KR101225636B1 - 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치 - Google Patents

태양전지의 선택적 에미터 형성 장치 Download PDF

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Abstract

태양전지의 선택적 에미터 형성 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판에 n형 불순물을 확산시켜 형성된 제1 에미터층의 일부 영역에 제2 에미터층을 형성하기 위한 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치로서, 광을 발산하는 램프 유닛, 램프 유닛의 하측에 배치되어 광의 방출 여부를 조절하는 셔터 유닛, 셔터 유닛의 하측에 배치되어 광을 평행광으로 변경시키는 렌즈 유닛, 렌즈 유닛과 상기 기판 사이에 배치되며, 광을 선택적으로 통과시켜 제1 에미터층의 일부 영역에 제2 에미터층 형성을 위한 열에너지를 제공하는 마스크, 및 기판을 지지하는 테이블을 포함하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치가 제공된다.

Description

태양전지의 선택적 에미터 형성 장치{APPARATUS FOR FORMING SELECTIVE EMITTER OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치에 관한 것이다.
최근, 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 환경오염을 줄일 수 있는 신재생 에너지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 신재생 에너지 중에서, 특히, 태양에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 태양전지에 대한 관심이 집중되고 있다. 하지만, 태양전지가 실제 산업에 적용되기 위해서는, 태양전지의 광전변환 효율이 높아야 하고, 그 제조 가격이 낮아야 한다.
광전변환 효율의 측면에서 살펴보면 실리콘 태양전지가 가지는 이론적 한계효율이 그다지 높지 않기 때문에 실제 태양전지의 광전변환 효율을 높이는데 제한이 있지만, 현재 세계적인 연구 그룹에 의해서 실리콘 태양전지가 24% 이상의 광전변환 효율을 가지는 것으로 보고되고 있다.
하지만, 태양전지를 대량 생산할 경우, 태양전지의 평균 광전변환 효율은 실 제로 17%를 넘기 어려운 실정이다. 따라서 연간 30MW 이상 규모의 자동화 대량 생산공정 라인에서 적용 가능한 고효율 생산 방식이 요구되고 있다.
광전 변환 효율의 증가를 위해, 태양전지에는 선택적 에미터가 형성될 수 있다. 이러한 선택적 에미터는 그 해당 영역에 레이저를 조사함으로써 형성될 수 있다.
그러나 이와 같이 레이저를 이용하는 방식의 경우, 비교적 고가이며, 열충격으로 인한 웨이퍼의 파손 또는 고온에 의한 웨이퍼 손상 등의 문제가 발생될 우려가 있다.
본 발명은, 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으면서, 선택적 에미터를 보다 안정적이고 효율적으로 형성할 수 있는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판에 n형 불순물을 확산시켜 형성된 제1 에미터층의 일부 영역에 제2 에미터층을 형성하기 위한 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치로서, 광을 발산하는 램프 유닛, 램프 유닛의 하측에 배치되어 광의 방출 여부를 조절하는 셔터 유닛, 셔터 유닛의 하측에 배치되어 광을 평행광으로 변경시키는 렌즈 유닛, 렌즈 유닛과 상기 기판 사이에 배치되며, 광을 선택적으로 통과시켜 제1 에미터층의 일부 영역에 제2 에미터층 형성을 위한 열에너지를 제공하는 마스크, 및 기판을 지지하는 테이블을 포함하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치가 제공된다.
셔터 유닛은, 서로 나란하게 배치되며 힌지축을 중심으로 각각 회전 가능한 복수의 플레이트를 포함하며, 광의 방출 여부는, 복수의 플레이트의 회전에 의한 셔터 유닛의 개폐 여부에 따라 조절될 수 있다.
렌즈 유닛은, 복수의 실린더형 볼록 렌즈가 연속적으로 배치되어 이루어질 수 있다.
렌즈 유닛은 상하 방향으로 복수로 배치될 수 있다.
렌즈 유닛 각각의 실린더형 볼록 렌즈는 서로 평행하게 배치될 수 있다.
태양전지의 선택적 에미터 형성 장치는, 제1 에미터층 중 열에너지가 공급되는 영역을 변경시키기 위하여, 마스크와 테이블 중 어느 하나에 결합되어 마스크와 테이블 중 어느 하나의 위치를 이동시키는 위치 조절 유닛을 더 포함할 수 있다.
셔터 유닛은, 위치 조절 유닛에 의해 렌즈 유닛 또는 테이블의 위치가 이동된 이후 작동되어 광을 방출시킬 수 있다.
태양전지의 선택적 에미터 형성 장치는, 테이블에 지지된 기판을 예열하기 위한 예열 유닛을 더 포함할 수 있다.
예열 유닛은 테이블을 통해 기판을 예열할 수 있다.
마스크는, 투명 기판, 및 투명 기판에 형성되며, 패터닝된 개구부를 갖는 패턴층을 포함할 수 있다.
패턴층은 금속막일 수 있다.
패턴층은 적외선 차단막일 수 있다.
패턴층은 서로 상이한 굴절률을 갖는 제1 굴절률층과 제2 굴절률층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다.
제1 굴절률층은 SiO2를 포함하는 재질로 이루어지고, 제2 굴절률층은 TiO2와 Ta2O5 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
개구부는, 태양전지의 핑거전극 위치에 대응되도록 형성되는 제1 영역, 및 태양전지의 버스바전극 위치에 대응되도록 형성되는 제2 영역을 포함할 수 있다.
투명 기판에는 제1 영역으로의 집광을 위한 제1 렌즈부가 형성될 수 있다.
투명기판에는 제2 영역으로의 집광을 위한 제2 렌즈부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으면서, 선택적 에미터를 보다 안정적이고 효율적으로 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치에 의해 선택적 에미터가 형성되는 과정을 나타내는 도면.
도 6 및 도 7은 온도에 따른 확산 계수의 변화를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치를 나타내는 개략도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 셔터 유닛을 나타내는 사시도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 램프 유닛과 렌즈 유닛을 나타내는 사시도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 마스크에 형성된 패턴층의 입사광 파장에 따른 반사율을 나타내는 그래프.
도 13은 버스바층과 핑거층이 형성된 모습을 나타내는 평면도.
도 14는 버스바전극과 핑거전극이 형성된 모습을 나타내는 평면도.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 마스크를 나타내는 단면도.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 위치 조절 유닛의 작용을 나타내는 도면.
본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치(100)에 의해 선택적 에미터가 형성되는 과정을 설명한다.
n형 불순물(14)이 확산되어 형성된 제1 에미터층(16)이 상부에 형성된 기판(10)을 준비한다. 이 때, 기판(10)은 테이블(도 8의 150) 상에 안착되어 있을 수 있다. 이와 같이 기판(10)을 테이블(도 8의 150) 상에 고정시켜 놓은 상태에서 선택적 에미터를 형성하는 공정을 진행하게 되면, 기판(10)에 진동이 발생할 염려 없이 안정적으로 선택적 에미터를 형성할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)을 제작하기 위하여 붕소 이온이 도핑된 p형 실리콘 웨이퍼(12)의 상면에 인과 같은 n형 불순물(14)을 코팅한 뒤, 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(12)에 열에너지(E1)를 가하는 방법을 이용할 수 있다. 실리콘 웨이퍼(12)의 표면에 열에너지(E1)가 가해지면, 도 4에 도시된 바와 같이 불순물(14) 이온이 실리콘 웨이퍼(12) 내부로 확산되어 제1 에미터층(16)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 에미터층(16)은 인과 같은 불순물(14)이 확산되어 형성된 n층에 해당된다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 에미터층(16)의 상측에 마스크(140)를 배치한 뒤, 마스크(140)의 개구부(도 8의 143)를 통해 노출된 제1 에미터층(16)의 일부 영역에 열에너지를 공급하여, n형 불순물(14)이 더욱 확산되어 형성되는 제2 에미터층(18)을 형성한다. 즉, 이미 n형 불순물(14)이 확산되어 있는 제1 에미터층(16) 중 일부 영역에 마스크(140) 및 램프 유닛(도 8의 110) 등을 이용하여 열에너지를 선택적으로 공급하는 것이다.
이 경우, 제2 에미터층(18)의 형성을 위해 가해지는 에너지(E2)는 제1 에미터층(16)의 형성을 위해 이용되었던 에너지(E1)보다 더 커야 할 필요가 있다(E2 > E1).
한편, 이미 형성되어 있는 n층 즉, 제1 에미터층(16)의 불순물(14) 농도가 부족할 경우에 대비하여, 별도의 n형 불순물(14)을 제2 에미터층(18)이 형성될 위치에 추가로 형성한 후 열에너지를 공급하는 방법을 이용할 수도 있다.
이하, 제2 에미터층(18)이 형성되는 원리에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
고체 내에서 원자의 확산은 원자의 농도가 불균일할 때, 열 운동에 의해 고체 전체를 통해 원자의 농도가 균일해질 때까지 고농도 영역에서 저농도 영역으로 일어난다. 확산량이 농도구배(concentration gradient)에 비례한다는 피크(Fick)의 제1 법칙에 따른 확산 현상의 기본이 되는 수식은 아래와 같다.
Figure 112011012152962-pat00001
[수학식 1]에서, J는 확산량(즉, 단위면적을 지나는 확산 물질의 양)을 나타내고, D는 확산계수이다. 또한, C는 확산물질의 농도를 나타내고, x는 Y축에서의 확산 물질의 이동 거리를 나타낸다.
이때, 확산계수는 온도가 증가함에 따라 급격하게 증가하고, 이를 함수로 나타내면 아래의 수식과 같다.
Figure 112011012152962-pat00002
[수학식 2]에서, D0는 온도에 민감하지 않은 상수이고, k는 볼츠만(Boltzmann) 상수이고, T는 온도이다. Q는 활성화 에너지(activation energy)로서 불리며, 물질에 따라 약 2∼5eV의 값을 가진다. [수학식 2]에 기초한 온도에 따른 확산 계수의 변화를 나타내는 그래프가 도 8 및 도 9에 도시된다. 예를 들어, Q = 2eV이고, D0 = 8 × 10-5㎡/sec인 경우, 300°K에서, D ≒ 10-38㎡/sec이지만, T= 1500°K에서, D = 10-11㎡/sec으로 급격히 증가한다.
따라서 도 6에 도시된 것과 같이, 실리콘 웨이퍼(12)의 두 지점에 온도가 다른 두 개의 에너지 E1과 E2를 각각 주입했다고 가정하면, 두 지역에 대한 확산계수가 D1과 D2로서 서로 다르기 때문에(즉, 온도가 높아질수록 확산계수가 증가하기 때문에), 불순물(14)의 도달 정도가 달라지게 되어 도 5에 도시된 것과 같이 제1 에미터층(16)의 일부 영역에 제2 에미터층(18)이 형성되어, 양자가 서로 구분될 수 있게 된다.
도 6에 도시된 그래프는, 도 7에 도시된 것과 같이, 로그(log) 함수와 온도의 역수의 관계를 나타내는 그래프로 다시 나타낼 수 있다. 도 7에 도시된 그래프에 대응하게 [수학식 2]를 로그 함수로 나타내면 아래의 수식과 같다.
Figure 112011012152962-pat00003
다음으로, 도 8 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치(100)에 대하여 설명하도록 한다.
본 실시예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(10)에 n형 불순물(14)을 확산시켜 형성된 제1 에미터층(16)의 일부 영역에 제2 에미터층(18)을 선택적으로 형성하기 위한 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치(100)로서, 램프 유닛(110), 셔터 유닛(120), 렌즈 유닛(130), 마스크(140), 테이블(150), 위치 조절 유닛(160) 및 예열 유닛(170) 등을 구비하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치(100)가 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 램프 유닛(110) 및 마스크(140)를 이용하여 기판(10)의 제1 에미터층(16)의 일부 영역에 광에 의한 열에너지를 선택적으로 공급함으로써, 레이저를 이용하는 방식에 비해 보다 저렴하고 안정적으로 제2 에미터층(18)을 형성할 수 있다.
또한, 셔터 유닛(120)을 이용하여 기판(10)을 향해 일정한 세기를 갖는 광이 방출되도록 조절하고, 렌즈 유닛(130)을 이용하여 광을 평행광으로 변경시켜 기판(10)의 표면에 도달하는 광의 에너지 분포를 균일하게 조절함으로써, 태양전지의 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
그리고, 마스크(140)에 렌즈부(144)를 형성하여 기판(10)으로 주입되는 광의 공간 에너지 밀도를 증가시킴으로써, 제2 에미터층(18)이 형성될 영역에 대한 가열 효과를 증대시킬 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치(100)의 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
램프 유닛(110)은 제1 에미터층(16)의 일부 영역, 즉 제2 에미터층(18)이 형성될 영역에 열에너지를 공급하기 위하여 광을 발산하는 구성이다. 이러한 램프 유닛(110)으로는 태양빛에 가까운 광을 발생시키는 다양한 광원이 이용될 수 있으며, 일 예로 할로겐 램프 또는 IR 램프 등이 램프 유닛(110)에 적용될 수 있다.
셔터 유닛(120)은 도 8에 도시된 바와 같이 램프 유닛(110)의 하측에 배치되어 광의 방출 여부를 조절할 수 있다. 램프 유닛(110)으로부터 발생되는 광의 세기는 램프 유닛(110)이 작동되는 초기로부터 일정 시간 경과 후 안정기에 이르기까지 변화된다. 따라서 제1 에미터층(16)에 일정한 광량을 주입하기 위해 램프 유닛(110)의 하측에 셔터 유닛(120)이 설치될 수 있다.
구체적으로, 램프 유닛(110)으로부터 발산되는 광의 세기는 램프 유닛(110)의 작동 초기로부터 점차 증가하여 일정 시간 경과 후에는 일정하게 유지될 수 있다. 따라서 광의 세기가 안정기에 이르러 일정하게 유지될 때까지 셔터 유닛(120)을 폐쇄시키고, 이후 제2 에미터층(18) 형성을 위한 열에너지 공급이 요구되는 경우, 원하는 시간 동안만 셔터 유닛(120)을 개방시킴으로써, 기판(10)의 제1 에미터층(16)에 일정한 광량의 주입이 가능하게 되는 것이다.
이 경우, 셔터 유닛(120)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 힌지 결합된 복수의 플레이트(122)로 이루어질 수 있다. 즉 복수의 플레이트(122)는 서로 나란하게 배치될 수 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나 이들 복수의 플레이트(122)의 가장자리에는 이들을 지지하기 위한 프레임이 설치될 수 있다. 그리고 복수의 플레이트(122)는 힌지축(124)을 중심으로 프레임에 각각 회전 가능하게 설치될 수 있다.
이러한 복수의 플레이트(122)는 셔터 유닛(120)의 개방이 필요한 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 힌지축(124)을 중심으로 동시에 회전될 수 있으며, 이에 따라 램프 유닛(110)으로부터 발산되는 광은 셔터 유닛(120)을 통과하여 하측으로 방출될 수 있다. 이와 반대로 셔터 유닛(120)의 폐쇄가 요구되는 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 힌지축(124)을 중심으로 원위치로 다시 회전될 수 있다.
상술한 셔터 유닛(120)의 개방 및 폐쇄 속도는, 각 플레이트(122)를 구동시키기 위한 구동 유닛 자체의 반응 속도가 빠를수록, 그리고 각 플레이트(122)의 너비가 좁아질수록 증가될 수 있다.
렌즈 유닛(130)은 도 8에 도시된 바와 같이 셔터 유닛(120)의 하측에 배치되어 광을 평행광으로 변경시킬 수 있다. 램프 유닛(110)은 점광원 또는 선형 광원의 형태를 가지므로, 이로부터 발생되는 광의 세기는 3차원 또는 2차원적으로 가우시안(Gaussian) 분포를 가지게 된다. 따라서 기판(10)에 도달하는 광의 세기는 기판(10)의 중심으로부터 멀어질수록 감소하게 되어, 제1 에미터층(16) 상에서 광에 의한 열에너지 분포 역시 불균일하게 된다.
이에 대해 본 실시예의 경우 렌즈 유닛(130)을 이용하여 램프 유닛(110)으로부터 발산된 광을 평행광으로 변경시킴으로써 기판(10)에 도달하는 열에너지 분포를 균일하게 조절할 수 있다.
구체적으로 렌즈 유닛(130)은, 도 11에 도시된 바와 같이 복수의 실린더형 볼록 렌즈가 연속적으로 배치되어 이루어지는 프레넬 렌즈(fresnel lens)의 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 프레넬 렌즈를 이용함으로써 도 11에 도시된 바와 같이 광을 평행광을 변경시킬 수 있음과 동시에, 광을 다수의 단위 광으로 분할하게 되어 결과적으로 광의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 렌즈 유닛(130)은 도 11에 도시된 바와 같이 두 개가 상하 방향으로 배치될 수 있으며, 한 쌍의 렌즈 유닛(130)은 각 실린더형 볼록 렌즈가 서로 평행하도록 나란하게 배치될 수다. 이와 같이 서로 나란하게 배치된 한 쌍의 렌즈 유닛(130)을 이용함으로써 광의 분할에 따른 균질화 효과를 보다 향상시킬 수 있게 된다.
본 실시예의 경우, 도 11에 도시된 바와 같이 선형 광원 형태의 램프 유닛(110)을 이용하는 경우를 제시하고 있으나, 램프 유닛(110)이 점광원의 형태를 가질 수도 있으며, 이러한 경우에는 광의 x축 및 y축 성분 모두를 평행광으로 변경시킬 필요가 있으므로 상술한 렌즈 유닛(130)은 복수의 구형 볼록 렌즈가 매트릭스 구조로 연속적으로 배치되어 이루어지는 구조를 가지게 될 것이다.
마스크(140)는 도 8에 도시된 바와 같이 기판(10) 상에 배치됨으로써 렌즈 유닛(130)과 기판(10) 사이에 배치될 수 있으며, 광을 선택적으로 통과시켜 제1 에미터층(16)의 일부 영역에 제2 에미터층(18) 형성을 위한 열에너지를 제공할 수 있다. 마스크(140)는 도면에 도시되지는 않았으나 로봇 암 등으로 구성된 제1 이송 유닛에 결합되어 제1 이송 유닛의 작동에 따라 기판(10)의 상측에 거치되거나 기판(10)의 상측으로부터 제거될 수 있다.
이러한 마스크(140)는 투명 기판(141)과 그 저면에 형성되는 패턴층(142) 및 그 상면에 형성되는 렌즈부(144)로 이루어질 수 있다.
투명 기판(141)은 광이 투과할 수 있는 물질, 예를 들어, 유리, 쿼츠(quartz), 파이렉스(Pyrex) 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 패턴층(142)은 제2 에미터층(18)이 형성될 영역과 대응되도록 패터닝되어 램프 유닛(110)의 광을 선택적으로 투과시키는 개구부(143)를 가질 수 있으며, 금속막 또는 적외선 차단막일 수 있다.
패턴층(142)이 금속막인 경우, 패턴층(142)은 투명 기판(141)에 니켈, 크롬 등의 금속막을 증착한 뒤, 제2 에미터층(18)이 형성될 영역에 대응되도록 금속막 중 일부를 에칭하여 제거함으로써 형성될 수 있다.
이상에서는 패턴층(142)에 금속막이 증착됨으로써 투명 기판(141)과 패턴층(142)이 일체로 형성되는 마스크(140)를 제시하였으나, 투명 기판(141)과 패턴층(142)은 별도의 공정에 의해 각각 형성된 후 이를 적층함으로써 마스크(140)가 형성될 수도 있다.
패턴층(142)이 적외선 차단막인 경우, 패턴층(142)은 서로 상이한 굴절률을 갖는 제1 굴절률층과 제2 굴절률층이 교대로 적층되어 예를 들어 28 내지 31층의 다층 구조로 형성될 수 있다. 이러한 적외선 차단막은 투명 기판(141)과 열팽창계수가 유사한 물질로 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 제1 굴절률층은 SiO2을 증착함으로써 형성되고, 제2 굴절률층은 TiO2와 Ta2O5 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질을 증착함으로써 형성될 수 있다.
제2 에미터층(18)의 형성을 위한 열에너지 공급에 있어, 가열의 효과를 보다 높이기 위해서는 램프 유닛(110)으로부터 적외선과 같은 장파장의 광을 입사시킬 필요가 있다. 이 경우, 패턴층(142)에서 광의 흡수가 일어나 패턴층(142) 자체가 가열될 수 있다. 그리고 이와 같이 패턴층(142)이 가열되는 경우 패턴층(142)과 투명 기판(141) 간의 열팽창계수 차이 등에 따라 개구부(143)의 형상이 변경되거나 패턴층(142)과 투명 기판(141) 간의 접착력이 감소될 수도 있다.
이에 대해 패턴층(142)이 적외선 차단막인 경우, 제2 에미터층(18)이 형성되지 않는 불필요한 영역으로 입사하는 장파장 영역의 광이 보다 효과적으로 반사됨으로써 차단될 수 있다. 이러한 적외선 차단막은 도 12에 도시된 바와 같이 파장이 α 이상인 경우 입사되는 광을 모두 반사시킬 수 있으며, α는 예를 들어 300 내지 500 nm일 수 있다.
한편, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 에미터층(16)에 선택적으로 형성되는 제2 에미터층(18)은 태양전지의 버스바전극(13a)이 형성될 위치에 형성되는 버스바층(18a)과, 핑거전극(13b)이 형성될 위치에 형성되는 핑거층(18b)을 포함할 수 있다.
도 14에는 핑거층(18b) 상에 핑거전극(13b)이 형성되고, 버스바층(18a) 상에 버스바전극(13a)이 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다. 핑거전극(13b)과 버스바전극(13a)이 형성되지 않은 나머지 부분에는 반사 방지막(11)이 형성된다.
이러한 버스바층(18a)과 핑거층(18b)을 모두 형성하기 위하여, 마스크(140)에 형성되는 개구부(143)는, 도 15에 도시된 바와 같이, 기판(10)에 형성될 핑거전극(13b)의 위치에 대응되도록 형성되는 제1 영역(143a)과, 기판(10)에 형성될 버스바전극(13a)의 위치에 대응되도록 형성되는 제2 영역(143b)을 포함할 수 있다.
이와 같이 제1 영역(143a)과 제2 영역(143b)을 모두 포함하는 개구부(143)가 형성된 마스크(140)를 이용하게 되면, 램프 유닛(110)을 이용한 1회의 열에너지 공급 공정으로 동시에 버스바층(18a)과 핑거층(18b)을 모두 형성할 수 있다.
패턴층(142)에 형성되는 개구부(143)에 있어서, 핑거전극(13b)에 대응되는 제1 영역(143a)은 폭이 약 50 ~ 150 ㎛일 수 있으며, 버스바전극(13a)에 대응되는 제2 영역(143b)은 폭이 약 1.5 ~ 3.0 mm일 수 있다.
제1 영역(143a)과 제2 영역(143b)을 통해 기판(10)에 공급되는 단위 면적당의 열에너지의 양은 균일한 것이 좋다. 그러나, 기판(10)에 공급되는 단위 면적당 열에너지의 양은 개방된 영역의 면적이 클수록 커지게 된다. 이는 기판(10)에 공급된 열에너지가 마스크(140)의 저면을 따라 측면 방향으로 퍼지는 현상이 발생할 수 있기 때문이다.
이러한 현상을 고려하여, 제2 영역(143b)에 그리드와 같은 별도의 무늬를 삽입하여, 제1 영역(143a)과 제2 영역(143b) 사이에 단위 면적당 공급되는 열에너지의 편차를 최소화 할 수도 있다. 이 때, 그리드의 폭과 제1 영역(143a)의 폭을 동일하게 설계하면, 상기 편차를 보다 더 줄일 수 있을 것이다.
기판(10) 상의 제2 에미터층(18)이 형성될 영역에 공급되는 열에너지의 밀도를 증가시키기 위해 투명 기판(141)의 상면에는 도 8에 도시된 바와 같이 패턴층(142)의 개구부(143) 위치와 대응되도록 렌즈부(144)가 형성될 수 있다. 렌즈부(144)는 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈부(144a) 및 제2 렌즈부(144b)로 구성된다.
제1 렌즈부(144a)는, 투명 기판(141)의 상면에 상기 제1 영역(143a)으로의 집광을 위하여 형성될 수 있다. 이에 따라 상대적으로 단위 면적당 공급되는 에너지의 양이 적은 제1 영역(143a)에 입사되는 에너지가 보강될 수 있다.
이와 마찬가지로, 투명 기판(141)의 상면에는 제2 영역(143b)으로의 집광을 위한 제2 렌즈부(144b)가 형성될 수 있다. 도 15에는 투명 기판(141)에 제1 렌즈부(144a)와 제2 렌즈부(144b)가 모두 형성된 모습이 도시되어 있다.
한편, 도 15에 도시된 바와 같이, 하나의 마스크(140)에 제1 렌즈부(144a)와 제2 렌즈부(144b)를 모두 형성하는 경우, 버스바층(18a)과 핑거층(18b)이 서로 교차하는 영역에서 핑거층(18b)이 형성되어야 할 부분에 열에너지가 제대로 가해지지 못할 수도 있다.
이러한 문제를 예방하기 위해, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이 제1 렌즈부(144a)와 제2 렌즈부(144b)가 각각 형성된 마스크(140)를 준비한 다음, 제2 에미터층(18)의 버스바층(18a)과 핑거층(18b)을 형성하는 공정을 분리하여 진행할 수도 있다.
기판(10)은, 도면에 도시되지는 않았으나 로봇 암, 턴테이블, 컨베이어 벨트 등으로 구성된 제2 이송 유닛에 의하여 테이블(150)로 공급될 수 있으며, 테이블(150)은 도 8에 도시된 바와 같이 이송된 기판(10)을 지지한다. 이렇게 테이블(150)에 의해 기판(10)이 지지된 상태에서 기판(10)에 선택적으로 제2 에미터층(18)을 형성하는 공정이 진행될 수 있다.
테이블(150) 상에 위치한 기판(10)의 이동을 방지하기 위해, 테이블(150)에는 음압 공급을 위한 음압홀이 형성될 수도 있다. 테이블(150)에 음압홀을 형성하고, 펌프 등을 이용하여 기판(10)의 하면에 음압을 공급하게 되면, 기판(10)이 테이블(150)에 밀착하게 되어 기판(10)의 정렬 상태가 흐트러지지 않을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 기판(10)을 테이블(150) 상에 고정시켜 놓은 상태에서 선택적으로 제2 에미터층(18)을 형성하는 공정을 진행함으로써, 기판(10)에 진동이 발생할 염려 없이 안정적으로 선택적 에미터를 형성할 수 있게 된다.
예열 유닛(170)은 테이블(150)에 지지된 기판(10)을 예열하는 기능을 수행한다. 예열 유닛(170)을 통해 기판(10) 전체에 소정의 에너지를 가하도록 하고, 예열에 의해 공급되는 에너지 외에 나머지 필요한 에너지를 상술한 마스크(140) 및 램프 유닛(110)을 통해 공급함으로써, 마스크(140)에 의해 노출되는 영역과 그렇지 않은 영역 간의 과도한 에너지 차이를 줄일 수 있게 된다.
이러한 방법을 통해, 과도한 세기의 열에너지가 기판(10)의 일부분에 집중적으로 조사됨으로써 기판(10)의 손상되는 현상이 방지될 수 있다. 이 때, 예열 공정과 램프 유닛(110)을 이용한 열에너지 공급 공정은 순차로 이루어질 수도 있고, 동시에 수행될 수도 있다.
이 때, 예열 유닛(170)은 테이블(150)을 통해 기판(10)을 예열할 수 있다. 즉, 예열 유닛(170)이 테이블(150)을 가열함으로써, 가열된 테이블(150)이 기판(10)을 예열하도록 할 수 있는 것이다. 이 경우, 예열 유닛(170)으로는 도 8에 도시된 바와 같이 테이블(150)에 매립된 열선 등을 이용할 수 있을 것이다.
한편, 본 실시예에서는 테이블(150)을 매개로 기판(10)을 예열하는 경우를 예로 들었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 테이블(150)과 별개로 기판(10)을 직접 가열할 수 있는 비접촉 방식의 예열 유닛(170)을 이용할 수도 있을 것이다.
위치 조절 유닛(160)은, 제1 에미터층(16) 중 열에너지가 공급되는 영역을 변경시키기 위하여, 마스크(140)와 테이블(150) 중 어느 하나에 결합되어 마스크(140)와 테이블(150) 중 어느 하나의 위치를 이동시켜 조절할 수 있다.
본 실시예의 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 위치 조절 유닛(160)이 마스크(140)와 연결되어 있어, 마스크(140)의 위치를 조절할 수 있다. 위치 조절 유닛(160)은 예를 들어 로봇 암 등으로 구성될 수 있다.
태양전지의 전면에는 예를 들어 80㎛의 폭으로 이뤄진 70 내지 80개의 핑거전극(13b)이 형성될 수 있다. 이들 핑거전극(13b)은 은(Ag)을 주성분으로 하여 형성될 수 있으므로, 이들이 차지하고 있는 영역(전체 기판(10) 면적의 약 8% 이상)에서 태양광은 흡수되지 않고 반사된다.
이 경우, 이들 핑거전극(13b)의 폭을 예를 들어 40㎛ 이하로 감소시키고 그 간격 역시 감소시켜, 핑거전극(13b)의 개수를 예를 들어 160개 정도로 증가시키게 되면, 핑거전극(13b)이 차지하는 영역이 감소하게 되며, 이에 따라 태양광의 반사 정도를 감소시킬 수 있게 된다.
그러나 이와 같이 핑거전극(13b)의 폭과 간격이 감소되는 경우, 도 18에 도시된 바와 같이, 개구부(143)의 폭과 간격, 그리고 렌즈부(144)의 단위 렌즈 폭 역시 이와 대응되도록 감소되므로, 렌즈부(144)를 통해 집속되는 광의 밀도(가열되어야 하는 면적 속에 주입되는 광선의 수)는 제2 에미터층(18)을 형성하기에 충분하지 못하게 될 우려가 있다.
이에 대해 본 실시예의 경우, 도 19에 도시된 바와 같이 렌즈부(144)의 단위 렌즈 폭을 충분히 넓게 확보하고, 개구부(143)를 이러한 렌즈부(144)에 대응되도록 넓은 간격으로 형성함과 동시에, 상술한 위치 조절 유닛(160)을 이용하여 마스크(140)를 단계적으로 수평 이동시킴으로써 기판(10)의 제1 에미터층(16)에 제2 에미터층(18)의 형성에 충분한 에너지를 공급할 수 있다.
이러한 경우, 셔터 유닛(120)은 제어부의 조작에 의하여 위치 조절 유닛(160)과 연동되어 작동될 수 있다. 즉, 제어부의 조작에 의하여, 위치 조절 유닛(160)에 의해 마스크(140)가 수평 이동하고 있을 때에는 셔터 유닛(120)이 닫혀 있게 되고, 마스크(140)의 위치 이동이 완료된 이후 셔터 유닛(120)이 작동되어 개방됨으로써 램프 유닛(110)의 광을 기판(10)을 향해 방출시킬 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 기판
11: 반사 방지막
12: 실리콘 웨이퍼
14: 불순물
13a: 버스바전극
13b: 핑거전극
16: 제1 에미터층
18: 제2 에미터층
18a: 버스바층
18b: 핑거층
100: 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치
110: 램프 유닛
120: 셔터 유닛
122: 플레이트
124: 힌지축
130: 렌즈 유닛
140: 마스크
141: 투명 기판
142: 패턴층
143: 개구부
143a: 제1 영역
143b: 제2 영역
144: 렌즈부
144a: 제1 렌즈부
144b: 제2 렌즈부
150: 테이블
160: 위치 조절 유닛
170: 예열 유닛

Claims (17)

  1. 기판에 n형 불순물을 확산시켜 형성된 제1 에미터층의 일부 영역에 제2 에미터층을 형성하기 위한 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치로서,
    광을 발산하는 램프 유닛;
    상기 램프 유닛의 하측에 배치되어 상기 광의 방출 여부를 조절하는 셔터 유닛;
    상기 셔터 유닛의 하측에 배치되어 상기 광을 평행광으로 변경시키는 렌즈 유닛;
    상기 렌즈 유닛과 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 광을 선택적으로 통과시켜 상기 제1 에미터층의 일부 영역에 상기 제2 에미터층 형성을 위한 열에너지를 제공하는 마스크; 및
    상기 기판을 지지하는 테이블을 포함하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셔터 유닛은, 서로 나란하게 배치되며 힌지축을 중심으로 각각 회전 가능한 복수의 플레이트를 포함하며,
    상기 광의 방출 여부는, 상기 복수의 플레이트의 회전에 의한 상기 셔터 유닛의 개폐 여부에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛은, 복수의 실린더형 볼록 렌즈가 연속적으로 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛은 상하 방향으로 복수로 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛 각각의 상기 실린더형 볼록 렌즈는 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에미터층 중 상기 열에너지가 공급되는 영역을 변경시키기 위하여, 상기 마스크와 상기 테이블 중 어느 하나에 결합되어 상기 마스크와 상기 테이블 중 어느 하나의 위치를 이동시키는 위치 조절 유닛을 더 포함하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셔터 유닛은, 상기 위치 조절 유닛에 의해 상기 마스크 또는 상기 테이블의 위치가 이동된 이후 작동되어 상기 광을 방출시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 테이블에 지지된 상기 기판을 예열하기 위한 예열 유닛을 더 포함하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 예열 유닛은 상기 테이블을 통해 상기 기판을 예열하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마스크는,
    투명 기판; 및
    상기 투명 기판에 형성되며, 패터닝된 개구부를 갖는 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 패턴층은 금속막인 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 패턴층은 적외선 차단막인 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패턴층은 서로 상이한 굴절률을 갖는 제1 굴절률층과 제2 굴절률층이 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 굴절률층은 SiO2를 포함하는 재질로 이루어지고, 상기 제2 굴절률층은 TiO2와 Ta2O5 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 형성 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 개구부는,
    태양전지의 핑거전극 위치에 대응되도록 형성되는 제1 영역; 및
    태양전지의 버스바전극 위치에 대응되도록 형성되는 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 투명 기판에는 상기 제1 영역으로의 집광을 위한 제1 렌즈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 투명기판에는 상기 제2 영역으로의 집광을 위한 제2 렌즈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성 장치.
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