KR101892912B1 - 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 고속 레이저 스캐닝 시스템 - Google Patents
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Abstract
태양 전지 제조중에 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 다각형 미러와 빔 성형기를 사용하는 레이저 스캐닝 장치가 제공된다. 상기 장치는 배면 전기 콘택트 형성중에 태양 전지의 배면 측 패시베이션 층에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 태양 전지의 배면 전기 콘택트의 형성 속도를 향상시키기 위해 다각형 미러의 사용을 포함한다. 상기 장치는 레이저 드릴링 작업들 중에 하부의 태양 전지 기판에 대한 손상을 방지하기 위해 빔의 프로파일을 조정하는 빔 성형기의 사용을 또한 포함할 수 있다. 기판들 상에 배치된 물질 층들의 레이저 드릴링을 위해 폐루프 방식으로 레이저 스캐닝 장치의 작동과 기판들의 선형 운동의 속도 및 타이밍을 제어하는 레이저 스캐닝 모듈이 제공된다.
Description
본 발명의 실시예들은 일반적으로 태양 전지를 제조하는 동안 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들을 레이저 드릴링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 장치는 개선된 레이저 드릴링 속도를 위한 다각형 미러를 포함한다. 또한, 상기 장치는 드릴링 작업들 중에 하부의 태양 전지 기판의 손상을 방지하기 위한 빔 성형기를 포함할 수 있다.
태양 전지들은 태양광을 전력으로 직접 변환하는 광전지 디바이스들이다. 가장 일반적인 태양 전지 물질은 때때로 웨이퍼들로서 지칭되는 단결정 또는 다결정 기판들의 형태로 된 실리콘이다. 전기를 발생시키기 위해 실리콘 기반의 태양 전지들을 형성하는 상각후 원가(amortized cost)가 전통적인 방법을 사용하여 전기를 발생시키는 비용보다 더 높기 때문에, 태양 전지들을 형성하는데 필요한 비용을 절감하기 위한 노력이 있었다.
오늘날 널리 사용되고 있는 하나의 태양 전지 디자인은 정면 또는 수광면 부근에 형성된 p/n 접합을 가지며, 상기 p/n 접합은 태양 전지에서 빛 에너지가 흡수될 때 전자/전공 쌍들(electron/hole pairs)을 발생시킨다. 이러한 종래의 디자인은 태양 전지의 전면 측에 제 1 세트의 전기 콘택트들을 갖고, 태양 전지의 배면 측에 제 2 세트의 전기 콘택트들을 갖는다. 태양 전지의 배면 측에 제 2 세트의 전기 콘택트들을 형성하기 위해서는, 도전층이 하부의 태양 전지 기판에 접촉할 수 있도록 태양 전지 기판의 배면 측을 덮는 패시베이션 층에 홀들을 형성하여야 한다.
단일의 태양 전지 기판 상에는 통상적으로 100,000개를 초과하는 접촉점들(즉, 배면 측 패시베이션 층에 형성된 홀들)이 필요하다. 태양 전지의 배면 측 패시베이션 층에 홀들을 형성하는 종래의 해법들은 태양 전지 기판을 가로질러 레이저 빔을 조종하기 위해 갈바노미터 시스템의 사용을 포함한다. 그러나, 이러한 종래의 시스템들은 약 20m/s의 속도들로 제한된다. 따라서, 종래의 해법들은 종래의 태양 전지들을 생산하기 위해 상당한 시간을 필요로 한다. 또한, 종래의 레이저 시스템들을 사용하면, 패시베이션 층에 홀들을 드릴링하는 동안 하부의 태양 전지 기판에 대한 손상을 방지하기 어렵다.
따라서, 태양 전지 기판의 패시베이션 층에 홀들을 드릴링하기 위한 개선된 방법들 및 장치가 필요하다.
본 발명의 일 실시예에서, 태양 전지 기판의 표면에 전자기 방사선을 전달하기 위한 장치는, 복수의 반사면들과 회전축을 가진 다각형 미러, 상기 회전축에 대해 상기 다각형 미러를 회전시키도록 구성된 액추에이터, 상기 다각형 미러의 반사면들 중 적어도 하나에 대해 전자기 방사선을 지향시키도록 배치된 레이저 소오스, 및 기판 지지면을 가진 기판 위치결정 디바이스를 포함하며, 상기 기판 위치결정 디바이스는 상기 다각형 미러의 반사면들로부터 반사된 전자기 방사선을 수용하기 위해 기판을 위치결정하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 레이저 스캐닝 모듈은, 다각형 미러를 포함하고, 상기 다각형 미러에 의해 반사된 전자기 방사선의 펄스들을 기판의 표면을 가로지르는 제 1 방향으로 스캐닝하도록 구성된 레이저 스캐닝 디바이스, 상기 전자기 방사선의 펄스들이 상기 기판을 향해 지향되는 동안, 상기 제 1 방향에 대해 실질적으로 직교하는 제 2 방향으로 상기 기판을 선형적으로 반송하도록 구성된 기판 위치결정 시스템, 상기 기판이 상기 레이저 스캐닝 디바이스를 향하여 상기 제 2 방향으로 움직일 때, 상기 기판의 선단 에지를 검출하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서들, 및 상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서들로부터 수신된 신호들에 기초하여 상기 기판 위치결정 시스템과 상기 레이저 스캐닝 디바이스의 작동을 제어하도록 구성된 시스템 컨트롤러를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 태양 전지 기판의 표면에 전자기 방사선을 전달하는 방법은, 회전축을 중심으로 복수의 반사면들을 가진 다각형 미러를 회전시키는 단계, 기판을 제 1 방향으로 반송하는 단계, 및 상기 다각형 미러가 상기 회전축을 중심으로 회전할 때, 상기 복수의 반사면들에 대해 전자기 방사선의 펄스들을 전달하는 단계를 포함하며, 상기 전달되는 전자기 방사선의 소정 양이 상기 복수의 반사면들로부터 상기 기판의 표면을 향하여 반사되고, 상기 반사된 전자기 방사선이 상기 제 1 방향에 대해 직교하는 제 2 방향으로 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝된다.
본 발명의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로 앞서 간략히 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 본원에 기술된 장치 및 방법들을 사용하여 형성될 수 있는 태양 전지의 단면도를 도시한다.
도 2는 본원에 기술된 실시예들에 따른 레이저 스캐닝 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본원에 기술된 실시예들에 따른 레이저 스캐닝 모듈의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본원에 기술된 실시예들에 따른 기판 위치결정 시스템 상에 배치된 기판의 개략적인 평면도이다.
도 5는 본원에 기술된 실시예들에 따라 빔을 전파하는 레이저 스캐닝 장치의 개략도이다.
도 6은 본원에 기술된 실시예들에 따라 빔 성형이 전혀 수반되지 않는, 빔의 가우시안(Gaussian) 강도 프로파일의 개략도이다.
도 7은 본원에 기술된 실시예들에 따라 빔 성형이 수반되는, 빔의 강도 프로파일의 개략도이다.
도 1은 본원에 기술된 장치 및 방법들을 사용하여 형성될 수 있는 태양 전지의 단면도를 도시한다.
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도 7은 본원에 기술된 실시예들에 따라 빔 성형이 수반되는, 빔의 강도 프로파일의 개략도이다.
본 발명의 실시예들은 태양 전지 제조중에 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 다각형 미러와 빔 성형기를 사용하는 레이저 스캐닝 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 상기 장치는 배면 전기 콘택트 형성중에 태양 전지의 배면 측 패시베이션 층에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 사용된다. 상기 장치는 태양 전지의 배면 전기 콘택트의 형성 속도를 향상시키기 위해 다각형 미러의 사용을 포함한다. 상기 장치는 레이저 드릴링 작업들 중에 하부의 태양 전지 기판에 대한 손상을 방지하기 위해 빔의 프로파일을 조정하는 빔 성형기의 사용을 또한 포함할 수 있다. 또한, 기판들 상에 배치된 물질 층들의 효율적인 레이저 드릴링을 제공하기 위해 폐루프 방식으로 레이저 스캐닝 장치의 작동과 기판들의 선형 운동의 속도 및 타이밍을 제어하는 레이저 스캐닝 모듈이 제공된다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "레이저 드릴링"은 일반적으로 레이저 프로세스들을 사용하여 물질의 적어도 일부를 제거하는 것을 의미한다. 따라서, "레이저 드릴링"은 기판 상에 배치된 물질 층의 적어도 일부를 삭마하는 것, 예컨대, 기판 상에 배치된 물질 층을 관통하는 홀을 삭마하는 것을 포함할 수 있다. 또한, "레이저 드릴링"은 기판 물질의 적어도 일부를 제거하는 것, 예컨대, 기판에 비관통 홀(블라인드 홀) 또는 기판을 관통하는 홀을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 본원에 기술된 장치 및 방법들을 사용하여 형성될 수 있는 태양 전지(100)의 단면도를 도시하고 있다. 태양 전지(100)는, 태양 전지 기판(110)의 전면(105) 상에 패시베이션/ARC(반사 방지 코팅) 층 스택(120)을 갖고 태양 전지 기판의 배면(106) 상에 배면 패시베이션 층 스택(140)을 가진 태양 전지 기판(110)을 포함한다.
일 실시예에서, 태양 전지 기판(110)은 태양 전지(100)의 일부를 형성하도록 p-형 도펀트가 내부에 배치된 실리콘 기판이다. 이러한 구성에서, 태양 전지 기판(110)은 p-형으로 도핑된 베이스 영역(101)과, 그 위에 형성된 n-형으로 도핑된 이미터(emitter) 영역(102)을 가질 수 있다. 태양 전지 기판(110)은 베이스 영역(101)과 이미터 영역(102) 사이에 배치된 p-n 접합 영역(103)을 또한 포함한다. 따라서, 태양 전지 기판(110)은, 태양 전지(100)가 태양(150)으로부터 입사되는 광자("I")들에 의해 조명될 때, 전자-정공 쌍들이 발생되는 영역을 포함한다.
태양 전지 기판(110)은 단결정 실리콘, 다결정(multicrystalline) 실리콘 또는 다결정질(polycrystalline) 실리콘을 포함할 수 있다. 대안적으로, 태양 전지 기판(110)은 게르마늄(Ge), 갈륨 비화물(GaAs), 카드뮴 텔루르화물(CdTe), 카드뮴 황화물(CdS), 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS), 구리 인듐 셀렌화물(CuInSe2), 갈륨 인듐 인화물(GaInP2), 또는 유기 물질들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 태양 전지 기판은 GaInP/GaAs/Ge 또는 ZnSe/GaAs/Ge 기판과 같은 이종접합(heterojunction) 전지일 수 있다.
도 1에 도시된 예에서, 태양 전지(100)는 적어도 둘 또는 그 초과의 증착 물질 층들을 각각 포함한 배면 패시베이션 층 스택(140) 및 패시베이션/ARC 층 스택(120)을 포함한다. 패시베이션/ARC 층 스택(120)은 태양 전지 기판(110)의 전면(105)과 접촉하는 제 1 층(121) 및 상기 제 1 층(121) 상에 배치된 제 2 층(122)을 포함한다. 제 1 층(121) 및 제 2 층(122)은 각각 실리콘 질화물(SiN) 층을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 질화물 층은 그 내부에 형성된 바람직한 양의 포획 전하를 가짐으로써 태양 전지 기판의 전면(105)을 벌크 패시베이션하는 것을 효과적으로 돕는다.
이러한 구성에서, 배면 패시베이션 층 스택(140)은 태양 전지 기판(110)의 배면(106)과 접촉하는 제 1 배면층(141)과, 상기 제 1 배면층(141) 상에 배치된 제 2 배면층(142)을 포함한다. 제 1 배면층(141)은 두께가 약 200Å 내지 약 1,300Å인 알루미늄 산화물(AlxOy) 층을 포함할 수 있으며, 상기 알루미늄 산화물 층은 그 내부에 형성된 바람직한 양의 포획 전하를 가짐으로써, 태양 전지 기판(110)의 배면(106)을 효과적으로 패시베이션한다. 제 2 배면층(142)은 두께가 약 600Å 내지 약 2,500Å인 실리콘 질화물(SiN) 층을 포함할 수 있다. 제 1 배면층(141)과 제 2 배면층(142)은 모두 그 내부에 형성된 바람직한 양의 포획 전하를 가짐으로써 기판(110)의 배면(106)을 패시베이션하는 것을 효과적으로 돕는다. 패시베이션/ARC 층 스택(120)과 배면 패시베이션 층 스택(140)은 도 1에 도시된 바와 같이 태양 전지(100)에서 전면 반사(R1)를 최소화하고 배면 반사(R2)를 최대화하는데, 이는 태양 전지(100)의 효율을 향상시킨다.
태양 전지(100)는 패시베이션/ARC 층 스택(120)을 관통하여 연장하고 태양 전지 기판(110)의 전면(105)과 접촉하는 전면 측 전기 콘택트(107)들을 더 포함한다. 태양 전지(100)는 배면 패시베이션 층 스택(140)에 형성된 홀(147)들을 통해 태양 전지 기판(110)의 배면(106)에 전기적으로 접촉하는 배면 측 전기 콘택트(146)들을 형성하는 도전층(145)을 또한 포함한다. 도전층(145)과 전면 측 전기 콘택트(107)들은 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 납(Pb), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 니켈 바나듐(NiV)과 같은 금속, 또는 다른 유사한 물질들, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
배면 측 전기 콘택트(146)들을 형성할 때, 태양 전지 기판(110)의 배면(106)을 손상시키지 않고 다수의 관통홀(147)들이 배면 패시베이션 층 스택(140)에 형성되어야 한다. 태양 전지(100)에서 저항 손실을 최소화하기 위해서는, 고 밀도의 홀들(예컨대, 평방 밀리미터 당 0.5 내지 5개의 홀들)이 요구된다. 예컨대, 156㎜×156㎜의 태양 전지는 최대 120,000개의 홀들을 필요로 할 수 있는데, 이는 약 20m/s로 제한되는 종래의 레이저 드릴링 시스템들과 프로세스들을 사용하는 상당량의 시간을 필요로 한다. 본 발명의 실시예들은 태양 전지 기판(110)의 배면(106)을 손상시키지 않고 배면 패시베이션 층 스택(140)에 홀(147)들을 보다 고속으로 형성하는 장치 및 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 기판(201) 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들을 형성하기 위해 사용될 수 있는 레이저 스캐닝 장치(200)의 단면도이다. 예컨대, 레이저 스캐닝 장치(200)는 도 1의 태양 전지(100)의 배면 패시베이션 층 스택(140)에 홀(147)들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 레이저 스캐닝 장치(200)는 광자들의 유도 방출(stimulated emission)에 기초한 광학적 증폭 프로세스를 통해 빛 또는 전자기 방사선(212)을 방출하는 레이저 소오스(210)를 포함한다. 방출된 전자기 방사선(212)은 고도의 공간적 및 시간적 코히어런스를 갖는다. 레이저 소오스(210)는 Nd:YAG, Nd:YVO4, 결정성 디스크, 섬유-다이오드와 같은 전자기 방사선 소오스, 및 약 255㎚ 내지 약 1064㎚의 파장으로 방사선의 연속파를 제공하고 방출할 수 있는 다른 유사한 방사선 방출 소오스들일 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 소오스(210)는 동일한 파장의 균일하고 공간적으로 코히어런트한 광을 각각이 발생시키는 다수의 레이저 다이오드들을 포함한다. 레이저 다이오드들의 전력은 약 5 W 내지 약 15 W 범위 이내일 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 소오스(210)는 약 10 μJ/펄스 내지 약 6 mJ/펄스의 토탈 에너지를 갖고 약 1 펨토초(fs) 내지 약 1.5 마이크로초(㎲)의 펄스 폭의 펄스를 발생시킨다. 전자기 방사선(212)의 펄스들의 펄스 폭과 주파수는 수냉식 셔터를 사용하여 제어될 수 있다. 레이저 펄스 반복률은 약 15㎑ 내지 약 2㎒일 수 있다.
레이저 소오스(210)로부터 방출된 전자기 방사선(212)의 펄스들은 약 1.5 내지 약 2.5 ㎜와 같은 제 1 직경을 가진 빔 익스팬더(214)에서 수신된다. 빔 익스팬더(214)는 전자기 방사선(212)의 직경을 약 4㎜ 내지 약 6㎜와 같은 제 2 직경으로 증대시킨다. 그 다음, 전자기 방사선(212)의 펄스들은 도 5 내지 도 7과 관련하여 이하에서 더 설명하는 바와 같이 빔의 형상을 조정하기 위한 빔 성형기(215)로 전달된다. 빔 성형기(215)로부터 전자기 방사선(212)의 펄스들은 빔 익스팬더/포커서(focuser)(216)로 전달되며, 상기 빔 익스팬더/포커서는 전자기 방사선(212)의 펄스들의 직경을 약 2㎜ 내지 약 3㎜와 같은 원하는 제 3 직경으로 조정하기 위해 사용된다.
그 후, 빔 익스팬더/포커서(216)는 전자기 방사선(212)의 펄스들을 다각형 미러(218)로 전달하며, 상기 다각형 미러는 전자기 방사선(212)의 펄스들을 포커싱 렌즈(219)를 통해 기판(201) 상으로 반사한다. 렌즈(219)는 254㎜ 렌즈와 같은 장초점길이 렌즈일 수 있다. 다각형 미러(218)는 약 10개 내지 18개와 같은 다수의 반사면(220)들을 가진 미러이며, 각각의 반사면(220)들은 다각형 미러(218)의 회전축(221)에 대해 상대적인 방향으로 서로에 대해 대체로 각을 이루도록 배열되어 있다. 따라서, 다각형 미러(218)의 각각의 반사면(220)들의 각도로 인해, 전기 모터와 같은 액추에이터(222)에 의해 다각형 미러(218)가 축(221)을 중심으로 회전할 때, 전자기 방사선(212)이 기판(201)의 표면을 가로지르는 일 방향으로 스캐닝되는 것이 가능해진다. 액추에이터(222)는 다각형 미러의 회전 속도를 약 100 내지 10,000 rpm의 속도와 같은 원하는 속도로 제어하기 위해 사용된다.
프로세싱 중에, 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 다각형 미러(218)가 축(221)을 중심으로 회전할 때, 전자기 방사선(212)의 펄스들이 기판(201)을 가로질러 스캐닝됨으로써, 기판(201) 상에 형성된 하나 또는 그 초과의 층들에, 도 1로부터의 배면 패시베이션 층 스택(140) 내의 홀(147)들과 같은 홀들의 열을 생성한다. 일 실시예에서, 단일 면(220)의 회전은, 단일 면이 레이저 소오스(210)로부터 전달되는 전자기 방사선(212)의 펄스들을 반사시키기 때문에, 기판(201) 상에 형성된 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들의 전체 열(즉, X-방향으로의 열)을 생성한다. 도 3과 관련하여 더 설명하는 바와 같이, 기판(201)이 직교하도록 배향된 Y-방향으로 반송되는 동안, 회전하는 다각형 미러(218)를 사용하여 기판(201)의 표면을 가로질러 전자기 방사선(212)이 스캐닝될 수 있으며, 그 결과, 기판(201)의 길이에 걸쳐(즉, Y-방향으로) 홀들의 열들이 (즉, X-방향으로) 생성된다. 일부 실시예들에서, 전달된 전자기 방사선(212)의 펄스들은, 분리된 홀들이 아닌, 기판(201)의 하나 또는 그 초과의 층들을 관통하여 선들이 형성되도록, 중첩되는 방식으로 기판(201)으로 전달된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 기판(201)의 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들의 열들을 스캐닝하기 위한 레이저 스캐닝 모듈(300)의 개략적인 측면도이다. 레이저 스캐닝 모듈(300)은 기판 위치결정 시스템(310), 하나 또는 그 초과의 기판 위치결정 센서(320)들, 레이저 스캐닝 장치(200), 및 시스템 컨트롤러(380)를 포함한다.
시스템 컨트롤러(380)는 레이저 스캐닝 모듈(300)의 다양한 구성 요소들을 제어하도록 구성된다. 시스템 컨트롤러(380)는 일반적으로 중앙 처리 장치(CPU)(미도시), 메모리(미도시), 및 지원 회로(미도시)들을 포함한다. CPU는 시스템 하드웨어 및 프로세스들을 제어하기 위한 산업 현장에서 사용되는 임의의 형태의 컴퓨터 프로세서 중 하나일 수 있다. 메모리는 CPU에 연결되며, 로컬 또는 원격의, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드 온리 메모리(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 임의의 다른 형태의 디지털 스토리지와 같은, 용이하게 입수할 수 있는 메모리 중 하나 또는 그 초과일 수 있다. 소프트웨어 명령들 및 데이터는 CPU에 명령하기 위해 암호화되어 메모리 내에 저장될 수 있다. 지원 회로들은 또한 기존의 방식으로 프로세서를 지원하기 위해 CPU에 연결된다. 지원 회로들은 캐시, 전력 공급 장치들, 클록 회로들, 입력/출력 회로 서브시스템들 등을 포함할 수 있다. 시스템 컨트롤러(380)에 의해 판독될 수 있는 프로그램(명령들)은 레이저 스캐닝 모듈(300)에서 실시될 다양한 프로세스 레시피 테스크들과 함께, 기판(201)들의 운동, 지지 및 위치결정을 모니터링, 실행 및 제어하는 것에 관련된 테스크들을 실시하기 위한 코드를 포함한다. 따라서, 시스템 컨트롤러(380)는 기판 위치결정 시스템(310), 하나 또는 그 초과의 기판 위치결정 센서(320)들 및 레이저 스캐닝 장치(200)의 기능들을 제어하기 위해 사용된다.
일 실시예에서, 기판 위치결정 시스템(310)은 지지 롤러(312)들을 포함한 리니어 컨베이어 시스템이며, 상기 지지 롤러들은 레이저 스캐닝 모듈(300)을 통해 일련의(a line of) 기판(201)들을 지지하여 반송하도록 구성된 물질로 이루어진 연속 반송 벨트(313)를 지지하고 구동한다. 롤러(312)들은 모터/체인 드라이브와 같은 기계적 드라이브(314)에 의해 구동될 수 있으며, 약 100 내지 약 300㎜/초의 리니어 속도로 반송 벨트(313)를 반송하도록 구성될 수 있다. 기계적 드라이브(314)는 전기 모터(예컨대, AC 또는 DC 서보 모터)일 수 있다. 반송 벨트(313)는 폴리머, 스테인리스 스틸, 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다.
기판 위치결정 시스템(310)은 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서(320)들과 레이저 스캐닝 장치(200)를 지지하는 지지대(330) 아래에서 일련의 기판(201)들을 (즉, Y-방향으로) 순차적으로 반송하도록 구성되어 있다. 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서(320)들은 기판 위치결정 시스템(310)에 의해 기판이 반송될 때 기판(201)의 선단 에지(301)를 검출하여 대응하는 신호들을 시스템 컨트롤러(380)에 송신하도록 구성 및 배치되어 있다. 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서(320)들로부터의 신호들은 스캐닝 장치(200)로부터 전자기 방사선(212)의 전달 타이밍을 결정하고 조정하기 위해 시스템 컨트롤러에 의해 사용된다.
예컨대, 기판(201)이 유동 경로("A")를 따라 기판 위치결정 시스템(310)에 의해 반송될 때, 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서(320)들은 기판(201)의 선단 에지(301)를 검출하여 대응하는 신호들을 시스템 컨트롤러(380)에 송신한다. 결국, 시스템 컨트롤러(380)는, 기판(201)의 선단 에지가 레이저 스캐닝 장치(200)의 포커싱 렌즈(219) 아래에 있을 때, 레이저 스캐닝 작업을 개시하기 위해 다각형 미러(218)의 회전과 레이저 소오스(210)의 작동 타이밍을 맞추기 위한 신호들을 레이저 스캐닝 장치(200)에 송신한다. 시스템 컨트롤러(380)는, 각각의 면(220)이 전자기 방사선(212)의 펄스들을 가로질러 회전할 때(도 2), 기판(201) 상에 배치된 하나 또는 그 초과의 층들 내의 홀들(예컨대, 도 1에서 배면 패시베이션 층 스택(140) 내의 홀(147)들)의 열을 스캐닝하기 위해 다각형 미러(218)의 회전 속도를 더 제어한다. 시스템 컨트롤러(380)는, (예컨대, X-방향으로 정렬된) 제 1 열의 홀들이 완성되었을 때, 기판 위치결정 시스템(310)에 의한 기판(201)의 선형 운동으로 인해 다음 홀들의 열이 상기 제 1 열로부터 (예컨대, Y-방향으로) 소정의 간격으로서 시작되도록, 다각형 미러(218)의 회전과 기판 위치결정 시스템(310)의 속도를 더 제어한다. 따라서, 전체 기판(201)이 레이저 스캐닝 장치(200) 아래로 움직일 때, 도 4에 관하여 도시되고 후술하는 바와 같이, 기판(201)의 전체 폭과 길이를 가로질러 기판(201)의 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들의 열들이 형성된다. 시스템 컨트롤러(380)는, 기판(201)의 말단 에지(302)가 포커싱 렌즈(219) 아래를 통과할 때, 다음 기판(201)의 선단 에지가 포커싱 렌즈(219) 아래에 위치될 때까지 스캐닝 작업이 중단되도록, 레이저 스캐닝 장치(200)의 타이밍을 더 제어한다. 전자기 방사선(212)의 전달 타이밍의 제어가 실패하면, 기판 위치결정 시스템(310)과 같은 레이저 스캐닝 모듈(300)의 구성 요소들 중 하나 또는 그 초과에 손상을 유발할 것이다.
전술한 바와 같이, 시스템 컨트롤러(380)는 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서(320)들로부터의 폐루프 피드백을 사용하여 기판 위치결정 시스템(310)과 레이저 스캐닝 장치(200)의 기능들과 타이밍을 제어하기 위해 사용된다. 레이저 스캐닝 장치(200) 내의 광학계와 기판 위치결정 시스템(310)의 선형 운동 속도를 제어함으로써, 레이저 스캐닝 모듈(300)은 종래의 해법들의 레이저 드릴링 속도들을 훨씬 초과하는 레이저 드릴링 속도를 달성할 수 있다. 예컨대, 전술한 제어 방식과 레이저 스캐닝 장치(200)의 다각형 미러 구조의 사용을 통하여, 약 60 m/s 내지 약 200 m/s의 드릴링 속도들을 달성할 수 있다. 이에 비해, 종래의 갈바노미터 시스템들은 통상적으로 20 m/s 미만으로 제한된다. 또한, 레이저 스캐닝 장치(200)의 빔 성형기(215)를 사용하면, 도 5 내지 도 7과 관련하여 더 설명하는 바와 같이 하부의 태양 전지 기판(110)을 손상시키지 않고 상술한 속도들로 패시베이션 층 스택(140)에 홀(147)들이 효율적으로 드릴링되는 것이 가능해진다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 드릴링 프로세스를 실시하는데 사용하기 위해 기판 위치결정 시스템(310) 상에 배치된 기판(201)의 개략적인 평면도이다. 일 실시예에서, 기판(201)은, 배면(106)을 갖고 배면 패시베이션 층 스택(140)이 상방을 향하여 상기 배면에 배치되어 있는 태양 전지 기판(110)과 같은, 156㎜×156㎜의 태양 전지 기판이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 스캐닝 모듈(300)은 도 3과 관련하여 전술한 레이저 드릴링 작업들을 통해 라인형 패턴(411)으로 정렬된 홀들의 어레이(410)를 형성하기 위해 사용된다. 일 예에서, 홀들의 어레이(410) 내의 홀들의 각각은 패시베이션 층 스택(140)을 관통하여 형성될 수 있으며, 태양 전지 기판(110)의 하부 물질(예컨대, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘)을 손상시키지 않고 약 40 내지 70㎛의 직경을 가질 수 있다. 일 예에서, 홀들은 약 40 내지 70㎛의 직경을 갖고, 서로로부터 동등하게 이격되며, 기판 위치결정 시스템(310) 상의 레이저 스캐닝 장치(200) 아래에서 단일 패스(single pass)로 형성된다.
전술한 바와 같이, 물질 층들의 일부분들의 제거(예컨대, 도 1에서 패시베이션 층 스택(140)에 대한 홀(147)들의 레이저 드릴링)는 레이저 스캐닝 장치(200)에 의해 달성될 수 있다. 통상적으로, 물질의 삭마는 조사된 물질 층의 완전한 증발 또는 삭마를 달성하기 위해 기판(201) 상의 특정 스팟에 특정 주파수, 파장, 펄스 지속 기간 및 유량으로 레이저 소오스(210)를 펄싱함으로써 수행된다. 그러나, 하부의 태양 전지 기판(110)을 손상시키지 않고, 물질 층의 일부분, 특히 패시베이션 층 스택(140)의 일부분의 완전한 증발을 달성하는 것은 어렵다.
태양 전지 기판(110)을 손상시키지 않고 패시베이션 층 스택(140)의 일부분을 제거하기가 어려운 한가지 이유는 기판(201) 상에 집중되는 레이저 스팟의 영역을 가로질러 강도가 변하기 때문이다. 순수한 가우시안 프로파일을 가진 빔을 방출하는 이상적인 레이저에서는, 제거될 물질 상의 원하는 스팟의 중심에서의 피크 강도는 스팟의 주연부 주위에서보다 더 높다(도 6).
도 5는 레이저 스캐닝 장치(200)로부터 거리(Z)를 따라 빔(500)을 전파하고 있는 레이저 스캐닝 장치(200)의 개략도이다. 도 6은 (즉, 빔 성형이 전혀 수반되지 않는) 도 10의 지점(510)에서 빔(500)의 가우시안 강도 프로파일의 개략도이다. 빔(500) 상의 지점(510)은, 원하는 스팟(550)을 가로질러 패시베이션 층 스택(140)의 완전한 증발을 달성하기 위해, 레이저 스캐닝 장치(200)에 대한 기판(201)의 전형적인 배치를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 스팟(550)의 주연부가 패시베이션 층 스택(140)의 물질의 삭마 임계값으로 설정되어야 하기 때문에, 스팟(550)의 중심에서의 피크 강도(610)가 스팟(550)의 주연부에서의 주변 강도(620)보다 상당히 더 높다. 따라서, 주변 강도(620)가 스팟(550)의 주연부를 따라 패시베이션 층 스택(140)의 삭마를 겨우 달성할 수 있을 정도로만 높을지라도, 어떠한 빔 성형도 수반하지 않으면서도, 상당히 높은 피크 강도(610)가 스팟(550)의 중심에서 하부의 태양 전지 기판(110)에 대한 손상을 유발하게 된다.
태양 전지 기판(110)을 손상시키지 않고 패시베이션 층 스택(140)에서 스팟(550)의 완전한 삭마를 달성하기 위해, 빔 성형기(215)가 사용된다. 빔 성형기(215)는 가우시안 레이저 빔을 시준된 평정(flat top) 빔으로 변환하는 굴절 빔 성형기일 수 있다. 도 7은 빔 성형을 수반하는, 도 5의 지점(510)에서의 빔(500)의 강도 프로파일의 개략도이다. 알 수 있는 바와 같이, 빔 성형 또는 "평정화(flat topping)" 작업은 스팟(550)의 전체 영역을 가로지르는 패시베이션 층 스택(140) 내의 물질의 바로 삭마 임계값에서 균일한 에너지 밀도를 가진 빔 강도 프로파일을 만들어낸다. 따라서, 레이저 스캐닝 장치(200)에서 빔 성형기(215)를 사용하면, 하부의 태양 전지 기판(110)을 손상시키지 않고 패시베이션 층 스택(140)에서의 홀(147)들의 효율적인 드릴링이 가능해진다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 태양 전지 제조중에 하나 또는 그 초과의 층들에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 다각형 미러와 빔 성형기를 사용하는 레이저 스캐닝 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 상기 장치는 배면 전기 콘택트 형성중에 태양 전지의 배면 측 패시베이션 층에 홀들을 레이저 드릴링하기 위해 사용된다. 상기 장치는 태양 전지의 배면 전기 콘택트의 형성 속도를 향상시키기 위해 다각형 미러의 사용을 포함한다. 상기 장치는 레이저 드릴링 작업들 중에 하부의 태양 전지 기판에 대한 손상을 방지하기 위해 빔의 프로파일을 조정하는 빔 성형기의 사용을 또한 포함할 수 있다. 또한, 기판들 상에 배치된 물질 층들의 효율적인 레이저 드릴링을 제공하기 위해 폐루프 방식으로 레이저 스캐닝 장치의 작동과 기판들의 선형 운동의 속도 및 타이밍을 제어하는 레이저 스캐닝 모듈이 제공된다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예들에 관한 것이나, 본 발명의 기본적인 범위를 벗어나지 않고 다른 그리고 추가적인 실시예들이 안출될 수 있으며, 그 범위는 하기된 청구항들에 의해 결정된다.
Claims (15)
- 태양 전지 기판의 표면에 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 전달하기 위한 장치로서,
복수의 반사면들과 회전축을 가진 다각형 미러;
상기 회전축에 대해 상기 다각형 미러를 회전시키도록 구성된 액추에이터;
상기 다각형 미러의 반사면들 중 적어도 하나에 전자기 방사선을 지향시키도록 배치된 레이저 소오스; 및
기판 지지면을 가진 기판 위치결정 디바이스(substrate positioning device)로서, 상기 기판 위치결정 디바이스는 상기 다각형 미러의 반사면들로부터 반사된 전자기 방사선을 수용하기 위해 기판을 위치결정하도록 구성된 것인, 기판 위치결정 디바이스;
하나 또는 그 초과의 위치결정 센서; 및
상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서로부터의 신호를 수신하도록 구성된 시스템 컨트롤러;를 포함하며,
상기 기판 위치결정 디바이스는, 상기 다각형 미러의 반사면들로부터 반사된 전자기 방사선이 기판에 지향되는 동안 상기 기판을 선형적으로 반송하며,
상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서가 상기 기판의 선단 에지를 검출하도록 구성되고,
상기 시스템 컨트롤러는, 상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서로부터 수신된 신호를 기초로 하여, 상기 레이저 소오스, 상기 액추에이터, 및 상기 기판 위치결정 디바이스를 제어하도록 구성되는,
전자기 방사선을 전달하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 위치결정 디바이스는, 상기 다각형 미러의 반사면들로부터 반사된 전자기 방사선의 방향에 대해 직교하는 방향으로, 상기 기판을 선형적으로 반송하도록 구성된,
전자기 방사선을 전달하기 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 소오스와 상기 다각형 미러 사이에 배치된 빔 성형기를 더 포함하는,
전자기 방사선을 전달하기 위한 장치. - 레이저 스캐닝 모듈로서,
다각형 미러를 포함하고, 상기 다각형 미러에 의해 반사된 전자기 방사선의 펄스들을 기판의 표면을 가로지르는 제 1 방향으로 스캐닝하도록 구성된 레이저 스캐닝 디바이스;
상기 전자기 방사선의 펄스들이 상기 기판을 향해 지향되는 동안, 상기 제 1 방향에 대해 직교하는 제 2 방향으로 상기 기판을 선형적으로 반송하도록 구성된 기판 위치결정 시스템;
상기 기판이 상기 레이저 스캐닝 디바이스를 향하여 상기 제 2 방향으로 이동될 때, 상기 기판의 선단 에지를 검출하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서; 및
상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 기판 위치결정 시스템과 상기 레이저 스캐닝 디바이스의 작동을 제어하도록 구성된 시스템 컨트롤러;를 포함하는,
레이저 스캐닝 모듈. - 제 4 항에 있어서,
상기 레이저 스캐닝 디바이스는,
레이저 소오스; 및
상기 레이저 소오스와 상기 다각형 미러 사이에 배치된 빔 성형기;를 더 포함하는,
레이저 스캐닝 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 레이저 스캐닝 디바이스는 원하는 속도로 상기 다각형 미러를 회전시키도록 구성된 액추에이터를 더 포함하는,
레이저 스캐닝 모듈. - 태양 전지 기판의 표면에 전자기 방사선을 전달하는 방법으로서,
복수의 반사면들을 가진 다각형 미러를 회전축을 중심으로 액추에이터에 의해 회전시키는 단계;
기판 위치결정 디바이스에 의해 기판을 제 1 방향으로 병진이동시키는(translating) 단계; 및
상기 다각형 미러가 회전축을 중심으로 회전될 때, 레이저 소오스에 의해 상기 복수의 반사면들에 전자기 방사선의 펄스들을 전달하는 단계;
기판이 제 1 방향으로 반송될 때, 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서에 의해 상기 기판의 선단 에지를 검출하는 단계;
시스템 컨트롤러에 의해 상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서로부터 신호를 수신하는 단계; 및
상기 하나 또는 그 초과의 위치결정 센서로부터 수신된 신호를 기초로 하여, 상기 시스템 컨트롤러에 의해, 상기 레이저 소오스, 상기 액추에이터, 및 상기 기판 위치결정 디바이스를 제어하는 단계;를 포함하며,
소정 양(an amount)의 전달된 전자기 방사선이 상기 복수의 반사면들로부터 상기 기판의 표면을 향하여 반사되고, 반사된 전자기 방사선은 상기 제 1 방향에 대해 직교하는 제 2 방향으로 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝되는,
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 기판의 표면은 그 위에 배치된 하나 또는 그 초과의 물질 층들을 가지며, 상기 반사된 전자기 방사선이 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 상기 하나 또는 그 초과의 물질 층들 각각의 일부분이 삭마되는(ablated),
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 반사된 전자기 방사선이 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 상기 하나 또는 그 초과의 층들을 통해 홀들의 열(row)이 형성되는,
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 반사된 전자기 방사선이 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 상기 하나 또는 그 초과의 층들을 통해 홀들의 복수의 열들이 형성되는,
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 기판이 제 1 방향으로 병진이동될 때 상기 기판의 위치가 전자기 방사선의 펄스들의 전달을 제어하기 위해 사용되는,
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 반사된 전자기 방사선이 상기 기판의 표면을 가로질러 스캐닝될 때, 상기 기판의 표면을 손상시키지 않고 상기 하나 또는 그 초과의 층들을 통해 복수의 홀들이 형성되는,
전자기 방사선을 전달하는 방법. - 삭제
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