KR101100909B1 - 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치 - Google Patents

레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치 Download PDF

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서종현
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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 관한 것으로서, 제1도전형의 불순물이 도핑된 기판과 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물로 형성되며 상기 기판에 도포된 에미터층을 구비하는 태양전지에 레이저빔을 조사하여 불순물의 농도가 상기 에미터층보다 높은 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 단일의 레이저빔을 출력하는 레이저부; 상기 레이저빔을 입력받아, 다수의 레이저빔으로 분할하여 출력하는 레이저빔 분할부; 및 상기 다수의 레이저빔과 동일한 수량의 다수의 광파이버를 포함하며, 상기 광파이버의 입력단으로 각각의 레이저빔이 입력되고, 상기 레이저빔은 상기 광파이버의 내부를 통해 전송되며, 상기 광파이버의 출력단에서는 상기 레이저빔을 태양전지의 에미터층으로 조사하는 레이저빔 전송부;를 포함하는 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 다수의 레이저빔을 이용하여 태양전지의 선택적 에미터(selective emitter)를 동시에 형성할 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.
태양전지의 기본적인 개념을 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(11)와 n형 반도체(12)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 반도체(11) 및 n형 반도체(12) 중 전자는 n형 반도체(12) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(11) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 p형 반도체(11) 및 n형 반도체(12)와 접합된 전극(13,14)으로 이동하게 되고, 이 전극(13,14)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
도 2는 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 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)'라 한다. 이러한 선택적 에미터는 전면 전극(23)과의 접촉 저항을 감소시켜 태양전지의 효율을 증대시키는데 기여하는 바가 크다.
도 3은 종래의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 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 레이저빔 분할부(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, 레이저빔 분할부가 선택되면 분할되는 레이저빔의 수량 및 레이저빔 사이의 간격이 결정되기 때문에, 태양전지의 전면 전극의 수량이나 간격이 변경되면 개별적인 제어가 거의 불가능한 문제점이 있다. 또한, 장치의 설치 이후 위와 같이 태양전지의 사양이 변경되면 레이저빔을 전송하는 부분의 구성을 전체적으로 수정해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 선택적 에미터의 가공시 이웃하는 레이저빔 사이에서 유출되는 레이저빔이 존재할 가능성이 있어, 제조 공정 중 선택적 에미터가 형성되는 부분 이외의 부분을 손상시키는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저빔 분할부에 의해 분할된 다수의 레이저빔을 각각 광파이버로 전송하여 태양전지의 에미터층에 조사함으로써, 태양전지의 전면 전극의 수량이나 간격이 변경되어도 효과적으로 대처할 수 있고, 이웃하는 레이저빔 사이에서의 레이저빔의 유출을 막아 선택적 에미터 이외의 부분의 손상을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 제1도전형의 불순물이 도핑된 기판과 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물로 형성되며 상기 기판에 도포된 에미터층을 구비하는 태양전지에 레이저빔을 조사하여 불순물의 농도가 상기 에미터층보다 높은 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 단일의 레이저빔을 출력하는 레이저부; 상기 레이저빔을 입력받아, 다수의 레이저빔으로 분할하여 출력하는 레이저빔 분할부; 및 상기 다수의 레이저빔과 동일한 수량의 다수의 광파이버를 포함하며, 상기 광파이버의 입력단으로 각각의 레이저빔이 입력되고, 상기 레이저빔은 상기 광파이버의 내부를 통해 전송되며, 상기 광파이버의 출력단에서는 상기 레이저빔을 태양전지의 에미터층으로 조사하는 레이저빔 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 레이저빔 분할부는, 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)이다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 레이저빔 분할부와 상기 광파이버 사이의 광경로상에 배치되며, 상기 광파이버로 향하는 레이저빔을 입력시키거나 또는 차단시키는 셔터부;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 광파이버에 각각 설치되며, 상기 광파이버를 직선이송시켜 이웃하는 광파이버 간의 간격을 조정하는 간격조정유닛;을 더 포함한다.
본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 레이저빔 분할부에 의해 분할된 다수의 레이저빔을 각각 광파이버로 전송하여 태양전지의 에미터층에 조사함으로써, 태양전지의 전면 전극의 수량이나 간격이 변경되어도 효과적으로 대처할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 따르면, 광파이버를 통해 레이저빔이 전송되고 광파이버의 출력단을 태양전지에 근접시켜 배치함으로써, 다수의 레이저빔으로 선택적 에미터를 형성하는 과정에서 이웃하는 레이저빔 사이에서의 레이저빔의 유출을 막아 선택적 에미터 이외의 부분의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 태양전지의 기본적인 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 종래의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 일례를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 레이저를 이용한 태양전지의 제조방법을 설명하는 도면.
이하, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 레이저를 이용한 태양전지의 제조방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치(100)를 설명하기 이전에, 도 5를 참조하면서 레이저를 이용한 태양전지의 제조방법을 간략하게 설명한다.
우선, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판(21)을 준비한다. 이때, 실리콘 기판(21)은 단결정이나 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘 기판이다.
이후, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 실리콘 기판(21) 상에 주입하여 에미터층(22)을 형성한다. 에미터층(22)이 형성되면, 실리콘 기판(21)에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 실리콘 기판(21)은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있고, n형 에미터층은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 형성된다.
제2도전형의 에미터층(22)을 형성할 때에는, 먼저 실리콘 기판(21)을 확산로(diffusion furnace)에 넣고, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판(21)상에 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막(27)을 먼저 형성한다. 이후, 산소 분위기 하에서 고온으로 열처리하여 절연막(27) 내의 불순물을 실리콘 기판(21) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시킨다. 그러면, 실리콘 기판(21)에는 소정 두께의 에미터층(22)이 형성되고, 기판(21) 표면에 형성되어 있던 절연막(27)은 실리콘 원자의 확산에 의해 PSG(phosphorus silicate glass)막으로 변화하게 된다.
에미터층(22)이 형성되면, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 에미터층(22) 상부에 절연막(27)이 잔류하는 상태에서 전면 전극(23)이 접속될 지점을 따라 레이저빔(L)을 조사하여 레이저빔(L) 조사 지점의 에미터층(22)에 레이저빔(L)을 이용한 선택적 어닐링을 진행한다. 그러면, 레이저빔(L)이 조사된 지점의 절연막(27)은 레이저빔(L)에 의해 고온으로 가열되어 절연막(27)에 포함된 제2도전형의 불순물이 에미터층(22) 표면으로 추가 확산하여 레이저빔(L)이 조사된 지점의 에미터층(22)에는 다른 에미터층(22) 부분보다 불순물의 농도가 높은 선택적 에미터(28)가 형성된다.
선택적 에미터(28)가 형성되면, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(21) 상에 잔류하는 절연막(27)을 제거한다. 이후, 에지 분리(edge isolation) 공정을 수행하여 실리콘 기판(21)의 전면에 형성된 에미터층(22)을 제외한 측면과 후면에 형성된 에미터층(22)을 제거한다. 실리콘 기판(21)의 측면과 후면에 형성된 에미터층(22)은 제거하지 않으면 전면 전극(23)과 후면 전극(24)이 전기적으로 직접 연결되게 되므로 바람직하지 않다.
이후, 도 5의 (e)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(21)의 전면에 형성된 에미터층(22)상에 반사방지막(25)을 형성한다. 반사방지막(25)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 대표적으로 실리콘질화막을 포함하여 이루어질 수 있다. 이후, 스크린 인쇄법을 이용하여 선택적 에미터(28)가 형성된 지점의 반사방지막(25) 상부에는 은과 글라스 프릿을 포함하는 통상의 전면 전극 형성용 페이스트를 인쇄하여 핑거 전면 전극(23)을 형성하고, 실리콘 기판(21)의 후면에는 알루미늄을 포함하는 통상의 후면 전극 형성용 페이스트를 인쇄하여 후면 전극(24)을 형성한다.
이후, 도 5의 (f)에 도시된 바와 같이, 전면 전극(23)과 후면 전극(24)을 콘택하기 위한 열처리 공정을 시행한다. 열처리 공정을 거친 전면 전극(23)은 반사방지막(25)을 관통하여 선택적 에미터(28)와 오믹 콘택된다(punch through). 전면 전극(23)은 은을 포함하고 있어 전기 전도성이 우수하다.
열처리 공정을 거친 후면 전극(24)은 실리콘 기판(21)의 후면에 오믹 콘택된다. 열처리에 의해 실리콘 기판(21)의 후면에는 후면 전극(24)과 접하는 면으로부터 소정 깊이까지 전극 형성 물질인 알루미늄이 도핑되어 BSF(back surface field)(26)가 형성된다. 후면 전극(24)은 알루미늄을 포함하고 있으므로 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합성이 우수하다. 또한, 알루미늄은 3족 원소로서 실리콘 기판(21)과의 접면에서 P+층, 즉 BSF(26)을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 BSF(26) 방향으로 모이도록 하는 작용을 한다. 실리콘 기판(21)에 전면 전극(23)과 후면 전극(24)이 형성되면, 레이저를 이용한 태양전지 제조방법이 완료된다.
본 발명의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치(100)는, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 태양전지의 선택적 에미터(28)를 형성하는 과정에 이용되는 장치이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치(100)는, 광파이버를 이용하여 다수의 레이저빔을 전송하여 태양전지의 에미터층에 조사하는 것으로서, 레이저부(110)와, 레이저빔 분할부(120)와, 레이저빔 전송부와, 셔터부(140)과, 집광렌즈(150)와, 간격조정유닛을 포함한다.
상기 레이저부(110)는, 실리콘 기판(21)에 선택적 에미터(28)를 형성하는 에너지원인 단일의 레이저빔(L)을 출력한다. 실리콘 기판(21)에 선택적 에미터(28)를 형성하기 위해 조사되는 레이저빔(L)은 출력파워가 큰 펄스발진된 레이저빔(L)이 바람직하다.
상기 레이저빔 분할부(120)는, 레이저부(110)로부터 출력된 레이저빔(L)을 입력받아, 다수의 레이저빔(L)으로 분할하여 출력한다. 본 실시예에서 레이저빔 분할부(120)로는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)가 이용된다. 여기서 회절광학소자란, 빛의 회절현상을 이용한 광소자로서, 파장에 따른 회절의 차이를 이용하여 단일의 레이저빔을 다수의 레이저빔으로 분기할 수 있는 광학장치를 말한다.
상기 레이저빔 전송부는, 레이저빔 분할부(120)에 의해 분할된 다수의 레이저빔(L)과 동일한 수량의 다수의 광파이버(130)를 포함한다.
각각의 광파이버(130)의 입력단으로는 레이저빔 분할부(120)에 의해 분할된 각각의 레이저빔(L)이 입력되고, 레이저빔(L)은 광파이버(130)의 내부를 통해 전송되어 광파이버(130)의 출력단을 통해 외부로 출력된다. 광파이버(130)의 출력단을 통해 출력된 레이저빔(L)은 태양전지(20)의 에미터층(22)으로 조사된다.
상기 셔터부(140)는, 레이저빔 분할부(120)와 광파이버(130)의 입력단을 연결하는 광경로를 개폐시킨다. 레이저빔 분할부(120)와 광파이버(130) 사이의 광경로상에 배치되어, 광파이버(130)로 레이저빔(L)을 입력시키거나 또는 광파이버(130)로 레이저빔(L)이 입력되는 것을 차단한다.
본 실시예의 셔터부(140)로는 광경로를 브라켓으로 개폐시키는 기구적인 셔터유닛이 이용될 수도 있고, 음향광학변조기(Acouto Optic Modulator, AOM)가 이용될 수도 있다. 음향광학변조기란, 음향 신호의 인가 여부에 따라 입력되는 광의 경로를 직진시키거나 굴절시켜 광경로를 변경시키는 장치를 말한다.
상기 집광렌즈(150)는, 광파이버(130)의 출력단을 통해 출력된 레이저빔(L)을 집광하여 태양전지(20)로 조사한다. 집광렌즈(150)에 의해 집광된 레이저빔(L)은 선택적 에미터(28)가 형성되어야 할 에미터층(22)의 특정 지점에 조사됨으로써, 에미터층(22)보다 불순물의 농도가 높은 선택적 에미터(28)가 형성된다.
상기 간격조정유닛(미도시)은, 광파이버(130)를 직선이송시켜 이웃하는 광파이버(130) 간의 간격을 조정한다. 간격조정유닛은 광파이버(130)에 각각 설치된다. 한편, 집광렌즈(150)는, 이송된 광파이버(130)의 출력단과 집광렌즈(150)의 동심적으로 배치되기 위하여 광파이버(130)의 이송량과 동일하게 이송된다.
광파이버(130)를 직선이송시키는 간격조정유닛은 리니어 모터 및 직선운동 가이드 레일의 조합에 의해 구현될 수 있으며, 모터, 볼 스크류 및 직선운동 가이드 레일의 조합체 등에 의해 구현될 수도 있다. 이러한 간격조정유닛에 관한 구성은 당업자에게 널리 알려진 직선운동유닛에 관한 것이므로 더이상의 상세한 설명은 생략한다.
광파이버(130)를 도 4에 도시된 A 방향으로 왕복이송시켜 이웃하는 광파이버(130) 간의 간격을 조정함으로써, 태양전지(20) 상에서 이웃하게 형성되는 선택적 에미터(28) 사이의 간격을 조정할 수 있으며, 이로써 다양한 사양 변화에 대응 가능하여 호환성이 높은 시스템을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 레이저빔 분할부에 의해 분할된 다수의 레이저빔을 각각 광파이버로 전송하여 태양전지의 에미터층에 조사함으로써, 태양전지의 전면 전극의 수량이나 간격이 변경되어도 효과적으로 대처할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치는, 광파이버를 통해 레이저빔이 전송되고 광파이버의 출력단을 태양전지에 근접시켜 배치함으로써, 다수의 레이저빔으로 선택적 에미터를 형성하는 과정에서 이웃하는 레이저빔 사이에서의 레이저빔의 유출을 막아 선택적 에미터 이외의 부분의 손상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 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 분할부
130 : 광파이버
140 : 셔터부
150 : 집광렌즈

Claims (4)

  1. 제1도전형의 불순물이 도핑된 기판과 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물로 형성되며 상기 기판에 도포된 에미터층을 구비하는 태양전지에 레이저빔을 조사하여 불순물의 농도가 상기 에미터층보다 높은 선택적 에미터를 형성하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치에 있어서,
    단일의 레이저빔을 출력하는 레이저부;
    상기 레이저빔을 입력받아, 다수의 레이저빔으로 분할하여 출력하는 레이저빔 분할부; 및
    상기 다수의 레이저빔과 동일한 수량의 다수의 광파이버를 포함하며, 상기 광파이버의 입력단으로 각각의 레이저빔이 입력되고, 상기 레이저빔은 상기 광파이버의 내부를 통해 전송되며, 상기 광파이버의 출력단에서는 상기 레이저빔을 태양전지의 에미터층으로 조사하는 레이저빔 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔 분할부는,
    회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔 분할부와 상기 광파이버 사이의 광경로상에 배치되며, 상기 광파이버로 향하는 레이저빔을 입력시키거나 또는 차단시키는 셔터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광파이버에 각각 설치되며, 상기 광파이버를 직선이송시켜 이웃하는 광파이버 간의 간격을 조정하는 간격조정유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 태양전지의 선택적 에미터 제조장치.
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