KR101073992B1 - 태양전지 제조장치 - Google Patents

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주식회사 엘티에스
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Abstract

본 발명은 태양전지 제조장치에 관한 것으로서, 기판에 제1레이저빔을 조사하여 홈을 형성하는 제1레이저부; 상기 제1레이저부에 이격되게 배치되어 상기 제1레이저부와 함께 이동하며, 상기 기판에 도펀트를 함유한 용액을 분사하는 도펀트분사부; 및 상기 제1레이저부의 후방에 배치되어 상기 제1레이저부 및 상기 도펀트분사부와 함께 이동하며, 상기 홈 내부로 제2레이저빔을 조사하여 상기 홈 내부에 상기 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급하는 제2레이저부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 함몰 접촉형 태양전지에서 레이저를 이용하여 그루빙(grooving) 및 도펀트(dopant) 도핑(doping)을 동시에 수행하는 태양전지 제조장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 긴 장점이 있다. 태양전지로는 실리콘 태양전지, 염료감응 태양전지 등이 있다.
도 1을 참조하면, 이 중 실리콘 태양전지(10)는 p-n 접합면을 구성하는 서로 다른 전도형(conductvie type)의 반도체 기판(11)과, 에미터층(12), 에미터층(12)에 전기적으로 연결되는 전면 전극(21), 그리고 반도체 기판(11)에 전기적으로 연결되는 후면 전극(31)을 포함한다.
전면 전극(21)은 태양광을 가리게 되므로, 이 전면 전극(21)에 의해 태양전지 내부로 입사되는 태양광이 줄어들게 된다. 이와 같이 전면 전극(21)의 차폐에 의한 태양광의 손실을 쉐이딩 손실(shading loss)이라 하는데, 이러한 쉐이딩 손실을 줄이기 위해서는 전면 전극(21)의 선폭을 줄이는 것이 바람직하다. 이를 위해, 반도체 기판(11)에 소정 선폭의 홈(14)을 형성하고, 이 홈(14) 내부에 전면 전극(21)을 형성하여 전면 전극(21)의 선폭을 줄인 함몰 접촉형 태양전지가 고안되었다. 도 1에는 이러한 함몰 접촉형 태양전지의 단면도가 도시되어 있다.
태양전지의 제조공정에 있어서, 종래에는 기판에 홈을 형성하는 공정, 기판에 도펀트를 함유한 용액을 분사하고 도펀트를 도핑하는 공정이 순차적으로 진행되었다. 따라서 공정 수가 그만큼 증가하여 제조 시간이 늘어남에 따라 생산성이 낮아지는 문제가 있다.
또한 종래에는 기판에 도펀트를 함유한 용액을 분사하고 도펀트를 도핑하는 공정에서 고온 확산법, 스프레이법, 스크린 인쇄법, 이온 샤워법 등의 방법이 적용되었다. 이러한 일반적인 방법에서는 기판 전면에 걸쳐 도펀트를 함유한 용액을 분사하고 또한 분사 이후에도 기판 전면에 걸쳐 열처리하는 과정을 수행하였다. 따라서 홈 부위에 집중되지 않고 기판 전면에 걸쳐 도핑 공정을 수행함으로써, 도펀트를 함유한 용액과 같은 재료의 낭비뿐만 아니라 열효율 측면에서도 손실되는 부분이 상당한 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발진 파형이 서로 다른 레이저빔을 순차적으로 태양전지의 기판에 조사함으로써, 기판에 홈을 형성하는 공정과 기판에 도펀트를 도핑하는 공정을 동시에 수행할 수 있고, 도핑 공정에서는 이미 형성된 홈 부위에만 도펀트와 열을 집중시킴으로써 재료 및 열의 손실을 방지할 수 있는 수 태양전지 제조장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양전지 제조장치는, 기판에 제1레이저빔을 조사하여 홈을 형성하는 제1레이저부; 상기 제1레이저부에 이격되게 배치되어 상기 제1레이저부와 함께 이동하며, 상기 기판에 도펀트를 함유한 용액을 분사하는 도펀트분사부; 및 상기 제1레이저부의 후방에 배치되어 상기 제1레이저부 및 상기 도펀트분사부와 함께 이동하며, 상기 홈 내부로 제2레이저빔을 조사하여 상기 홈 내부에 상기 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급하는 제2레이저부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양전지 제조장치는, 수평면에 대하여 기판을 경사지게 지지하는 기판지지부; 상기 기판지지부에 안착된 기판의 상면에 도펀트를 함유한 용액을 공급하는 도펀트공급부; 상기 기판에 제1레이저빔을 조사하여 홈을 형성하는 제1레이저부; 및 상기 제1레이저부의 후방에 배치되어 상기 제1레이저부와 함께 이동하며, 상기 홈 내부로 제2레이저빔을 조사하여 상기 홈 내부에 상기 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급하는 제2레이저부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 태양전지 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1레이저빔은 펄스(pulse) 레이저빔이고, 상기 제2레이저빔은 연속파(continuous wave) 레이저빔이다.
본 발명의 태양전지 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제2레이저부는 다이오드 레이저이다.
본 발명의 태양전지 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 도펀트분사부는 상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부의 사이에 배치되어 상기 제1레이저부에 의해 상기 기판에 형성된 홈에 도펀트를 함유한 용액을 분사한다.
본 발명의 태양전지 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1레이저부, 상기 도펀트분사부 및 상기 제2레이저부는 이격되게 직선상에 배치되고, 상기 직선은 상기 제1레이저부, 상기 도펀트분사부 및 상기 제2레이저부가 함께 이동하는 방향에 평행이다.
본 발명의 태양전지 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부가 배치되는 방향은, 상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부가 함께 이동하는 방향에 평행이다.
본 발명의 태양전지 제조장치에 따르면, 발진 파형이 서로 다른 레이저빔을 순차적으로 태양전지의 기판에 조사하여 기판에 홈을 형성하는 공정과 기판에 도펀트를 도핑하는 공정을 동시에 수행함으로써, 태양전지의 제조공정 수를 감소시켜 전체적으로 태양전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 제조장치에 따르면, 기판에 홈을 형성하는 단계에서는 펄스 레이저빔을, 도펀트를 도핑하는 단계에서는 연속파 레이저빔을 이용함으로써, 각각의 단계에서 최적의 레이저빔을 사용하여 태양전지를 제조함으로써 태양전지의 성능 및 품질을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 제조장치에 따르면, 제1레이저부, 도펀트분사부 및 제2레이저부가 순차적으로 직선상에 배치되어 함께 이동함으로써, 도펀트를 도핑하는 과정에서 이미 형성된 홈 부위에만 도펀트와 열을 집중시켜 도펀트 함유 용액과 같은 재료 및 열의 손실을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지 제조장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조장치를 이용하는 태양전지 제조공정을 도시한 단면도들이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조장치의 사시도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 태양전지 제조장치(100)는, 기판에 홈을 형성하는 그루빙 공정과 홈 내부에 도펀트를 도핑하는 도핑 공정을 동시에 수 행할 수 있는 것으로서, 제1레이저부(110)와, 도펀트분사부(120)와, 제2레이저부(130)를 포함한다.
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘으로 이루어진 p형의 반도체 기판(11)을 마련한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 n형 반도체 기판을 마련할 수 있으며 실리콘 이외의 다양한 반도체 물질로 이루어지는 반도체 기판을 마련할 수 있다.
태양전지의 특성을 향상시키기 위하여, 알칼리 수용액 또는 혼합산 용액을 이용하여 기판(11)을 에칭한 다음 세정 용액을 이용하여 불순물을 제거하는 전처리를 수행할 수 있다. 에칭에 의해 반도체 기판(11)의 손상된 부분이 제거되며 기판(11)의 표면에 미세한 요철이 형성되어 태양광의 손실을 저감시킬 수 있다.
이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(11)의 전면에 도펀트를 도핑하여 n형의 에미터층(12)을 형성한다. 본 실시예에서는 n형의 에미터층(12)을 형성하기 위하여 일례로 인(P)을 도펀트로 사용하였으나, 도펀트로 인 이외의 다양한 물질을 사용할 수 있음은 물론이다. 그리고, 에미터층(12)의 전도형(conductive type)이 기판(11)의 전도형과 반대가 되면 충분하므로, n형 반도체 기판이 사용되는 경우에는 p형의 에미터층을 형성할 수 있다.
도핑 방법으로 고온 확산법, 스프레이법, 스크린 인쇄법, 이온 샤워법 등의 다양한 방법이 적용될 수 있다. 도핑 이후에는 불필요하게 형성된 피에스지(phosphorus slicate glass, PSG)를 불산 수용액 등으로 제거하는 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
이후, 도 4에 도시된 바와 같이, 에미터층(12) 위에 절연막(13)을 형성한다. 절연막(13)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 티타늄 산화막 등으로 이루어질 수 있으며, 플라즈마 화학 기상 증착법, 전자빔 증착법, 스크린 인쇄법, 스프레이 법 등의 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
절연막(13)은 내부로 입사되는 태양광이 반사되는 것을 저감시키는 역할과 함께 표면에서 발생할 수 있는 전자의 손실을 방지하는 역할을 한다. 즉, 표면에서는 댕글링 본드(dangling bond)에 의해 전자의 손실이 발생할 수 있는데, 절연막(13)을 형성함으로써 댕글링 본드로 인한 손실을 방지할 수 있다.
이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 태양전지 제조장치(100)를 이용하여 기판(11)에 홈(14)을 형성하는 그루빙 공정과 홈(14) 내부에 도펀트를 도핑하는 도핑 공정을 동시에 수행한다.
상기 제1레이저부(110)는 기판(11)에 제1레이저빔(L1)을 조사하여 홈(groove)(14)을 형성한다. 기판(11)에 형성된 홈(14)은 이후 공정에서 전면 전극(21)이 형성될 공간으로, 홈(14)의 선폭 및 깊이는 전면 전극(21)의 선폭 및 깊이와 각각 직접적으로 관련되므로 이를 고려하여 형성하여야 한다. 전면 전극(21)에 의한 쉐이딩 손실을 고려하면 홈(14)의 선폭이 얇은 것이 유리하다.
기판(11)에 홈을 형성하기 위해서는 절연막(13), 에미터층(12) 및 기판(11)을 제거할 수 있을 정도의 피크 파워가 높은 레이저빔이 유리하므로, 본 실시예의 제1레이저빔(L1)은 펄스(pulse) 레이저빔인 것이 바람직하다.
상기 도펀트분사부(120)는 제1레이저부(110)의 후방에 배치되어 제1레이저부(110)와 함께 이동하며, 기판(11)에 형성된 홈(14)에 도펀트를 함유한 용액(S)을 분사한다. 도펀트분사부(120)는 기판(11)에 형성된 홈(14)을 따라 이동하면서 홈(14) 내부에 도펀트를 함유한 용액(S)을 분사하므로, 종래에 기판 전면에 도펀트를 함유한 용액을 분사하는 방식과 비교하여 도펀트를 함유한 용액의 사용량을 줄일 수 있다.
상기 제2레이저부(130)는 도펀트분사부(120)의 후방에 배치되어 제1레이저부(110) 및 도펀트분사부(120)와 함께 이동하며, 홈(14) 내부로 제2레이저빔(L2)을 조사하여 홈(14) 내부에 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급한다. 홈(14)의 내측 벽면에 도펀트를 도핑함으로써 고농도 에미터부(15)를 형성한다. 고농도 에미터부(15)는 전면 전극(21)과의 접촉 저항을 저감시키는 역할을 한다.
제2레이저빔(L2)은 홈(14) 내부에 도펀트가 도핑되는 과정에서 도펀트가 에미터층(12) 또는 기판(11)의 내부로 원활하게 그리고 균일하게 침투하도록 열을 공급하는 역할을 한다. 따라서 제2레이저빔(L2)은 제거 공정에서 필요한 것과 같은 높은 피크 파워가 필요하지 않으며 오히려 일정한 파워가 균일하게 유지되는 것이 유리하므로, 제2레이저빔(L2)은 연속파(continuous wave) 레이저빔인 것이 바람직하다. 이와 같이 제1레이저빔(L1)과 제2레이저빔(L2)은 발진 파형이 서로 다르게 구성된다.
본 실시예에서는 제2레이저부(130)로서 약 800nm 정도의 파장을 가지는 다이오드 레이저를 이용하였으나, 연속파(continuous wave) 레이저빔을 출사할 수 있는 다양한 레이저의 이용도 가능하다.
본 실시예의 태양전지 제조장치(100)를 이용하여 그루빙 공정과 도핑 공정을 동시에 수행하기 위해서는, 제1레이저부(110), 도펀트분사부(120) 및 제2레이저부(130)가 순차적으로 그리고 이격되게 직선상에 배치되고, 직선은 제1레이저부(110), 도펀트분사부(120) 및 제2레이저부(130)가 함께 이동하는 방향에 평행인 것이 바람직하다. 제1레이저부(110)로부터 조사된 제1레이저빔(L1)에 의해 기판에 일직선 형상의 홈이 형성되고, 제1레이저부(110)의 직선 후방에 배치된 도펀트분사부(120)에서 분사되는 용액(S)이 홈(14)을 따라 분사되며, 도펀트분사부(120)의 직선 후방에 배치된 제2레이저부(130)로부터 조사된 제2레이저빔(L2)에 의해 홈(14) 내부가 열처리되면서 도핑 과정이 완성된다.
태양전지 제조장치(100)를 이용하여 그루빙 공정과 도핑 공정을 수행하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(11)에는 홈(14)이 형성되고, 홈(14)의 내측 벽면에는 고농도 에미터부(15)가 형성된다.
이후, 홈(14) 내부에 전면 전극(21)을 형성한다. 여기서, 전면 전극(21)은 구리, 알루미늄 및 은 등으로 이루어질 수 있다.
이후, 기판(11)의 후면에 알루미늄 페이스트를 스크린 프린팅한 다음 열처리하여 기판(11)에 전기적으로 연결되는 후면 전극(31)을 형성한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 후면 전극(31)이 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 열처리에 의해 알루미늄이 기판(11)의 후면에 소정의 두께만큼 확산되어 p+형의 후면 전계층(32)을 형성한다. 이 후면 전계층(32)은 전계를 형성하여 광여기된 전자가 기판(11)의 후면으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 태양전지 제조장치는, 발진 파형이 서로 다른 레이저빔을 순차적으로 태양전지의 기판에 조사하여 기판에 홈을 형성하는 공정과 기판에 도펀트를 도핑하는 공정을 동시에 수행함으로써, 태양전지의 제조공정 수를 감소시켜 전체적으로 태양전지의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 태양전지 제조장치는, 기판에 홈을 형성하는 단계에서는 펄스 레이저빔을, 도펀트를 도핑하는 단계에서는 연속파 레이저빔을 이용함으로써, 각각의 단계에서 최적의 레이저빔을 사용하여 태양전지를 제조함으로써 태양전지의 성능 및 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 태양전지 제조장치는, 제1레이저부, 도펀트분사부 및 제2레이저부가 순차적으로 직선상에 배치되어 함께 이동함으로써, 도펀트를 도핑하는 과정에서 이미 형성된 홈 부위에만 도펀트와 열을 집중시켜 도펀트 함유 용액과 같은 재료 및 열의 손실을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서 있어서, 도펀트분사부는 제1레이저부의 후방에 배치되었으나, 도펀트분사부, 제1레이저부 및 제2레이저부가 순차적으로 일직선상에 배치되어 함께 이동할 수도 있다.
한편, 도 5에 도시된 실시예에서는 제1레이저부, 도펀트분사부 및 제2레이저부와 일직선상에 배치되어 함께 이동하였으나, 제1레이저부와 제2레이저부와 일직 선상에 배치되어 함께 이동하고, 도펀트 공급부는 별도로 마련될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조장치를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 태양전지 제조장치(200)는, 기판지지부(210)와, 도펀트공급부(220)와, 제1레이저부(110)와, 제2레이저부(130)를 포함한다. 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 6에 도시된 부재들과 동일한 부재번호에 의해 지칭되는 부재들은 동일한 구성 및 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 기판지지부(210)는, 수평면(H)에 대하여 기판(11)을 경사지게 지지한다. 수평면(H)과 기판지지부(210)가 이루는 경사각(θ)은 도펀트를 함유하는 용액(S)이 기판(11)의 상면에서 흐르는 속도, 고농도 에미터부(15)에 도핑되어야 할 도펀트의 농도 등을 고려하여 적절하게 조정 가능하다.
상기 도펀트공급부(220)는 기판지지부(210)에 안착된 기판(11)의 상면에 도펀트를 함유한 용액(S)을 공급한다. 일정 깊이의 용액(S)이 항상 기판(11)의 상면을 덮을 수 있을 정도의 양을 공급하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 제1레이저부(110)와 제2레이저부(130)가 배치되는 방향은 제1레이저부(110)와 제2레이저부(130)가 함께 이동하는 방향에 평행인 것이 바람직하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위 에서 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.
도 1은 일반적인 함몰 접촉형 태양전지의 단면도이고,
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조장치를 이용하는 태양전지 제조공정을 도시한 단면도들이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조장치의 사시도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조장치를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 태양전지 11: 기판
12: 에미터층 13: 절연막
14: 홈 15: 고농도 에미터부
21: 전면 전극 31: 후면 전극
100: 태양전지 제조장치 110: 제1레이저부
120: 도펀트분사부 130: 제2레이저부

Claims (8)

  1. 기판에 제1레이저빔을 조사하여 홈을 형성하는 제1레이저부;
    상기 제1레이저부에 이격되게 배치되어 상기 제1레이저부와 함께 이동하며, 상기 기판에 도펀트를 함유한 용액을 분사하는 도펀트분사부; 및
    상기 제1레이저부의 후방에 배치되어 상기 제1레이저부 및 상기 도펀트분사부와 함께 이동하며, 상기 홈 내부로 제2레이저빔을 조사하여 상기 홈 내부에 상기 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급하는 제2레이저부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  2. 수평면에 대하여 기판을 경사지게 지지하는 기판지지부;
    상기 기판지지부에 안착된 기판의 상면에 도펀트를 함유한 용액을 공급하는 도펀트공급부;
    상기 기판에 제1레이저빔을 조사하여 홈을 형성하는 제1레이저부; 및
    상기 제1레이저부의 후방에 배치되어 상기 제1레이저부와 함께 이동하며, 상기 홈 내부로 제2레이저빔을 조사하여 상기 홈 내부에 상기 도펀트의 도핑을 위한 열을 공급하는 제2레이저부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1레이저빔은 펄스(pulse) 레이저빔이고, 상기 제2레이저빔은 연속파(continuous wave) 레이저빔인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2레이저부는 다이오드 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트분사부는 상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부의 사이에 배치되어 상기 제1레이저부에 의해 상기 기판에 형성된 홈에 도펀트를 함유한 용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1레이저부, 상기 도펀트분사부 및 상기 제2레이저부는 이격되게 직선상에 배치되고, 상기 직선은 상기 제1레이저부, 상기 도펀트분사부 및 상기 제2레이저부가 함께 이동하는 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부가 배치되는 방향은, 상기 제1레이저부와 상기 제2레이저부가 함께 이동하는 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조장치.
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