 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 선택적 에미터를 가공하기 위한 초점거리를 가지는 콜리메이팅 렌즈가 선택되어 상기 제1위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1위치와 상기 제2위치 사이에서 상기 콜리메이팅 렌즈가 배치되는 위치를 측정하는 제1센서; 및 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로의 광축과 상기 콜리메이팅 렌즈의 중심부가 일치되도록 상기 콜리메이팅 렌즈 이송부를 제어하는 제어부;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 콜리메이팅 렌즈의 측부에 결합되며, 일면이 상기 제1센서와 마주보도록 배치되는 제1플레이트;를 더 포함하고, 상기 제1센서는 상기 제1센서의 단부와 상기 제1플레이트 사이의 거리를 측정한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 상대적으로 초점거리가 긴 콜리메이팅 렌즈가 상대적으로 초점거리가 짧은 콜리메이팅 렌즈보다 상기 레이저빔 전송부로부터 더 멀리 배치된다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 레이저빔 전송부는 사각형 코어 타입의 광파이버를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 광파이버를 경유한 레이저빔의 프로파일을 측정하기 위한 빔 프로파일러를 더 포함한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 레이저빔의 파워를 측정하는 파워 디텍터를 더 포함한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 집광 렌즈가 마련되며, 상기 갈바노미터 스캐너와 태양전지 사이의 광경로 상에 위치하는 제3위치와 상기 갈바노미터 스캐너와 태양전지 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제4위치 사이에서 상기 집광 렌즈를 왕복이송시키는 집광 렌즈 이송부;를 더 포함하며, 상기 다수의 집광 렌즈 중 선택적 에미터를 가공하기 위한 초점거리를 가지는 집광 렌즈가 선택되어 상기 제3위치에 배치된다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제3위치와 상기 제4위치 사이에서 상기 집광 렌즈가 배치되는 위치를 측정하는 제2센서; 및 상기 집광 렌즈의 중심부와 상기 태양전지 조사영역의 중심부가 일치되도록 상기 집광 렌즈 이송부를 제어하는 제어부;를 더 포함한다.
본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 태양전지 전면 전극의 수량, 간격 또는 폭이 변경되어도 호환성 있게 대응하여 다양한 형태의 선택적 에미터를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 직사각형 단면 형상이고 단면의 에너지 분포가 균질한 레이저빔을 선택적 에너지 가공에 이용함으로써, 레이저빔 스팟의 중첩을 최소화하고 전체적인 가공 시간 또한 단축할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 선택적 에미터 가공에 이용되는 레이저빔의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 가공 중 레이저빔 프로파일의 이상 여부를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 가공 중 레이저빔 파워의 이상 여부를 확인할 수 있다.
도 1은 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 종래의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3의 제조장치에 있어서 초점거리가 다른 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 하나가 배치되어 작동하는 상태를 설명하는 도면,
도 5는 도 3의 제조장치에 있어서 초점거리가 다른 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 다른 하나가 배치되어 작동하는 상태를 설명하는 도면,
도 6은 도 3의 제조장치에 있어서 사각형 코어 타입의 광파이버를 통해 전송된 레이저빔을 이용하여 선택적 에미터를 가공하는 것을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면.
이하, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 제조장치에 있어서 초점거리가 다른 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 하나가 배치되어 작동하는 상태를 설명하는 도면이고, 도 5는 도 3의 제조장치에 있어서 초점거리가 다른 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 다른 하나가 배치되어 작동하는 상태를 설명하는 도면이고, 도 6은 도 3의 제조장치에 있어서 사각형 코어 타입의 광파이버를 통해 전송된 레이저빔을 이용하여 선택적 에미터를 가공하는 것을 설명하는 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치(100)는, 태양전지의 에미터층에 레이저빔을 조사하여 선택적 에미터를 형성하는 것으로서, 레이저부(110)와, 레이저빔 전송부(120)와, 콜리메이팅 렌즈(130)와, 갈바노미터 스캐너(140)와, 집광 렌즈(150)와, 콜리메이팅 렌즈 이송부와, 제1센서(160)와, 제1플레이트(136)와, 제어부(170)와, 빔 프로파일러(180)와, 파워 디텍터(190)를 포함한다.
상기 레이저부(110)는, 태양전지(20)에 선택적 에미터(28)를 형성하는 에너지원인 레이저빔(L)을 출력한다. 에미터층(22)에 조사되는 레이저빔(L)은 출력파워가 큰 펄스 발진된 레이저빔(L)이 바람직하다. 레이저빔(L)은 절연막(27) 또는 에미터층(22)에서 흡수가 용이하도록 적외선 또는 근적외선 영역의 파장을 가지는 것이 바람직하다.
상기 레이저빔 전송부(120)는, 레이저부(110)로부터 출력된 레이저빔(L)을 후술할 콜리메이팅 렌즈(130) 측으로 전송하는 것으로서, 본 실시예에서는 레이저빔 전송부(120)로 사각형 코어 타입의 광파이버를 이용한다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반적인 레이저빔 스팟(LS1)의 단면 형상은 원형이고, 단면의 에너지 분포(E1)는 중심부의 에너지 세기가 가장 높고 가장자리부로 갈수록 에너지 세기가 감소하는 가우시안(Gaussian) 분포를 보이게 된다.
원형 단면 형상과 가우시안 에너지 분포를 가지는 레이저빔 스팟(LS1)을 이용하여 직사각형 골짜기 형상을 가지는 선택적 에미터(28)를 가공하려면, 가공의 품질을 높이기 위하여 레이저빔 스팟(LS1)을 상당 부분 중첩되게 가공할 수밖에 없다. 자칫 중첩되는 영역을 너무 적게 가져가면 레이저빔 스팟(LS1) 가장자리부의 낮은 에너지 세기로 인해 중첩되는 영역의 가공 품질이 현저히 떨어지게 되는 문제가 발생한다. 이와 같이 원형이면서 가우시안 에너지 분포를 가지는 레이저빔 스팟(LS1)을 이용하면 이웃하는 레이저빔 스팟(LS1)을 중첩하여 가공할 수밖에 없게 되므로, 전체적으로 가공 시간이 증가하고 장치의 생산성 또한 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 코어의 단면 형상이 직사각형(rectangular) 또는 정사각형(square)인 광파이버를 이용하여 레이저빔(L)을 전송함으로써, 레이저빔 스팟(LS2)의 단면 형상을 직사각형 또는 정사각형으로 형성하고, 단면의 에너지 분포(E2) 또한 균질하게(플랫탑(flattop) 분포를 가지는 에너지) 유지한다. 직사각형 또는 정사각형 코어 타입의 광파이버를 경유한 레이저빔(L)을 이용하여 선택적 에미터(28)를 가공함으로써, 레이저빔(L)이 거의 중첩되지 않게 하거나 중첩을 최소화시킬 수 있으며, 전체적인 가공 시간 또한 단축시킬 수 있다.
레이저부(110)로부터 출력된 레이저빔(L)은 집광 렌즈(111)를 통해 광파이버로 입력된다.
상기 콜리메이팅 렌즈(130)는, 레이저빔 전송부(120)를 통해 전송된 레이저빔(L)을 콜리메이팅하여 후술할 갈바노미터 스캐너(140) 측으로 전송한다.
본 실시예에서는 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈(130)가 마련되며, 다수의 콜리메이팅 렌즈(130) 중 어느 하나의 콜리메이팅 렌즈(130)가 선택되어 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로 상에 배치된다.
일반적으로 선택적 에미터(28)의 폭은 조사되는 레이저빔의 스팟 크기보다 넓기 때문에 선택적 에미터(28) 하나의 라인을 가공하기 위해서는 레이저빔 스팟을 다수 회 반복하여 라인 가공을 수행해야 한다. 이때, 선택적 에미터(28)의 폭이 커지면 라인 가공하는 횟수를 늘려야 하는데, 레이저빔의 스팟 크기를 크게 하면 라인 가공하는 횟수를 오히려 줄일 수 있다.
따라서, 선택적 에미터(28)의 폭이 변경되면 라인 가공에 필요한 레이저빔의 스팟 크기를 선택하고, 원하는 스팟 크기를 구현할 수 있는 콜리메이팅 렌즈(130)를 선택하여 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로 상에 배치한다.
이때, 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈(130)는 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로와 평행하게 배치되는데, 다수의 콜리메이팅 렌즈(130) 중 상대적으로 초점거리가 긴 콜리메이팅 렌즈(133)가 상대적으로 초점거리가 짧은 콜리메이팅 렌즈(131)보다 레이저빔 전송부(120)로부터 더 멀리 배치된다.
상기 콜리메이팅 렌즈 이송부(미도시)는, 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로 상에 위치하는 제1위치(P1)와, 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제2위치(P2) 사이에서 콜리메이팅 렌즈(130)를 왕복이송시킨다.
다수의 콜리메이팅 렌즈(130) 중 가공에 적합한 초점거리를 가지는 콜리메이팅 렌즈(130)는 콜리메이팅 렌즈 이송부에 의해 제1위치(P1)로 이송되고, 나머지 콜리메이팅 렌즈(130)는 콜리메이팅 렌즈 이송부에 의해 제2위치(P2)로 이송된다. 이때, 각각의 콜리메이팅 렌즈(130)를 개별적으로 제어하기 위해서는 각각의 콜리메이팅 렌즈(130)에 콜리메이팅 렌즈 이송부가 개별적으로 결합되는 것이 바람직하다.
콜리메이팅 렌즈 이송부는 콜리메이팅 렌즈(130)를 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로와 교차하는 방향으로 직선 왕복이송시키는 직선이송유닛에 의해 구현될 수 있으며, 이러한 직선이송유닛은 리니어 모터, 회전모터와 볼 스크류를 조합한 구성 등 통상의 기술자에게 잘 알려진 구성을 채용할 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
또한, 광파이버의 코어 크기를 변경하여 레이저빔의 스팟 크기를 변경할 수도 있다. 다양한 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈(130)와의 조합을 통해 선택적 에미터(28)의 가공에 가장 적합한 레이저빔의 스팟 크기를 구현할 수 있는 코어 크기를 가지는 광파이버를 선택할 수 있다.
상기 갈바노미터 스캐너(140)는, 콜리메이팅되어 입사되는 레이저빔(L)을, 태양전지(20) 상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 것으로서, 레이저빔(L)을 반사시키는 미러부와, 미러부를 회전시키는 구동모터로 이루어지는 것이 일반적이다.
갈바노미터 스캐너(140)를 이용하여 평면 상 임의의 위치로 레이저빔(L)을 위치시킬 수 있도록, 갈바노미터 스캐너(140)는 각각 X축 갈바노미터 스캐너와 Y축 갈바노미터 스캐너를 구비하는데, 본 명세서에서는 X축 갈바노미터 스캐너 및 Y축 갈바노미터 스캐너 한 쌍을 갈바노미터 스캐너(140)라고 칭하기로 한다.
갈바노미터 스캐너(140)는 질량이 작은 미러부를 정역방향으로 회전시키므로, 기계적인 관성이 적어 특히 직선 형태의 가공 라인의 양단부에서 가감속이 거의 없는 방향전환을 하는데 우수한 특성이 있다.
상기 집광 렌즈(150)는, 갈바노미터 스캐너(140)를 경유한 레이저빔(L)이 입사되며, 입사된 레이저빔(L)의 수차를 보정하면서 태양전지(20) 상에 집속시켜 조사한다.
본 실시예에서는, 집광 렌즈(150)로서 에프-세타 렌즈가 사용된다. 에프-세타 렌즈는 통과하는 레이저빔(L)을 집속할 뿐만 아니라, 작업영역의 가장자리측의 수차를 보정할 수도 있다.
상기 제1센서(160)는, 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 콜리메이팅 렌즈(130)가 배치되는 위치를 측정한다. 제1센서(160)는 다수의 콜리메이팅 렌즈(130)의 수량과 동일한 수량이 마련되며, 각각의 콜리메이팅 렌즈(130)에 일대일 대응되도록 배치된다.
제1센서(160)는 콜리메이팅 렌즈(130)의 위치를 측정하여 콜리메이팅 렌즈(130)가 제1위치(P1)에 배치되었는지 또는 제2위치(P2)에 배치되었는지 여부를 확인할 수 있다. 레이저빔(L)이 정상적으로 콜리메이팅되기 위해서는 다수의 콜리메이팅 렌즈(130) 중 어느 하나만이 제1위치(P1)에 배치되고, 나머지는 제2위치(P2)에 배치되어야 하는데, 제1센서(160)는 이를 확인할 수 있다.
상기 제1플레이트(136)는, 콜리메이팅 렌즈(130)의 측부에 결합되며, 일면이 제1센서(160)와 마주보도록 배치된다. 제1센서(160)는 일반적으로 발광부와 수광부로 구성되는데, 발광부로부터 출사된 광은 제1플레이트(136)에 의해 반사되어 다시 수광부로 입사된다. 제1센서(160)는 제1센서(160)의 단부와 제1플레이트(136) 사이의 거리를 측정하여 환산함으로써, 현재 콜리메이팅 렌즈(130)의 위치를 측정할 수 있다.
상기 제어부(170)는, 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로의 광축과 콜리메이팅 렌즈(130)의 중심부가 일치되도록, 콜리메이팅 렌즈 이송부를 제어한다. 레이저빔(L)이 정상적으로 콜리메이팅되기 위해서는 콜리메이팅 렌즈(130)가 제1위치(P1)에 배치되더라도 콜리메이팅 렌즈(130)의 중심부와 레이저빔 전송부(120)와 갈바노미터 스캐너(140) 사이의 광경로의 광축이 일치되어야 한다. 제1센서(160)는 콜리메이팅 렌즈(130)가 제1위치(P1)와 제2위치(P2) 사이에서 어느 위치에 있는지 측정하여 콜리메이팅 렌즈(130)의 중심부와 광축의 일치 여부를 확인할 수 있으며, 제어부(170)는 벗어난 값만큼 콜리메이팅 렌즈 이송부를 이송 명령을 전송하여 콜리메이팅 렌즈(130)의 중심부와 광축을 일치시킨다.
상기 빔 프로파일러(180)는, 광파이버를 경유한 레이저빔(L)의 프로파일을 측정한다. 본 실시예에서는 직사각형 코어 타입의 광파이버를 이용하여 레이저빔(L)을 전송함으로써, 레이저빔 스팟의 단면 형상을 직사각형으로 형성하고, 단면의 에너지 분포를 균질하게(플랫탑(flattop) 분포를 가지는 에너지) 유지한다. 따라서, 빔 프로파일러(180)를 이용하여 선택적 에미터(28) 가공 중 또는 가공 중간에 광파이버를 경유한 레이저빔(L)의 프로파일을 확인할 수 있다.
선택적 에미터(28) 가공 중 또는 가공 중간에 레이저빔(L)의 프로파일을 확인하기 위해서는 광경로 상에 빔 스플리터 또는 반사 미러(181)를 배치하여 빔 스플리터 또는 반사 미러(181)에 의해 반사된 레이저빔(L)을 빔 프로파일러(180)로 전송하여 레이저빔(L)의 프로파일을 확인할 수 있다.
상기 파워 디텍터(190)는, 레이저빔(L)의 파워를 측정한다. 빔 프로파일러(180)와 마찬가지로, 선택적 에미터(28) 가공 중 또는 가공 중간에 광파이버를 경유한 레이저빔(L)의 파워가 선택적 에미터(28)의 가공에 적합하게 설정되었는지 확인할 수 있다. 빔 스플리터 또는 반사 미러(181)를 이용하여, 선택적 에미터(28) 가공 중 또는 가공 중간에 레이저빔(L)의 파워를 측정할 수 있다.
아래의 표 1은 콜리메이팅 렌즈(130)의 초점거리와 광파이버의 코어 크기가 변경될 때, 각각의 경우에 따라 구현할 수 있는 레이저빔의 스팟 크기를 예시한 것이다. 이와 같이, 서로 다른 규격의 콜리메이팅 렌즈(130)와 광파이버를 조합함으로써, 선택적 에미터(28) 가공에 가장 적합한 레이저빔 스팟을 선택할 수 있다.
광파이버
코어 크기(mm)		 콜리메이팅 렌즈
초점거리(mm)		 집광 렌즈
초점거리(mm)		 레이저빔
스팟 크기(mm)
0.1 75 255 0.34
0.1 100 255 0.255
0.1 125 255 0.204
0.075 75 255 0.255
0.075 100 255 0.19125
0.075 125 255 0.153
0.05 75 255 0.17
0.05 100 255 0.1275
0.05 125 255 0.102

여기서, 집광 렌즈(150)의 초점거리는 255mm로 고정되게 예시하였으나, 태양전지(20)상의 조사영역에 따라 다른 초점거리를 가지는 집광 렌즈(150)를 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 선택적 에미터의 가공에 적합한 레이저빔의 스팟 크기에 맞춰 콜리메이팅 렌즈를 선택하고, 갈바노미터 스캐너를 이용하여 레이저빔을 태양전지 상의 원하는 위치로 조사하여 선택적 에미터를 형성함으로써, 태양전지 전면 전극의 수량, 간격 또는 폭이 변경되어도 호환성 있게 대응하여 다양한 형태의 선택적 에미터를 형성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 직사각형 코어 타입의 광파이버를 통해 레이저빔을 전송하여 직사각형 단면 형상이고 단면의 에너지 분포가 균질한 레이저빔을 선택적 에너지 가공에 이용함으로써, 레이저빔 스팟의 중첩을 최소화하고 전체적인 가공 시간 또한 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 레이저빔 전송부와 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로의 광축과 콜리메이팅 렌즈의 중심부가 일치되도록 콜리메이팅 렌즈의 이송을 제어함으로써, 선택적 에미터 가공에 이용되는 레이저빔의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 레이저빔의 프로파일을 측정하기 위한 빔 프로파일러를 포함함으로써, 가공 중 레이저빔 프로파일의 이상 여부를 확인할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 레이저빔 파워를 측정하는 파워 디텍터를 포함함으로써, 가공 중 레이저빔 파워의 이상 여부를 확인할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치(200)는, 선택적 에미터의 가공에 적합한 레이저빔의 스팟 크기에 맞춰 집광 렌즈를 선택하는 것이며, 다수의 집광 렌즈(150)와, 집광 렌즈 이송부와, 제2센서(260)와, 제2플레이트(251)를 포함한다.
도 7에 있어서, 도 3 내지 도 6에 도시된 부재들과 동일한 부재번호에 의해 지칭되는 부재들은 동일한 구성 및 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 집광 렌즈 이송부(미도시)는, 갈바노미터 스캐너(140)와 태양전지(20) 사이의 광경로 상에 위치하는 제3위치(P3)와 갈바노미터 스캐너(140)와 태양전지(20) 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제4위치(P4) 사이에서 집광 렌즈(250)를 왕복이송시킨다.
서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 집광 렌즈(250)가 마련되고, 다수의 집광 렌즈(250) 중 가공에 적합한 초점거리를 가지는 집광 렌즈(250)는 집광 렌즈 이송부에 의해 제3위치(P3)로 이송되고, 나머지 집광 렌즈(250)는 집광 렌즈 이송부에 의해 제4위치(P4)로 이송된다. 이때, 각각의 집광 렌즈(250)를 개별적으로 제어하기 위해서는 각각의 집광 렌즈(250)에 집광 렌즈 이송부가 개별적으로 결합되는 것이 바람직하다.
집광 렌즈 이송부는 집광 렌즈(250)를 갈바노미터 스캐너(140)와 태양전지(20) 사이의 광경로와 교차하는 방향으로 직선 왕복이송시키는 직선이송유닛에 의해 구현될 수 있으며, 이러한 직선이송유닛은 리니어 모터, 회전모터와 볼 스크류를 조합한 구성 등 통상의 기술자에게 잘 알려진 구성을 채용할 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2센서(260)는, 제3위치(P3)와 제4위치(P4) 사이에서 집광 렌즈(250)가 배치되는 위치를 측정한다. 제2센서(260)는 다수의 집광 렌즈(250)의 수량과 동일한 수량이 마련되며, 각각의 집광 렌즈(250)에 일대일 대응되도록 배치된다.
제2센서(160)는 집광 렌즈(250)의 위치를 측정하여 집광 렌즈(250)가 제3위치(P3)에 배치되었는지 또는 제4위치(P4)에 배치되었는지 여부를 확인할 수 있다. 레이저빔(L)이 정상적으로 집광되기 위해서는 다수의 집광 렌즈(250) 중 어느 하나만이 제3위치(P3)에 배치되고, 나머지는 제4위치(P4)에 배치되어야 하는데, 제2센서(260)는 이를 확인할 수 있다.
상기 제2플레이트(136)는, 집광 렌즈(250)의 측부에 결합되며, 일면이 제2센서와 마주보도록 배치된다. 제2센서는 제2센서의 단부와 제2플레이트 사이의 거리를 측정하여 환산함으로써, 현재 집광 렌즈의 위치를 측정할 수 있다.
상기 제어부(170)는, 집광 렌즈(250)의 중심부와 태양전지(20) 조사영역의 중심부가 일치되도록, 집광 렌즈 이송부를 제어한다. 레이저빔(L)이 정상적으로 집광되기 위해서는 집광 렌즈(250)가 제3위치(P3)에 배치되더라도 집광 렌즈(250)의 중심부와 태양전지(20) 조사영역의 중심부가 일치되어야 한다. 제2센서(260)는 집광 렌즈(250)가 제3위치(P3)와 제4위치(P4) 사이에서 어느 위치에 있는지 측정하여 집광 렌즈(250)의 중심부와 태양전지(20) 조사영역의 중심부의 일치 여부를 확인할 수 있으며, 제어부(170)는 벗어난 값만큼 집광 렌즈 이송부를 이송 명령을 전송하여 집광 렌즈(250)의 중심부와 태양전지(20) 조사영역의 중심부를 일치시킨다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 선택적 에미터의 가공에 적합한 레이저빔의 스팟 크기에 맞춰 집광 렌즈를 선택함으로써, 태양전지 전면 전극의 폭 등이 변경되어도 호환성 있게 대응하여 다양한 형태의 선택적 에미터를 형성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 실시예들에 있어서, 레이저빔은 펄스 발진되며 적외선 또는 근적외선 영역의 파장을 가지는 것으로 설명하였으나, 연속 발진된 레이저빔을 이용하여 선택적 에미터를 가공할 수도 있고, 적외선 이외의 파장대를 가지는 레이저빔을 이용하여 선택적 에미터를 가공할 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치
110 : 레이저부
120 : 레이저빔 전송부
130 : 콜리메이팅 렌즈
140 : 갈바노미터 스캐너
150 : 집광 렌즈
160 : 제1센서
170 : 제어부

Claims (9)

  1. 태양전지의 에미터층에 레이저빔을 조사하여 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서,
    레이저빔을 출력하는 레이저부;
    상기 레이저부로부터 출력된 레이저빔을 전송하는 레이저빔 전송부;
    상기 레이저빔 전송부를 통해 전송된 레이저빔을 콜리메이팅하며, 서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 콜리메이팅 렌즈;
    콜리메이팅되어 입사되는 레이저빔을, 태양전지 상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 갈바노미터 스캐너;
    상기 갈바노미터 스캐너를 경유한 레이저빔이 입사되며, 입사된 레이저빔을 태양전지 상에 집속시켜 조사하기 위한 집광 렌즈; 및
    상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로 상에 위치하는 제1위치와 상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제2위치 사이에서 상기 콜리메이팅 렌즈를 왕복이송시키는 콜리메이팅 렌즈 이송부;를 포함하며,
    상기 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 선택적 에미터를 가공하기 위한 초점거리를 가지는 콜리메이팅 렌즈가 선택되어 상기 제1위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1위치와 상기 제2위치 사이에서 상기 콜리메이팅 렌즈가 배치되는 위치를 측정하는 제1센서; 및
    상기 레이저빔 전송부와 상기 갈바노미터 스캐너 사이의 광경로의 광축과 상기 콜리메이팅 렌즈의 중심부가 일치되도록 상기 콜리메이팅 렌즈 이송부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 렌즈의 측부에 결합되며, 일면이 상기 제1센서와 마주보도록 배치되는 제1플레이트;를 더 포함하고,
    상기 제1센서는 상기 제1센서의 단부와 상기 제1플레이트 사이의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 콜리메이팅 렌즈 중 상대적으로 초점거리가 긴 콜리메이팅 렌즈가 상대적으로 초점거리가 짧은 콜리메이팅 렌즈보다 상기 레이저빔 전송부로부터 더 멀리 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔 전송부는 사각형 코어 타입의 광파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광파이버를 경유한 레이저빔의 프로파일을 측정하기 위한 빔 프로파일러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  7. 제5항에 있어서,
    레이저빔의 파워를 측정하는 파워 디텍터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    서로 다른 초점거리를 가지는 다수의 집광 렌즈가 마련되며,
    상기 갈바노미터 스캐너와 태양전지 사이의 광경로 상에 위치하는 제3위치와 상기 갈바노미터 스캐너와 태양전지 사이의 광경로로부터 벗어나게 위치하는 제4위치 사이에서 상기 집광 렌즈를 왕복이송시키는 집광 렌즈 이송부;를 더 포함하며,
    상기 다수의 집광 렌즈 중 선택적 에미터를 가공하기 위한 초점거리를 가지는 집광 렌즈가 선택되어 상기 제3위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3위치와 상기 제4위치 사이에서 상기 집광 렌즈가 배치되는 위치를 측정하는 제2센서; 및
    상기 집광 렌즈의 중심부와 상기 태양전지 조사영역의 중심부가 일치되도록 상기 집광 렌즈 이송부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
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