KR101444567B1 - 레이어 스택의 층의 적어도 일부 영역을 제거하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본원은 레이어 스택(1)에서 적어도 1개의 반도체 층(4)의 특정 영역을 제거하는 방법에서, 광학적으로 조밀한 층(3)을 가열하여 그 위에 배치된 반도체 층을 박리하는 단계를 제공한 것이다.
Description
본 발명은 레이어 스택(layer stack)에서 적어도 1개의 반도체 층의 적어도 일부 영역을 제거하는 방법에 관한 것이다.
박막 태양전지는 서로 다른 층들로 구성되며, 그에 따라 1개의 레이어 스택을 형성하는 것으로 알려져 있다. 전기 전도층(electrically conductive layer)은 일반적으로 광학적으로 투명한 기판에 인가되며, 반도체 층이 상기 전기 전도층에 배치된다. 다른 전기 전도층은 최상층으로 제공된다.
박막 태양전지는 처리과정에서 형성되어야 한다. 제조는 예를 들어 구리 인듐 셀레늄(CIS) 또는 구리 인듐 갈륨 셀레늄(CIGS) 전지의 경우, 기계적 스타일러스(stylus) 또는 피코초(picosecond: PS) 레이저로 수행된다. 이 처리단계는 일반적으로 위로부터 즉, 상부 전기 전도층에서부터 시작하여, 수행된다. 이것은 도1에 기초하여 설명될 것이다.
도1은 예를 들어 몰리브덴으로 제조된 전기 전도층(3)(금속화 층)이 그 위에 배치되는 유리 기판(2)을 포함하는 레이어 스택(1)을 나타낸다. 반도체 층(4)은 예를 들어 구리 인듐 셀레늄(CIS) 또는 구리 인듐 갈륨 셀레늄(CIGS) 층에 인가된다. 예를 들어 투명한 전도성 산화물(TCO) 층의 다른 전기 전도층(5)은 반도체 층(4)에 인가된다. 도면번호 '6'은 채널을 생성하거나 스크라이빙(scribing) 용으로 사용될 수 있는 기계적 스타일러스를 지칭한다.
직렬로 상호 연결될 수 있는 기판 상에 복수의 개별적인 태양전지를 생성하도록, P2 스크라이빙 트랙으로 알려진 것을 인가하며, 그것은 층(4)이 특정 영역에서 제거되었음을 뜻한다. 상기 층(4)에 층(5)(앞 접촉면)이 인가된 다음, 층(3)(뒷 접촉면)에 대한 전기적 접속을 확립한다. 그 후, P3 스크라이빙 트랙이 층(4, 5)의 특정 영역을 제거하여 도입된다. 이 단계는 각각의 전지를 분리할 수 있다. 이 지점에서는 층(3, 5) 사이의 전기적 접속은 일어나지 않는다.
기계적 스타일러스를 사용할 때의 문제는 이 스타일러스가 비교적 넓은 트랙 만을 도입할 수 있고, 스타일러스가 마모될 수 있다는 것이다. 또한, 이 방법은 비교적 느리다.
선택적으로 또는 추가하여, 도면번호 '7'로 나타낸 바와 같은 피코초 레이저에 의한 구조형성(structuring)(스크라이빙 트랙 도입)을 실행할 수 있다. 그런데, 피코초 레이저는 매우 비싼 것이다.
종래 기술에 따라, 양측(both) 구조형성 방법은 위로부터 즉, 기판(2)과 대면하는 측의 반대편 측에서부터 실행된다. 특히, 레이저에 의한 구조형성의 결과로, 전기 전도층(5)이 용해되어 구조물의 가장자리에서 아래로 흐를 수 있다. 또한, 반도체 층(4)의 전기 전도도는 양측이 함께 영향을 받아서 전기 전도층(3)의 단락(short circuit)을 일으킬 수 있는 열효과로 인해 열 영향을 받는 지대의 내측에서 현격하게 증가한다. 이런 일은 가능한 막아야 한다.
구조형성, 즉 기계적 스타일러스 또는 피코초 레이저에 의한 트랙의 도입에 더하여, 일반적으로 가장자리 삭제(edge deletion)로 알려진, 말하자면 태양전지의 가장자리에서의 분리(isolation)가 실행된다. 이것은 예를 들어 독일 DE 199 644 43 B4에 설명되어 있다.
EP 2 083 445A1은 광전지 모듈(photovoltaic module)을 제조하기 위한 방법을 공개하였다. 직렬로 상호 연결된 전지를 형성하기 위해 투명한 베이스 전극층, 반도체 층 및 뒷면 전극 층이 적외선을 방출하는 레이저를 사용하여 분할선으로 형성된다. 반도체 층과 뒷면 전극 층은 기판 측으로부터 시작하여 투명한 앞면 전극을 통해 반도체 층과 뒷면 전극 층으로 레이저 광을 전도하여 형성된다.
EP 1 727 211A1은 박막 태양전지를 형성하는 방법을 기재하였다. 제1전력을 가진 레이저 광을 사용하여, 반도체 층과 그 위에 배치된 뒷면 전극 층이 투명한 기판과 그 위에 배치된 투명한 앞면 전극을 통해, 제거되는 반도체 층과 뒷면 전극 층으로 레이저 광을 전도하여 제거된다. 제2전력을 가진 레이저 광을 사용하여, 기판에 배치된 층이 투명한 층을 통해, 제거되는 레이어 스택에 레이저 광을 전도하여 제거된다.
DE 20 2008 005 970 U1은 박막 태양전지에서 레이저 방사선에 의한 유리 층을 제거하기 위한 장치를 게시했으며, 여기서는 레이저가 공진기의 Q-스위칭에 의한 쇼트 펄스를 발생하며 레이저 방사선에 의한 초점이 층에서 발생하고, 이들이 장치를 작동시켜 유지되어, 평탄한 제거(planar ablation)를 이룬 것이다.
본 발명의 목적은 간단하면서 저렴한 비용이 드는 방식으로 레이어 스택에서 1개 이상의 층의 일부 영역을 제거하는데 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 상기 방법을 태양전지에 적용했을 때, 발생할 수 있는 전기 전도층 사이의 단락의 형성을 방지하는 것이다.
본 발명의 목적은 레이어 스택에서 적어도 1개의 반도체 층의 적어도 일부 영역을 제거하는 방법에 의해 달성된다. 본원의 목적을 위해, 광학적으로 조밀한 금속화 층(optically dense metallization layer)이 그 위에 배치된 반도체 층의 제거되는 영역을 바람직하게 가열하며, 상기 금속화 층은 양호하게 그 위에 배치되는 반도체 층의 적어도 1개의 구성요소보다 높은 열 전도도 및/또는 높은 비등점을 갖는다.
예를 들어, 1트랙이 반도체 층에 도입된다면, 즉 반도체 층이 제거된다면, 광학적으로 조밀한 반도체 층이 이 트랙의 코스를 따라 가열된다. 광학적으로 조밀한 금속화 층을 가열하여, 그 위에 배치된 낮은 비등점의 반도체 층을 가진 적어도 1개의 구성요소를 증발시켜, 반도체 층과 상기 반도체 층 위에 배치된 선택된 층을 제거한다. 만일, 반도체 층이 CIS 또는 CIGS 층이면, 그것은 반도체 층 내의 셀레늄(비등점: 684.6℃, 열전도도 2w/mK)이 그 아래에 배치된 금속화 층을 가열하여 증발시키기에 충분할 것이다. 그러나, 반도체 층의 추가 구성요소를 증발시키는 것도 고려해 볼 수 있다. 일반적으로, 반도체 층의 1개의 구성요소 만을 증발시키기에 충분하여, 반도체 층과 그 위에 배치될 수 있는 층의 나머지 구성요소의 박리(spalling)를 일으킨다. 기본적으로, 반도체 층 및 선택적으로 그 위에 배치된 층의 국부적인 박리현상이, 반도체 층의 특정 구성요소의 증발 없이, 광학적으로 조밀한 층과 반도체 층 사이의 온도 차이의 결과로서 발생하도록, 광학적으로 조밀한 층을 가열하는 것도 고려해 볼 수 있다.
반도체 층 또는 그 위에 배치되는 층의 이런 방식의 제거는 균열된 가장자리(cracked edges)를 발생한다. 따라서, 태양전지의 제1금속화 층인 광학적으로 조밀한 금속화 층과, 커버 전극 층(반도체 층 위에 배치되는 전기 전도층; 태양전지의 앞면 접촉부) 사이의 단락의 위험이 감소된다.
특히, 광학적으로 조밀한 금속화 층이 반도체 층과 대면하는 측의 반대편 측에서부터 가열하는 것이 바람직하다. 따라서, 반도체 층에 배치된 전기 전도층(커버 전극 층)이 용해되는 것을 방지할 수 있고, 광학적으로 조밀한 금속화 층의 단락 생성을 막을 수 있다. 광학적으로 조밀한 금속화 층은 몰리브덴 층(비등점: 4639℃, 열전도도 : 138w/mK)으로 설계될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 광학적으로 조밀한 금속화 층이 하나 이상의 광학적으로 투명한 층(optically transparent layer)을 통해 가열된다. 예를 들면, 광학적으로 조밀한 금속화 층이 유리 기판에 배치되며, 상기 유리 기판을 통해 가열될 수 있다. 광학적으로 투명한 층에 더하여, 추가 투명 층, 특히 접착 촉진 층 또는 확산 방지막이 광학적으로 조밀한 금속화 층 밑에 제공될 수 있다. 예를 들어 몰리브덴 층으로 설계될 수 있는 광학적으로 조밀한 금속화 층이 또한 이들 층을 통해 가열될 수도 있다.
이것은 특히 가열이 레이저에 의해 일어날 때 바람직하다. 그에 따라서 특히 간단히 광학적으로 투명한 층을 통한 가열이 실행된다.
종래 기술이 비용이 매우 많이 드는 피코초 레이저를 사용할 필요가 있는 것임에 비해, 본 발명에 따르는 가열은 나노초(nanosecond) 레이저에 의해 실행된다. 1㎛의 범위의 적외선 레이저를 사용할 수 있다. 이 레이저는 피코초 레이저보다 상당히 저렴한 것이다.
다른 이점은 가열을 펄스 레이저로 할 때 달성된다. 그에 따라서는 에너지의 적용이 잘 계량될 수 있다. 특히, 광학적으로 조밀한 층의 반점형 가열(punctiform heating)을 할 수 있다. 따라서, 박리된 제2층의 팽창이 특히 잘 제어될 수 있다.
바람직하게, 레이저 빔은 사각 또는 둥근 횡단면을 가진 광학 광 가이드(optical light guide)에 의해 레이어 스택에 투사된다. 이런 방식은 트랙이 특히 잘 한정된 레이어 스택에 도입되게 한다.
또한, 광학적으로 조밀한 층을 가열하여 증발할 수도 있다. 물론 광학적으로 조밀한 층이 증발하기 전에, 그 위에 배치된 반도체 층은 증발할 것이다. 광학적으로 조밀한 층의 증발은 태양전지, 특히 박막 태양전지의 가장자리 삭제를 수행할 때 유익하다.
특별한 이점은 본 발명에 따른 방법이 태양전지의 가장자리를 없앨 때나 태양전지 특히 박막 태양전지를 형성하는데 사용할 때 달성된다.
본 발명의 다른 특징과 이점을 첨부도면에 기초하여 설명되는 실시예를 통해 나타내면 다음과 같다. 첨부도면에 나타낸 본 발명을 도시한 도면은 실제 치수가 아니며, 본 발명에 따른 다양한 특징이 명료하게 나타나게 도시한 것이다. 또한, 본 발명은 본원의 여러 특징부분을 개별적으로 변형하거나 이들을 조합하여 다른 특징을 구현할 수 있는 것이다.
도1은 종래 기술로부터의 방법에 따라 형성된 레이어 스택을 나타낸 도면이다.
도2는 레이어 스택의 표면이 레이어 스택의 뒷면으로부터 시작하게 형성된 레이어 스택을 나타낸 도면이다.
도3은 가장자리 삭제가 실행된 레이어 스택을 나타낸 도면이다.
도2는 레이어 스택의 표면이 레이어 스택의 뒷면으로부터 시작하게 형성된 레이어 스택을 나타낸 도면이다.
도3은 가장자리 삭제가 실행된 레이어 스택을 나타낸 도면이다.
도2는 광학적으로 투명한 기판(2)을 포함하는 레이어 스택(1)을 나타낸 도면이다. 기판(2)상에는 예를 들어 몰리브덴으로 제조된 광학적으로 조밀한 층(3)이 배치된다. 상기 층(3)은 전기 전도층, 특히 금속화 층이다. 예를 들어 CIGS로 제조된 반도체 층(4)이 광학적으로 조밀한 층(3)상에 배치된다. 예를 들어 TCO로 제조된 다른 전기 전도층(5)(커버 전극 층)이 층(4)상에 인가된다.
상기 층(4, 5)은 영역(10)에서 제거되었다. 특히, 여기에 P3-구조로 알려진 파트로 트랙이 도입된다. 이 구조는 투명한 기판(2)을 통한 금속화 층의 국부적인 가열을 수행하여 이루어지며, 상기 금속화 층은 광학적으로 조밀한 층(3)이다. 가열은 특히 여기에서는 셀레늄인 반도체 층(4)의 구성요소가 증발되도록 수행되었다. 이것은 레이어 스택의 일부 부분, 즉 층(4, 5)이 영역(10)에서 박리되게 한다. 나노초 레이저를 사용하여 광학적으로 조밀한 층(3)을 가열한다. 이것은 도면번호 '11'로 나타내었다.
도3은 레이어 스택(1)을 다시 나타낸 도면이다. 층(4, 5)은 영역(15)에서 제거되었고, 광학적으로 조밀한 층(3)은 영역(16)에서 제거되었다. 층(4, 5)은 트랙이 도2의 영역(10)에 도입되는 방식과 동일한 방식으로 영역(15)에서 제거되었으며, 상기 방식은 광학적으로 조밀한 층(3)이 나노초 레이저(11)에 의해 가열되어, 예를 들어 셀레늄인 층(4)의 구성요소가 층(4)에서 증발되어, 층(4, 5)이 영역(15)에서 박리되는 방식이다. 양호하게 형성된 분열된 가장자리(17)는 상기 과정에서 생성되었다.
영역(16)에서 광학적으로 조밀한 층(3)을 제거하기 위해서, 영역을 광폭 레이저(18)로 지칭된 높은 레이저 전력으로 가열하여 층(3)을 용해하고, 증발시킨다. 가장자리 삭제는 이런 방식으로 실행된다.
도2 및 도3에 나타낸 바와 같이, 다른 층의 삭제는 다른 전력으로 작동되는 동일한 레이저를 사용하여 결과를 달성할 수 있다. 예를 들면, 도2에 도시한 바와 같이, 임의의 레이저가 낮은 백분율의 전력으로만 작동하여 구조를 형성할 수 있다. 상기 레이저는 예를 들어 약간 더 높은 전력 범위에서 작동하여 도3에서 영역(15)으로 나타낸 바와 같이 광학적으로 조밀한 층(3)을 노출시킬 수 있다. 그러나, 추가로 광학적으로 조밀한 층(3)을 제거하는 경우, 레이저는 그 최대 전력의 고 백분율로 작동할 수 있다. 따라서, 다른 층의 삭제가 레이저의 전력에 따르는 단일 층 만을 사용하여 달성할 수 있다.
도2 및 도3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 이점은 특히 태양전지의 제조 시에 발견되며, 특별하게는 태양전지의 구조형성 및 가장자리의 제거 시에 발견된다.
Claims (11)
- 레이어 스택(1)에서 적어도 1개의 반도체 층(4)의 적어도 일부 영역을 제거하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
레이저(11, 18)를 사용하여 광학적으로 조밀한 금속화 층(3)을 가열하여서 그 위에 배치된 반도체 층을 박리하는 단계를 포함하며;
상기 광학적으로 조밀한 금속화 층(3)은 반도체 층(4)과 대면하는 측의 반대편 측에서부터 가열되며;
상기 광학적으로 조밀한 금속화 층(3)을 가열하여, 상기 금속화 층 위에 배치된 반도체 층(4)의 적어도 1개의 구성요소를 증발시키며, 상기 구성요소는 저 열전도도 또는 저 비등점을 갖는 것을 특징으로 하는 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 광학적으로 조밀한 금속화 층(3)은 1개 이상의 광학 투명 층(2)을 통해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 가열은 나노초 레이저(11, 18)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열은 펄스 레이저(11, 18)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔은 사각 또는 둥근 횡단면을 가진 광학 광 가이드에 의해 레이어 스택(1)에 투사되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적으로 조밀한 금속화 층(3)을 가열하여 증발시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 태양전지의 가장자리의 제거가 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 태양전지의 구조형성이 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 삭제
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