KR101325356B1 - 태양전지 품질 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 태양전지 셀 제조 공정에서 사용되는 태양광 시뮬레이터 방식과, 전계발광·광반사·광투과를 이용한 가시광선/근적외선 영상 검출 방식의 2가지 방식을 조합함으로써, 결정질 태양전지의 품질을 효율적이며 생산적으로 검사하고 분류하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지 제조 공정시의 태양전지 품질을 측정하는 방법은, 태양광을 모사하는 기준 광원을 태양전지에 조사하여 출력되는 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 과정; 상기 기준 광원을 태양전지에 조사하여 태양전지를 투과하는 투과광 및 태양전지에서 반사되는 반사광이 형성하는 영상을 검출하여 태양전지의 제1 물리적 특성을 측정하는 과정; 태양전지에 전기장을 인가함으로써 태양전지에서 발생하는 전계발광에 의해 형성되는 영상을 검출하여 태양전지의 제2 물리적 특성을 측정하는 과정을 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지 품질을 측정하는 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 태양광 시뮬레이터와 영상 검출기를 조합 사용하여 태양전지의 품질을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 중소기업청에서 지원하는 2011년도 산학연공동기술개발사업의 연구수행에 따른 결과물이다. 연구과제에 관한 상세한 내용은 다음과 같다.
- 발명을 지원한 국가연구개발사업: 2011년도 산학연공동기술개발사업
- 부처명 : 중소기업청
- 연구관리 전담기관 : 한국산학연협회
- 연구과제명 : 태양광 시뮬레이터 광원과 투과형 NIR 검출기를 이용한 실시간 다목적 태양전지 동시 품질 측정 장치 개발
- 협약번호 : 00047905
- 연구기간 : 2011년 06월 01일 ~ 2012년 05월 31일
태양전지 제조시에 또는 성능평가를 위해 태양전지 셀의 특성을 측정할 필요가 있다. 태양전지 셀의 특성에는 전류-전압(I-V) 특성, 변환효율(Solar Energy Conversion Efficiency), 곡선인자(Fill Factor), 분류저항(Shunt Resistance), 직류저항(Series Resistance), 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc) 등의 전기적 특성과, 미세균열(Microcrack), 결함(Defect), 전극불량(Electrode Failure), 열점(hot spot), 소수운반자 지속시간(Minority Carrier Lifetime) 등의 물리적인 특성이 있다. 일반적으로, 상기 전기적 특성은 태양광 시뮬레이터(solar simulator)를 이용하여 측정하고, 물리적 특성은 가시광선/근적외선 영상 검출기(CCD 카메라 등)를 이용하여 반사유도발광 반사광(PL: photoluminescence), 투과유도발광 또는 투과광(PL), 전계발광(EL: electroluminescence)의 영상을 분석하여 측정하고 있다.
태양광 시뮬레이터는 기준 태양광인 AM(air mass) 1.5G의 광을 태양전지 셀에 조사하여 태양전지에서의 광의 반사, 투과, 흡수를 이용하여 태양전지의 전기적인 특성을 측정하는 장치이다. 태양전지를 투과한 광원을 영상 검출기를 통해서 검출하여 이 투과광에 담겨있는 태양전지의 미세균열 및 결함에 관한 정보 등을 확인할 수 있다. 또한, 바이어스 광과 외부 전원 및 전류 측정 장치를 이용하여 변환효율과 곡선인자, 개방전압, 단락전류 등을 측정할 수 있다.
그러나 종래에는 물리적 특성과 전기적 특성을 별도의 장비로 따로따로 측정해야 했다. 따로 측정할 경우 측정 및 검사에 따라 다른 장비를 사용하여야 하는 불편함이 있고, 상대적으로 긴 측정시간이 소요된다. 또한 넓은 작업 공간이 필요하며, 측정 대상의 손상을 유발할 수 있다.
그리고 다결정 태양전지의 경우에 발생하는 입자경계문제(Grain boundary)등의 미세균열(Microcrack)과 유사한 레벨의 암영역(Dark area)이 존재하는바, 기존의 전계발광 EL 시험장치에 의해서는 이 둘을 구별하기가 어렵다.
따라서 본 발명의 목적은, 다양한 셀 특성 측정 항목들을 하나의 장비로 측정가능토록 하는 것, 즉, 투과광에 대해서 영상 검출기를 이용하여 미세균열 및 결함 등을 측정하고, 이와 별도로 외부 전원 및 전류 측정 장치를 이용해 변환 효율, 곡선인자, 개방전압, 단락전류 등을 측정하던 것을, 한 대의 장비로 측정 가능토록 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 실리콘 태양전지 셀 제조 공정에서 사용되는 태양광 시뮬레이터 방식과, 전계발광·광반사·광투과를 이용한 가시광선/근적외선 영상 검출 방식의 2가지 방식을 조합함으로써, 결정질 태양전지의 품질을 효율적이며 생산적으로 검사하고 분류하는 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 품질을 측정하는 장치 및 방법(1)의 개념을 나타내는 순서도로서, 태양광 시뮬레이터(10)를 사용하여 전기적인 특성(개방전압, 단락전류, 곡선인자, 변환효율, 분류저항, 직류저항 등)을 측정하고, 투과형·반사형·전계발광형 영상(가시광선 또는 근적외선(NIR)) 검출기(20)를 이용하여 취득한 이미지를 영상 처리하여 태양전지의 물리적인 특성(미세균열, 결함분석, 전극불량, 열점, 소수 운반자 지속시간 등)을 측정함으로써, 태양전지의 동시 품질 측정의 목적을 달성한다(30)는 개념을 나타낸다.
단, 도 1에서는 태양광 시뮬레이터(10)와 영상 검출기(20)의 이용을 병행적으로 도시하였지만, 이는 본 발명의 수단을 간략하게 설명하기 위하여 단순화한 것으로서, 실제로 본 발명은 상기 태양광 시뮬레이터(10)와 영상 검출기(20)의 구성 및 작용을 단순 주합한 것이 아니라, 몇가지 경우로 조합 사용하여 본 발명의 목적을 달성하고 있다. 이에 대해서는 차후, 실시예를 통해 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 태양전지 제조 공정시의 태양전지 품질을 측정하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 태양광을 모사하는 기준 광원을 태양전지에 조사하여 출력되는 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 과정; 상기 기준 광원을 태양전지에 조사하여 태양전지를 투과하면서 발생하는 투과유도 발광 및 태양전지에서 반사되면서 발생하는 반사유도 발광이 형성하는 영상을 검출하여 태양전지의 제1 물리적 특성을 측정하는 과정; 태양전지에 전기장을 인가함으로써 태양전지에서 발생하는 전계발광에 의해 형성되는 영상을 검출하여 태양전지의 제2 물리적 특성을 측정하는 과정을 포함한다.
여기서, 상기 전기적 특성 측정 과정, 제1 물리적 특성 측정 과정, 제2 물리적 특성 측정 과정은 시간적 순서로 열거된 것이 아니다. 즉, 경시적 구성요소가 아니다. 이를 나타내기 위하여 전통적인 경시적 표현방식인 " ~ 단계" 대신에 " ~ 과정"이라고 표현하였다. 상기 과정들이 시간적 순서로 열거된 것이 아니기 때문에, 상기 과정들의 순서가 임의적으로 변경된 경우나, 사실상 동시에 이루어지는 경우나 모두 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 방법의 기술적 범위 내에 든다.
한편, 상기 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 과정에서는, 전기적 특성의 측정에 필요한 전압, 전류, 신호를 태양전지의 전극에 인가하는 과정이 추가로 포함된다.
또한, 상기 제1 물리적 특성 측정 과정에는, 상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광을 검출하는 제1 영상 검출 과정과, 상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 투과유도 발광을 검출하는 제2 영상 검출 과정이 포함된다. 여기서도 앞에서 밝힌 것과 같이, 제1 영상 검출 과정과 제2 영상 검출 과정이 시간적 순서로 열거된 것은 아니다.
여기서, '투과광'은 입사 파장대역에 따라 광유도되는 투과 발광(PL) 및 전체 파장대역의 모든 투과광을 포함하는 개념이고, '반사광'도 입사 파장대역에 따라 광유도되는 반사광(PL) 및 전체 파장대역의 모든 반사광을 포함하는 개념으로서, 이하에서는 편의상 '투과유도 발광(PL)' 및 '반사유도 발광(PL)'을 '투과광' 및 '반사광'이라는 용어와 혼용하였다.
또한, 상기 제2 물리적 특성 측정 과정에는, 상기 기준 광원을 차단하는 과정이 추가로 포함된다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 태양광 시뮬레이터(기준 광원과 I-V 곡선 추적기가 포함됨)와 영상 검출기를 조합하여 태양전지 품질을 측정하는 장치가 제공된다.
이 장치는, 태양광을 모사하는 기준 광원을 태양전지에 조사하여 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 수단; 상기 기준 광원을 태양전지에 조사하여 태양전지를 투과하여 발생되는 투과유도 발광 및 태양전지에서 반사되는 반사유도 발광이 형성하는 영상을 영상 검출 수단으로 검출하여 태양전지의 제1 물리적 특성을 측정하는 수단; 태양전지의 해당 전극에 전기장을 인가함으로써 태양전지에서 발생하는 전계발광에 의해 형성되는 영상을 영상 검출 수단으로 검출하여 태양전지의 제2 물리적 특성을 측정하는 수단을 포함한다.
여기서 상기 전기적 특성 측정 수단은 태양전지의 전기적 특성을 측정하기 위하여 필요한 전압, 전류, 신호를 태양전지의 해당 전극에 인가하고, 태양전지로부터 나오는 신호를 받아들이는 I-V 곡선 추적기를 포함한다.
그리고 상기 기준 광원은 가시광선 및 근적외선을 방출하는 광원인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 영상 검출 수단에는, 상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광을 검출하는 제1 영상 검출기와, 상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생된 투과유도 발광을 검출하는 제2 영상 검출기가 포함된다. 여기서 제2 영상 검출기는 외부의 빛과 차단되는 차광상자 속에 설치하는 것이 바람직하다.
사실상, 상기 태양전지 품질 측정 장치는 그 전체 구성요소를 차광상자 속에 설치할 것이 바람직하다. 외부 빛이나 기타 환경과 차단함으로써 측정의 정밀성을 높이고 신뢰성을 향상시키기 위한 것이다. 이와 같이 전체 장치를 차광상자 속에 설치하게 되면, 이 차광상자 속에 또다른 제2의 차광상자를 넣고 그 안에 상기 제2 영상 검출기를 설치하게 될 것이다. 이런 경우에는 상기 제2의 차광상자를 내측 차광상자라 부를 수 있다.
또한, 상기 영상 검출 수단은 가시광 및 근적외선(NIR) 영상을 검출하는 카메라인 것이 바람직하다. 현재 공지되어 있는 카메라로는 CCD, CMOS, TFT, AlGaAs 카메라 등이 있다.
또한, 상기 상기 영상 검출 수단에는 태양전지로부터 나오는 투과유도 발광과 반사유도 발광만이 검출되도록 하기 위해서 IR 통과 필터를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 물리적 특성 측정 수단에는, 상기 기준 광원을 차단하는 셔터가 포함된다. 기준 광원을 차단하고 태양전지 자체의 전계발광에 의한 영상을 취득하여 표준 영상과 비교하기 위한 것이다. 셔터의 구성과 작용에 대해서는 공지의 기술이므로 더 이상의 설명을 생략한다.
상기 셔터와 더불어, 태양전지에서 발생되는 투과유도 발광 및 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광의 파장이 상기 기준 광원의 파장과 간섭하지 않도록 상기 기준 광원에서 IR 영역대의 빛이 태양전지에 조사되지 않도록 차단하는 IR 차단 필터를 추가로 설치하는 것이 바람직하다. 이 IR 차단 필터에 대해서도 상세한 설명은 생략한다.
한편, 전기적 특성 측정시에 사용된 상기 I-V 곡선 추적기는, 태양전지의 제2 물리적 측정 수단에서 태양전지가 전계발광을 하도록 태양전지의 해당 전극에 전기장을 인가하는 제2기능을 갖는다.
본 발명에 따른 태양전지 측정 규격에 대해서 정리하면 다음과 같다.
<측정 및 분석 기기>
- NIR(근적외선) 검출기(near infra-red detector)
- 태양광 시뮬레이터(solar simulator)
<측정 및 분석 항목>
- 미세 균열 (Microcrack) 및 결함(Defect)
- 전극 불량 (Electrode problem)
- 개방 전압 (Open-Circuit Voltage)
- 단락 전류 (Short-Circuit Current))
- 변환 효율 (Conversion Efficiency)
- 분류 저항 (Shunt Resistance)
- 소수운반자 지속시간(Minority Carrier Lifetime)
<태양전지에의 적용 예>
- 각종 태양전지의 공정단계별 분석가능 (가공안된 웨이퍼(bare wafer): 단위막 공정 등에서 전극 없이도 PL 측정이 가능하다. 즉 미세균열 및 결함 분석이 가능하다.
- 고효율 HIT 셀 및 IBC 셀(투과형 PL, 반사형 PL 및 EL 방식으로 측정)
- 일반형 실리콘 결정질 태양전지 (반사형 PL 및 EL 방식으로 측정)
- 일반 결정질 태양전지의 크기: 100×100 mm, 125×125 mm, 156×156 mm
- 박막 태양전지 등 모든 종류의 태양전지 측정에 응용가능
<측정 방식>
- 태양광 시뮬레이터
- NIR(근적외선) 검출기 : 투과형·반사형 방식 및 전계발광 방식 측정 (근적외선 파장범위는 800 ~ 1800 nm)
- 태양광 시뮬레이터 + 광투과 방식
- 태양광 시뮬레이터 + 광반사 방식
- 태양광 시뮬레이터 측정 후 전계발광 방식
<스펙트럼 범위(파장 범위)>
- 300 nm ~ 1800 nm
기존에는 각 태양전지의 특성을 별도의 장비로 각각 따로 측정하여 시간과 비용이 많이 필요하였다. 하지만 본 발명에 따른, 태양광 시뮬레이터와 영상 검출기를 조합함으로써 미세균열, 분류저항, 전극불량, 곡선인자, 개방전압, 단락전류를 한 장비에서 측정하게 되고 각 공정에 알맞은 검사 방법을 사용하여 측정시간 및 비용 감소의 효과를 가져올 수 있을 것이다. 그러므로 종래와는 다른 고효율 실리콘 태양전지의 특성 측정 등으로 태양전지의 특성을 분석하는 데 도움을 주고 효율향상에 기여한다.
도1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개략 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 방법의 일실시예의 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 장치의 일실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 방법의 일실시예의 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 장치의 일실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른, 태양광 시뮬레이터와 가시광선/근적외선 영상 검출기를 조합적으로 사용하여 태양전지 품질을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
앞서, 도 1에서 태양광 시뮬레이터(10)와 투과형·반사형·전계발광형 영상 검출기(20)를 동시에 적용하여 태양전지의 품질을 동시 측정한다는 개념만을 설명하였지만, 도 2는 본 발명이 태양광 시뮬레이터와 투과형·반사형·전계발광형 영상 검출기를 단순히 병행적으로 사용하는 것이 아니라, 두 가지 방식을 조합적으로 사용하여 본 발명의 목적을 달성하고 있음을 구체적으로 제시하고 있다.
도 2에서, 일점쇄선(-·-·-·)은 아래 (1)번 설명에 관련된 단계 흐름(플로우)이고, 실선( )은 (2)번 설명에 관련된 흐름, 점선(- - - - -)은 (3)번 설명에 관련된 흐름이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 품질 측정 방법에 대해서 설명하기로 한다.
(1) 태양광 시뮬레이터(10)의 내부에 있는 AM 1.5G 광원(11)과 I-V 커브 추적기(Curve Tracer)(12)를 사용하여, 직접적으로 공정 진행중인 기판 및 태양전지의 전기적 특성(개방전압, 단락전류. 변환효율, Fill factor(곡선인자), 직류저항, 분류저항)을 측정한다.
(2) 태양광 시뮬레이터(10) 내부에 있는 AM 1.5G 광원(11)이 IR 차단 필터(도 3에 관한 설명 참조)를 통과하도록 하고, 가시광선/근적외선 CCD 카메라(13)를 이용하여 투과광과 반사광을 검출하여, 공정 진행중인 기판 및 태양전지의 물리적 특성(Microcrack, Defect, Hot spot, 전극불량, 소수운반자 지속시간 등)을 검출한다.
(3) 태양광 시뮬레이터(10) 내부에 있는 셔터(도 3에 관한 설명 참조)를 사용하여 AM 1.5G광원(11)의 출력광을 차단하고, I-V 커브추적기(12)와 가시광/근적외선 CCD 카메라(13)를 이용하여, 태양전지에서 발생하는 전계발광 EL(Electroluminescence)을 검출함으로써 태양전지의 물리적 특성(Microcrack, Defect, Hot spot, 전극불량, 소수운반자 지속시간 등)을 검출한다.
이상에서 설명한 것과 같이, 태양광 시뮬레이터(10)의 AM 1.5G광원(11) 및 I-V 커브추적기(12)와 영상 검출용 가시광선/근적외선 CCD 카메라(13)를 조합하여 투과광/반사광 PL 및 전계발광 EL 방식에 의한 태양전지 품질을 하나의 장비로써 측정할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른, 태양광 시뮬레이터 광원과 근적외선 검출기를 조합적으로 이용하여 태양전지 품질을 측정하는 장치의 구성을 나타내는 사시도이다. 각 구성요소별로 개별 기능을 설명하고 나서, 전체적인 발명의 작용을 설명하기로 한다.
- 101: 차광상자(dark shield box)
태양전지가 형성(fabrication)되어 있는 웨이퍼(100)의 정확한 품질 측정을 위해 외부의 방해조건(빛 등)을 차단하는 역할을 한다.
- 103: 내측 차광상자
투과형 PL 방식으로 태양전지(100)를 측정할 경우에 태양광 시뮬레이터에 의해 난반사하는 빛을 차단하는 역할을 한다.
- 105, 107: 출입문(gate)
차광상자(101) 내에서 측정 대상 태양전지(100)를 측정할 수 있도록 측정 대상을 차광상자(101) 내로 반입 및 반출하기 위한 통로로서, 기능적으로, 측정 대상이 차광상자(101) 내로 들어가고 나갈 때에만 열리고, 측정 과정 중에는 닫혀서 내외부의 광원을 차단하도록 설계된다.
- 109: 이송장치
차광상자(101) 외부에 있는 태양전지 셀을 차광상자(101) 내의 측정 위치로 이송시키고, 측정 후에는 차광상자(101) 밖으로 방출하여 차광상자(101) 밖에 있는 분류기(sorter)(108)로 보내어 셀의 양부 결과에 따라 분류하도록 하는 장치의 일부이다. 이송장치를 직선 운동시키는 모터 메커니즘(도시하지 않음)이 포함된다.
- 111: 이동 작업대(moving stage)
이송장치(109)의 위에 올려져 피측정 대상인 태양전지 셀(100)을 이송시키면서 측정 작업을 할 수 있도록 하는 작업대로서, 태양광 시뮬레이터의 광이 측정 대상(태양전지 셀)을 투과하도록 하여 CCD 카메라로 이 투과광이 만드는 영상을 검출할 수 있도록 광 투과 재질로 제작한다.
- 113: 광원(Light Source)
태양전지의 전기적 특성(JSC, VOC, FF, 변환효율)을 측정하는 태양광 시뮬레이터의 일부를 구성하는 광원이며, 이와 동시에 투과광/반사광 영상 검출을 위한 가시광선/근적외선 광원이다. 이 광원은, 일반적으로 AM 1.5G 광원으로 가시광(380~780nm)/근적외선(750~2500nm) 대역의 빛을 방출한다.
- 115: 셔터
광원(113)의 빛이 태양전지(100) 위에 조사되도록 하거나 차단되도록 하는 역할을 한다.
- 117: IR 차단 필터
PL(photoluminescence)(투과광, 반사광) 방식 측정시에, 이들 투과광·반사광의 파장과 태양광 시뮬레이터 광원의 파장이 간섭하지 않도록 태양광 시뮬레이터의 광원에서 IR 영역대의 빛을 차단하는 역할을 한다.
- 119a, 119b: 가시광/근적외선 카메라(Visible/Near Infrared CCD Camera)
가시광(300~800nm)/근적외선(800~1800nm) 대역의 빛을 측정할 수 있는 카메라로서, 본 발명에서는 투과광/반사광/전계발광을 검출하여 미세균열 및 기타 결함, 손상 등을 확인 하기 위한 용도로 사용한다. 도 3에서는, 측정 대상 태양전지(100)의 상부에 위치하여 태양전지의 하부 전극에서 반사되는 광이 만드는 영상을 검출하는 반사광 검출 카메라(119a)와, 태양전지(100)의 하부에 있는 내측 차광상자(103) 내에 위치하여 태양전지(100)를 투과한 광이 만드는 영상을 검출하는 투과광 검출 카메라(119b)가 별도로 설치된다.
- IR 통과 필터(도시하지 않음)
한편, PL(photoluminescence)(투과광, 반사광) 방식 측정시에, 투과광과 반사광은 주로 근적외선인 NIR(near infra-red)대역이고, 태양광 시뮬레이터의 광원에서 조사되어 상기 IR 차단 필터(117)로 걸러진 단파장(주로 가시광)이 태양전지 시료에 조사되면, 이 두 다른 파장(여기광원인 가시광 대역과 PL 광원인 근적외선 대역)이 섞여서 카메라(119a, 119b)에 검출되지 않기 때문에, 태양전지로부터 나오는 PL 투과광과 PL 반사광만 검출되도록 하기 위해서 카메라(119a, 119b)의 렌즈에 IR 통과 필터를 장착한다.
- 121: I-V 커브 추적기 (I-V curve tracer)
외부에서 전류 또는 전압을 4점 프로브(4-point probe) 방식으로 태양전지 셀(100)에 인가하여 I-V 특성을 검출함으로써 태양전지 셀(100)의 개방전압, 단락전류, 변환 효율, 양자효율을 측정 할 수 있도록 하며, EL(전계발광) 방식 측정을 위해 태양전지에 외부 전압을 인가하는 장치이다.
장비 제어 및 분석용 컴퓨터(도시하지 않았음)
도 2의 프로세스 및 도 3의 측정 장치를 제어하는 역할을 하는 것으로, 대략, 가시광/근적외선 광원, 지지대 위치, 근적외선 카메라 등의 전체 장치를 기계적으로 제어하고, 외부전원장치 및 카메라를 통해 들어온 정보를 사용자가 볼 수 있도록 화면에 표시하고, 영상을 소프트웨어적으로 처리하여 분석 및 판단한 후, 순수 영상 및 처리된 영상, 분석된 결과들을 저장 및 출력하는 장치이다.
냉각팬(도시하지 않았음)
태양전지의 표준테스트조건(STC: Standard test condition)인 25℃에서 측정을 하기 위해, 차광상자 내부에 냉각팬으로 공기순환을 하고, 열전쌍(thermocouple)과 온도컨트롤러를 이용하여 정확한 온도를 제어하는 역할을 한다.
이상의 요소로 구성되는 본 발명에 따른 태양전지 셀(100)의 품질을 측정하는 장치의 작용에 관하여 설명한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 측정 방식 별로 구분하여 설명하기로 한다.
1. 반사광을 이용한 측정 (반사형 PL 방식)
이때는 광원(113), 반사광 검출 카메라(119a), I-V 커브 추적기(121)를 이용한다. 즉, 반사광 검출 카메라(119a)는 AM 1.5G 광원을 가리지 않는 위치에 고정되고(도 3의 실선으로 묘사된 상태), 셔터(115)가 열리고 IR 차단 필터(117)는 사용 상태에 있게 된다.
AM 1.5G 광원(113)에서 나온 빛은 태양전지(예컨대, 일반 실리콘 결정질 태양전지)(100)의 후면 전극에서 광유도 반사되는데, 이 반사광을 가시광선/근적외선 카메라(119)(가령, CCD 카메라)로 검출하여 미세균열, 결함, 열점, 전극불량, 소수운반자 지속시간 등을 측정한다. 이와 동시에, I-V 곡선 추적기(121)의 소스계측기(source meter)를 이용하여 개방전압, 단락전류, 변환효율, 곡선인자, 직류저항, 분류저항, 변환효율을 측정한다.
2. 투과광을 이용한 측정(투과형 PL 방식)
이때는 광원(113), 투과광 검출 카메라(119b), I-V 커브 추적기(121)를 이용한다. 이 때에도 AM 1.5G 광원을 태양전지에 조사해야 하므로, 상부에 있는 반사광 검출 카메라(119a)가 AM 1.5G 광원(113)을 가리지 않는 위치에서 고정되고(도 3의 실선으로 묘사된 상태), 셔터(115)를 열어 IR 차단 필터(117)가 사용 상태에 있도록 한다.
이 상태에서 AM 1.5G 광원(113)에서 나온 빛이 태양전지(예컨대, 고효율HIT셀, IBC셀)(100)를 투과하면 하부에 있는 투과광 검출 카메라(119b)가 이 투과광이 만드는 영상을 검출하여 미세균열, 결함, 열점 등을 검출한다. 이 때에도, 동시에, I-V 곡선 추적기(121)의 소스계측기(source meter)를 이용하여 개방전압, 단락전류, 변환효율, 곡선인자, 직류저항, 분류저항, 변환효율을 측정한다.
이상의 PL 방식의 원리는 태양전지(100)의 고체 조직 외부에 광 에너지가 큰 단파장 광원을 조사하면 태양전지 내부의 전자들이 여기상태(excite state)로 되었다가 다시 안정된 상태로 돌아오면서 가지고 있던 에너지를 빛의 형태로 방출하게 된다(광유도 발광). 이 광유도 발광(PL)의 세기(intensity)는 운반자 확산거리(carrier diffusion length)와 비례하며, 태양전지 표면의 미세 균열이나 손상된 부분에서 나오는 광유도 발광 패턴과 정상적인 광유도 발광 패턴을 비교 측정함으로써, 태양전지 조직의 결함을 분석해낼 수 있는 것이다.
3. 전계발광을 이용한 측정(EL 방식)
이 때는 태양광 광원(113)을 사용하지 않고, 반사광 검출 카메라(119a), 투과광 검출 카메라(119b), I-V 커브 추적기(121)를 이용한다. AM 1.5G 광원(113)을 사용하지 않기 때문에 셔터(115)를 닫고 IR 차단 필터(117)가 불사용 상태에 있게 하고, 상부에 있는 반사광 검출 카메라(119a)의 위치를 옮겨서 수직 하방으로 태양전지(100)를 바라볼 수 있도록 광원(113)의 바로 아래에 위치시킨다(도 3의 점선으로 묘사된 상태). 이 상태에서 I-V 곡선 추적기(121)로부터 태양전지(100)의 고체 조직 외부에 전기장을 인가하면, 태양전지 내부의 전자들이 여기상태(excite state)로 되었다가 다시 안정된 상태로 돌아오면서 가지고 있던 에너지를 빛의 형태로 방출하게 된다(전계발광). 이 전계발광의 세기(intensity)는 운반자 확산거리(carrier diffusion length)와 비례하는바, 태양전지 표면의 미세 균열이나 손상된 부분에서 나오는 전계발광 패턴과 정상적인 전계발광 패턴을 비교 측정함으로써, 태양전지 조직의 결함을 분석해낼 수 있다.
101: 차광상자(dark shield box), 103: 내측 차광상자, 105, 107: 출입문(gate), 109: 이송장치, 111: 이동 작업대(moving stage), 113: 광원(Light Source), 115: 셔터, 117: IR 차단 필터, 119a, 119b: 가시광/근적외선 카메라(Visible/Near Infrared CCD Camera), 121: I-V 커브 추적기 (I-V curve tracer)
Claims (14)
- 태양전지 제조 공정시의 태양전지 품질을 측정하는 방법으로서,
태양광을 모사하는 기준 광원을 태양전지에 조사하여 출력되는 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 과정,
상기 기준 광원을 태양전지에 조사하여 발생하는 투과유도발광 및 반사유도발광이 형성하는 영상을 검출하여 태양전지의 제1 물리적 특성을 측정하는 과정,
태양전지에 전기장을 인가함으로써 태양전지에서 발생하는 전계발광에 의해 형성되는 영상을 검출하여 태양전지의 제2 물리적 특성을 측정하는 과정을 포함하는 태양전지 품질 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 전기적 특성 측정 과정에는,
태양전지의 전기적 특성을 측정하기 위하여 필요한 전압, 전류, 신호를 태양전지의 전극에 인가하는 과정이 추가로 포함되는 태양전지 품질 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 물리적 특성 측정 과정에는,
상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광을 검출하는 제1 영상 검출 과정과,
상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 투과유도 발광을 검출하는 제2 영상 검출 과정이 포함되는 태양전지 품질 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제2 물리적 특성 측정 과정에는, 상기 기준 광원이 태양전지에 조사되지 않도록 차단하는 과정이 추가로 포함되는 태양전지 품질 측정 방법.
- 태양전지 제조 공정시의 태양전지 품질을 측정하는 장치로서,
태양광을 모사하는 기준 광원을 태양전지에 조사하여 태양전지의 전기적 특성을 측정하는 수단,
상기 기준 광원을 태양전지에 조사하여 발생하는 투과유도발광 및 반사유도발광에 의해 형성되는 영상을 영상 검출 수단으로 검출하여 태양전지의 제1 물리적 특성을 측정하는 수단,
태양전지의 해당 전극에 전기장을 인가함으로써 태양전지에서 발생하는 전계발광에 의해 형성되는 영상을 영상 검출 수단으로 검출하여 태양전지의 제2 물리적 특성을 측정하는 수단을 포함하는 태양전지 품질 측정 장치. - 제5항에 있어서, 상기 전기적 특성 측정 수단에는,
태양전지의 전기적 특성을 측정하기 위하여 필요한 전압, 전류, 신호를 태양전지의 해당 전극에 인가하고, 태양전지로부터 나오는 신호를 받아들이는 I-V 곡선 추적기가 포함되는 태양전지 품질 측정 장치. - 제5항에 있어서, 상기 제1 물리적 특성 측정 수단의 영상 검출 수단은,
상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광에 의해 형성되는 영상을 검출하는 제1 영상 검출기와, 상기 기준 광원에 의해 태양전지에서 발생되는 투과유도 발광에 의해 형성되는 영상을 검출하는 제2 영상 검출기가 포함되는 태양전지 품질 측정 장치. - 제5항에 있어서, 상기 제2 물리적 특성 측정 수단에는, 상기 기준 광원이 태양전지에 조사되지 않도록 차단하는 셔터가 포함되는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 기준 광원은 가시광선 및 근적외선을 방출하는 광원인 것을 특징으로 하는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제2 영상 검출기는 외부의 빛과 차단되는 차광상자 속에 설치되는 것을 특징으로 하는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 태양전지에서 발생되는 반사유도 발광 및 투과유도 발광의 파장이 상기 기준 광원의 파장과 간섭하지 않도록, 상기 기준 광원의 광 성분 중 IR 영역대의 광이 태양전지에 조사되지 않도록 차단하는 IR 차단 필터가 추가로 포함되는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 영상 검출 수단은 가시광 및 근적외선 영상을 검출하는 카메라인 것을 특징으로 하는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제12항에 있어서, 태양전지로부터 나오는 투과유도 발광과 반사유도 발광만이 검출되도록 하기 위해서 상기 영상 검출 수단에 IR 통과 필터가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 품질 측정 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 I-V 곡선 추적기는 태양전지의 제2 물리적 측정 수단에서 태양전지가 전계발광을 하도록 태양전지의 해당 전극에 전기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 품질 측정 장치.
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