KR20120105683A - 레이저 스크라이빙 장치, 이를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

레이저 스크라이빙 장치, 이를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 기판 상의 일부에 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극 상의 일부에 차례로 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상의 일부에 형성된 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 상에 상기 반도체층이 형성되지 않은 제2 오픈 영역의 폭과 상기 반도체층 상에 상기 제2 전극이 형성되지 않은 제3 오픈 영역의 폭의 비는 1.3 대 1 내지 2 대 1인 태양 전지를 제공한다.

Description

레이저 스크라이빙 장치, 이를 이용한 태양전지 및 그 제조방법{Laser scribing device, solar cell including the same and method for fabricating the same}
실시예는 박막증착에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 스크라이빙 장치와 이를 이용하여 태양전지를 제조하는 방법과 태양전지에 관한 것이다.
화석자원의 고갈과 환경오염에 대처하기 위하여, 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지에 대한 연구개발이 활력을 얻고 있다.
태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN 접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole)과 전자(electron)가 발생하고, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 정공은 P형 반도체쪽으로 이동하고 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하여 전위가 발생한다.
태양전지는 기판 상에 P층과 I층 및 N층을 각각의 공정 챔버에서 증착하는데, 도펀트가 사용되는 층과 사용되지 않는 층이 구분되며 원료 물질이 각 층에 공통되지 않으므로, 서로 다른 챔버에서 하나의 층을 증착한 후 트랜스퍼 챔버를 사용하여 다른 공정 챔버로 이송한다.
여기서, 기판 상에 전극과 반도체층을 형성하고 패터닝하는 공정이 필요하며, 레이저 스크라이빙 장치로 전극이나 반도체층을 선택적으로 식각하여 패터닝할 수 있다.
이때, 레이저 스크라이빙 장치의 속도의 한계로 인하여, 즉 저진동수(Low Frequency)를 사용할 때 생산성을 증가시키는데 한계가 있다.
특히, 투명 전극 위에 반도체층과 금속층을 형성하고 금속층을 절단할 때, 고진동수의 레이저를 사용하면 불안정한 가공으로 인하여 누설전류가 많이 발생될 수 있다.
실시예는 태양 전지를 제조할 때 반도체층 위의 금속층을 패터닝할 때, 저진동수의 레이저를 사용하면서도 효과적으로 금속층을 식각하면서도 생산성을 향상시키고자 한다.
실시예는 레이저 빔을 조사하는 적어도 하나의 레이저 생성기; 상기 레이저 생성기로부터 레이저 빔을 제공받고, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 프로파일 변환 유닛; 및 상기 적어도 하나의 레이저 생성기를 지지하는 거치대를 포함하는 레이저 스크라이빙 장치를 제공한다.
상기 빔 프로파일 변환 유닛은, 상기 레이저 생성기로부터 입사된 레이저 빔의 프로파일을 타원형으로 변환할 수 있다.
레이저 스크라이빙 장치는 상기 타원형으로 변환된 레이저 빔을 나란히 중첩하여 조사할 수 있다.
상기 레이저 생성기는, 원형의 프로파일을 갖는 레이저 빔을 조사할 수 있다.
상기 빔 프로파일 변환 유닛은, 볼록 렌즈일 수 있다.
상기 볼록 렌즈는, 상기 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행 방향에 대하여 예각으로 배치될 수 있다.
상기 볼록 렌즈는 광축이 상기 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행 방향과 15~45도로 배치될 수 있다.
레이저 스크라이빙 장치는 적어도 2개의 레이저 생성기를 포함하고, 상기 빔 프로파일 변환 유닛은 인접한 적어도 2개의 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔을 중첩하여 타원형의 프로파일을 갖는 하나의 레이저 빔으로 변환할 수 있다.
상기 빔 프로파일 변환 유닛은, 상기 레이저 생성기로부터 입사된 레이저 빔의 프로파일을 장반경과 단반경의 비가 3 대 1 내지 4 대 1인 타원형으로 변환할 수 있다.
다른 실시예는 기판 상의 일부 영역에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 위의 일부 영역 위에 반도체층을 형성하는 단계; 상기 반도체층 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 전극의 일부를 식각하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전극의 일부를 식각하는 단계는 타원형의 프로파일을 가진 레이저빔을 사용하는 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
상기 타원형의 프로파일을 가진 레이저 빔은, 적어도 2개의 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔이 중첩될 수 있다.
상기 타원형의 프로파일을 가진 레이저 빔은, 장반경과 단반경의 비가 3 대 1 내지 4 대 1인 타원형의 프로파일을 가질 수 있다.
또 다른 실시예는 기판 상의 일부에 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극 상의 일부에 차례로 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상의 일부에 형성된 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 상에 상기 반도체층이 형성되지 않은 제2 오픈 영역의 폭과 상기 반도체층 상에 상기 제2 전극이 형성되지 않은 제3 오픈 영역의 폭의 비는 1.3 대 1 내지 2 대 1인 태양 전지를 제공한다.
상기 제1 전극과 반도체층과 제2 전극이 중첩되는 유효 영역의 폭과, 비유효 영역의 폭의 비는 70 대 3 내지 100 대 3일 수 있다.
상기 비유효 영역의 폭과 상기 제3 영역의 폭의 비는 4 대 1 내지 6 대 1일 수 있다.
상기 반도체층은, 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘으로 이루어지고 P층과 I층 및 N층을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 레이저 스크라이빙 장치와 이를 사용하여 태양전지를 제조하는 방법은, 식각방향으로 상대적으로 길이가 긴 타원형의 빔 프로파일을 제공하는 레이저 스크라이빙 장치로 태양 전지의 제2 전극을 식각하여 저진동수의 레이저를 사용하고도 생산성을 향상시킬 수 있다.
상술한 장치와 방법에 따른 태양전지는 제3 오픈 영역 및 비유효 영역이 비교예에 따른 태양전지에 비하여 폭이 좁으므로, 광 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 태양전지의 일실시예의 단면도이고,
도 2 내지 도 8은 태양전지의 제조방법의 일실시예의 단면도이고,
도 9는 태양전지의 제조에 사용되는 레이저 스크라이빙 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 레이저 빔 프로파일을 종래와 비교한 도면이고,
도 11은 도 9의 빔 프로파일 변환 유닛의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 12는 도 9의 빔 프로파일 변환 유닛의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 13은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 작용을 나타낸 도면이고,
도 14는 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 작용을 종래와 비교한 도면이고,
도 15는 도 12의 빔 프로파일 변환 유닛을 종래와 비교한 도면이고,
도 16은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 효과를 나타낸 도면이고,
도 17은 도 1의 태양전지를 상세히 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 태양전지의 일실시예의 단면도이다.
실시예에 따른 태양 전지(100)는 기판(10) 상에 제1 전극(20)과 반도체층(30)과 제2 전극(40)이 차례로 형성된다. 기판(10)으로는 P형 반도체 기판으로 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘을 이용할 수 있다. 단결정 실리콘은 순도가 높고 결정결함밀도가 낮기 때문에 태양전지의 효율이 높고, 다결정 실리콘은 저가의 재료와 공정을 이용하기 때문에 생산비가 적게 들어 대량 생산에 적합하다.
상기 기판(10) 위의 일부에 제1 전극(20)이 형성되는데, 일 예로서 TCO(Transparent Conductive oxide)를 형성할 수 있다. 전극은 금속 재료로 이루어지는데, 도시된 바와 같이 기설정된 간격(P1)으로 서로 이격되어 형성된다. 그리고, 상기 제1 전극(20)이 이격된 영역에서 상기 기판(10)이 노출되며, 상기 기판(10)은 노출된 영역에서 후술하는 바와 같이 반도체층(30)과 접촉한다.
그리고, 상기 반도체층(30)은 상기 제1 전극(20)의 일부 위에 형성되는데, 도시된 바와 같이 기판(10)의 노출된 영역에 채워지고, 제1 전극(20) 위의 일부에 형성된다.
그리고, 도시된 바와 같이 기설정된 간격(P2)으로 반도체층(30)이 서로 이격되어 형성된다. 상기 반도체층(30)이 이격된 영역에서 상기 제1 전극(20)이 노출되며, 상기 제1 전극(20)은 노출된 영역에서 후술하는 바와 같이 제2 전극(40)과 접촉한다.
그리고, 상기 제2 전극(40)이 상기 반도체층(30)의 일부 위에 형성되는데, 도시된 바와 같이 반도체층(30)의 노출된 영역을 채우기도 한다. 이때, 도시된 바와 같이 기설정된 간격(P3)으로 제2 전극(40)이 서로 이격되어 형성된다.
도 1에서 제1 전극(20)과 반도체층(30)과 제2 전극(40)이 각각 일정한 간격 P1, P2, P3으로 노출되어 있으며, 상기 P1, P2, P3는 각각 소정 간격 이격되어 있다. 이때, P1부터 P3까지의 전체 폭(Wn)은 비유효 영역(Wn)을 이루고, 나머지 영역(Wa)는 유효 영역을 이룬다.
제1 노출 영역(P1)의 폭이 가장 작을 수 있는데, 전극을 좁게 절단하여 전류의 흐름을 증가시키기 위함이다. 그리고, 가공시에 열 충격(Thermal damage)을 고려하면 제1 노출 영역(P1)은 원형의 프로파일의 레이저로 식각할 수 있다. 그리고, 제2 노출 영역(P2)의 폭이 가장 넓은데, 제2 노출 영역(P2)과 제3 노출 영역(P3)는 모두 원형/타원형의 프로파일을 갖는 레이저로 식각이 가능한데, 후술하는 바와 같이 생산성까지 고려하면 제3 노출 영역(P3)을 타원형의 프로파일을 갖는 레이저로 식각할 수 있다.
상기 제1 전극(20)이 간격 P1 만큼 노출된 영역을 제1 오픈 영역이라 하고, 상기 반도체층(30)이 간격 P2 만큼 노출된 영역을 제2 오픈 영역이라 하고, 상기 제2 전극(40)이 간격 P3 만큼 노출된 영역을 제3 오픈 영역이라 할 수 있다.
이때, 도 1의 화살표의 방향으로 전류가 흐르며, 단면도에서 상기 유효 영역의 폭(Wa)과 비유효 영역(Wn)의 폭의 비는 70 대 3 내지 100 대 3이다. 상기 비 유효 영역은 데드 영역(Dead Ared)이라고 할 수 있으며, 광 변환에 의한 전류의 생성이 발생하지 못하므로 면적 내지 폭을 적게 가져가는 것이 좋다. 그러나, 상술한 제1 오픈 영역 내지 제3 오픈 영역 형성의 공정을 고려하면 상술한 범위 이내로 줄이기 어렵다.
그리고, 상기 비유효 영역(Wn) 내에서 상기 제3 오픈 영역이 차지하는 폭의 비율, 즉 상기 비유효 영역(Wn)의 폭과 상기 제3 오픈 영역의 폭의 비는 4 대 1 내지 6 대 1이다.
후술하는 바와 같이, 타원형의 빔 프로파일을 갖는 레이저 스크라이빙 장치를 사용하여 제3 오픈 영역의 폭을 비유효 영역(Wn)의 폭의 1/4 이하로 줄이는 것이 가능하며, 스크라이빙 공정에서 제2 전극(40)의 확실한 에칭을 고려하면 제3 오픈 영역의 폭을 비유효 영역(Wn)의 폭의 1/6 이하로 하는 것은 어렵다.
도 2 내지 도 8은 태양전지의 제조방법의 일실시예의 단면도이고, 도 9는 태양전지의 제조에 사용되는 레이저 스크라이빙 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 레이저 빔 프로파일을 종래와 비교한 도면이고, 도 11은 도 9의 빔 프로파일 변환 유닛의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 12는 도 9의 빔 프로파일 변환 유닛의 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 작용을 나타낸 도면이고, 도 14는 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 작용을 종래와 비교한 도면이고, 도 15는 도 12의 빔 프로파일 변환 유닛을 종래와 비교한 도면이고, 도 16은 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 효과를 나타낸 도면이다.
이하에서, 도 2 내지 도 16을 참조하여 태양전지의 제조방법의 일실시예와 이에 사용되는 레이저 스크라이빙 장치의 일실시예를 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 기판(10) 상에 제1 전극(20)을 적층한다. 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘의 기판(10) 위에 금속으로 제1 전극(20)을 형성한다. 제1 전극(20)은 ZnO 등의 TCO를 사용할 수 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극(20)을 패터닝한다. 패터닝 방법은 건식 식각 또는 습식 식각을 사용할 수 있으며, 일 예로써 상기 제1 전극(20)의 일부 영역(25)에 레이저를 조사하여 상기 제1 전극(20)의 일부를 식각할 수 있다.
이때, 마스크를 사용하여 상기 제1 전극(20)의 일부 영역(25)에만 레이저를 조사하여 식각할 수 있다. 레이저의 조사는 레이저 스크라이빙 장치를 사용할 수 있는데, 원형의 빔 프로파일을 가진 레이저를 상기 제1 전극(20)의 선택된 일부 영역(25)에만 조사할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 레이저 스크라이빙 장치(200)는 레이저 빔을 조사하는 복수 개의 레이저 생성기(220)와 상기 복수 개의 레이저 생성기를 지지하는 거치대(210)와 상기 레이저 생성기로부터 전달된 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 프로파일 변환 유닛(230)을 포함하여 이루어진다.
통상 8개 내지 12개의 레이저 생성기(220)가 하나의 레이저 스크라이빙 장치(200) 내에 구비될 수 있고, 고정된 레이저 스크라이빙 장치(200) 아래에서 기판(10)이 이동하여 식각 공정이 진행될 수 있는데, 레이저 스크라이빙 장치(200)가 이동할 수도 있다.
레이저 스크라이빙 장치(200)는 타원형의 프로파일로 변환된 레이저 빔을 나란히 중첩하여 조사할 수 있다. 여기서, 나란하다 함은 도 13 내지 도 14에 도시된 바와 같이 일렬로 이동하여 반도체층을 식각함을 의미하며, 중첩된다 함은 타원형의 빔 프로파일로 변환된 레이저 빔이 연속하여 반도체층에 조사됨을 뜻한다.
도 4에서 화살표 방향으로 레이저 스크라이빙 장치(200)가 이동하여 제1 전극(20)을 일부 영역(25)을 차례로 식각한다. 도 4에서 화살표 방향 즉, 세로 방향은 식각 속도와 관계가 있고 가로 방향은 태양전지의 광 변환 효율과 관계가 있다.
본 실시예에서 제1 전극(20)과 반도체층(30) 및 제2 전극(40)을 스트라이프(stripe) 타입으로 패터닝하였는데, 다른 방식 예를 들어 크로스 방식의 패터닝도 가능하다.
상기 빔 프로파일 변환 유닛(230)은 레이저를 식각하고자 하는 형상의 프로파일로 변환시킬 수 있고, 도 4에서는 타원형의 프로파일이 도시되어 있으나 제1 전극의 식각에는 원형의 빔 프로파일을 제공할 수 있다.
상기 제1 전극(20) 중 선택되어 식각된 일부 영역(25)이 도 1에서 도시된 제1 오픈 영역(P1)에 해당한다. 제1 오픈 영역(P1)의 식각은 장파장의 IR(Infrared Ray)을 사용할 수 있고, 제2 오픈 영역(P2)과 제3 오픈 영역(P3)의 식각은 가시광선 영역 특히 녹색광을 사용하여 식각할 수 있다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 전극(20) 위에 반도체층(30)을 적층한다. 반도체층(30)은 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘으로 이루어지고, P층과 I층 및 N층이 차례로 형성된다.
이때, 상기 반도체층(30)은 도 3의 공정에서 식각된 영역(25)에 채워지게 되고, 상기 영역(25)에서 반도체층(30)은 기판(10)가 접촉하게 된다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 반도체층(30)을 패터닝한다. 패터닝 방법은 건식 식각 또는 습식 식각을 사용할 수 있으며, 일 예로써 상기 반도체층(30)의 일부 영역(35)에 레이저를 조사하여 상기 반도체층(30)의 일부를 식각할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극(20)의 식각과 같이 상기 반도체층(30) 일부 영역(35)에만 레이저를 조사하여 식각할 수 있고, 이때 원형의 빔 프로파일을 가진 레이저를 상기 반도체층(30) 선택된 일부 영역(35)에만 조사할 수 있다.
상기 반도체층(30) 중 선택되어 식각된 일부 영역(35)이 도 1에서 도시된 제2 오픈 영역(P2)에 해당한다.
상술한 바와 같이 상기 반도체층(30)은 P층과 I층 및 N층으로 이루어질 수 있는데, 도 5와 도 6에 도시된 공정은 상기 반도체층(30) 내의 각각의 층을 순서대로 적층한 후 동시에 식각할 수 있으며, 상기 반도체층(30) 내의 하나의 층을 적층하고 식각한 후 다른 층을 다시 적층하고 식각할 수도 있다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 반도체층(30) 상에 제2 전극(40)을 적층한다. 제2 전극(40)은 도전성 물질로 일 예로써 금속으로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 6에서 식각된 반도체층(30)의 일부 영역(35)에도 제2 전극(40)이 적층되어, 상기 제2 전극(40)은 제1 전극(20)과 부분적으로 접촉할 수 있다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이 제2 전극(40)을 패터닝한다. 패터닝 방법은 건식 식각 또는 습식 식각을 사용할 수 있으며, 일 예로써 상기 제2 전극(40)의 일부 영역(45)에 레이저를 조사하여 상기 제2 전극(40)의 일부를 식각할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극(20)의 식각과 같이 상기 제2 전극(40) 일부 영역(45)에만 레이저를 조사하여 식각할 수 있다. 이때, 제1 전극(20)과 반도체층(30)의 식각과 달리 타원형의 빔 프로파일을 가진 레이저를 상기 제2 전극(40) 선택된 일부 영역(45)에만 조사할 수 있다.
상기 제2 전극(40) 중 선택되어 식각된 일부 영역(45)이 도 1에서 도시된 제3 오픈 영역(P3)에 해당한다. 도시된 바와 같이 제1 오픈 영역(P1)과 제2 오픈 영역(P2) 및 제3 오픈 영역(P3)는 서로 소정 간격 이격되어 상하로 서로 겹치지 않을 수 있다.
도 9에 제2 전극(40)의 식각에 사용되는 레이저 스크라이빙 장치의 일실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 레이저 스크라이빙 장치(200)는 빔 프로파일 변환 유닛(230)이 레이저 생성기(220)로부터 생성된 레이저의 빔 프로파일을 타원형으로 변환한다.
도 10에 원형의 빔 프로파일(A)과 타원형의 빔 프로파일(B)이 도시되어 있다. 원형의 빔 프로파일(A)은 제1 전극(20) 또는 반도체층(30)의 식각에 사용되고, 타원형의 빔 프로파일(B)은 제2 전극(40)의 식각에 사용된다.
이때, 제1 오픈 영역(P1)보다 제2 오픈 영역(P2)의 폭이 더 넓으므로, 제1 오픈 영역(P1)의 식각에 사용되는 빔 프로파일의 크기(지름)보다 제2 오픈 영역(P2)의 식각에 사용되는 빔 프로파일의 크기(지름)이 더 크다. 구체적으로, 제1 오픈 영역(P1)의 식각에 사용되는 빔 프로파일의 지름은 제2 오픈 영역(P2)의 식각에 사용되는 빔 프로파일의 지름의 2배 내지 2.5배이다.
그리고, 제2 오픈 영역(P2)의 식각에 사용되는 원형의 빔 프로파일(A)의 지름을 RA라고 가정하면, 제3 오픈 영역(P3)의 식각에 사용되는 타원형의 빔 프로파일(B)의 장반경(RB1)은 상기 RA보다 크고, 단반경(RB2)은 상기 RB보다 작다.
구체적으로, 상기 타원형의 빔 프로파일(B)의 장반경(RB1)은 상기 RA의 2배 내지 2.5배이고, 상기 RA는 타원형의 빔 프로파일(B)의 단반경(RB2)의 1.3배 내지 2배이다. 또한, 상기 타원형의 빔 프로파일(B)의 장반경(RB1)은 상기 타원형의 빔 프로파일(B)의 단반경(RB2)의 3배 내지 4배이다.
즉, 도 4에서 거치대(210)를 따라 레이저 생성기(220)과 빔 프로파일(230) 유닛이 이동하는 방향으로 상기 레이저 빔 프로파일의 장반경이 형성되며 제2 전극(40)을 식각할 수 있다.
이때, 레이저 생성기(220)에서 생성되는 레이저의 빔 프로파일은 원형이거나 원형에 가까우므로, 빔 프로파일 변환 유닛(23)에서 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환시킬 수 있다.
도 11에 도시된 빔 프로파일 변환 유닛의 일실시예는 인접한 2개의 레이저 생성기(221, 222)에서 발생하는 레이저를 빔 프로파일 변환 유닛(231, 232)에서 중첩시킨다. 이때, 2개의 레이저가 부분적으로 중첩되어 도 11의 오른쪽에 도시된 바와 같이 타원형에 유사한 빔 프로파일을 생성한다.
도 11에서 2개의 인접한 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔을 중첩하여 타원형의 프로파일을 갖는 하나의 레이저 빔으로 변환하고 있으나, 3개 이상의 인접한 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔을 중첩하여 타원형의 프로파일을 갖는 하나의 레이저 빔으로 변환할 수도 있다.
이때, 상기 레이저 생성기(221, 222)와 빔 프로파일 변환 유닛(231, 232)은 도 4에서 레이저 스크라이빙 장치(200)의 이동 방향(화살표 방향)과 일치하는 방향으로 배치될 수 있다.
도 12에 도시된 빔 프로파일 변환 유닛의 일실시예는 적어도 하나의 렌즈(240)를 사용하여 레이저 빔의 프로파일을 변환하며, 렌즈(240)는 볼록 렌즈일 수 있다.
볼록 렌즈는 입사된 빛(레이저)의 프로파일을 보다 작은 반경으로 포커싱(focusing)할 수 있는데, 본 실시예에서는 빔 프로파일의 축소 외에 타원형으로 변환도 시키고 있다.
따라서, 도 13에 도시된 바와 같이 레이저 생성기(220)로부터 조사된 레이저가 렌즈(240)를 통하여 타원형의 빔 프로파일로 변환 내지 포커싱되고 있으며, 레이저 스크라이빙 장치가 화살표 방향으로 이동함에 따라 타원형의 빔 프로파일도 동일하게 화살표 방향으로 이동하고 있다.
도 14는 도 9의 레이저 스크라이빙 장치의 작용을 종래와 비교한 도면이다. (a)에 도시된 비교예는 제2 오픈 영역(P2)의 식각에 사용되는 레이저 빔의 프로파일을 나타낸 것이고, (b)에 도시된 실시예는 제3 오픈 영역(P3)의 식각에 사용되는 레이저 빔의 프로파일을 나타낸 것이다.
(a)에서 원형의 빔 프로파일이 이동하면서 조사되는데, 각각의 빔 프로파일이 서로 분리되지 않게 조사되고 있다. (b)에서 타원형의 빔 프로파일이 이동하면서 조사되며, 역시 각각의 빔 프로알이 서로 분리되지 않게 조사되고 있다.
동일한 길이(도 14에서 상하 방향으로)를 식각한다고 할 때, (b)에 도시된 실시예는 4번의 레이저 조사 만으로 가능하나 (a)에 도시된 실시예는 8번의 레이저 조사 만으로 가능하다. 즉, (b)는 (a)에 비하여 레이저 조사횟수를 감소시킬 수 있다.
도 15는 도 12의 빔 프로파일 변환 유닛을 종래와 비교한 도면이다.
렌즈, 특히 볼록 형상의 렌즈에서 입사되는 빛(레이저)를 타원형의 빛(레이저)로 포커싱하기 위하여, 본 실시예에서는 렌즈(240)를 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행방향에 대하여 소정 각도 경사지게 상기 렌즈(240)를 배치하고 있다.
즉, 비교예에서는 레이저 빔 변환 유닛(230)이 입사되는 빛에 대하여 수직하게 배치되어 원형의 빔 프로파일을 형성하는데, 실시예에서는 렌즈(240)가 입사되는 빛에 대하여 예각으로 기울어져 배치되어 타원형의 빔 프로파일을 형성하고 있다.
이때, 상기 렌즈(240)가 입사되는 빛에 대하여 기울어지는 각도가 클수록 장반경과 단반경의 길이차가 큰, 즉 이심율이 큰 타원을 형성하게 된다. 본 실시예에서 상기 렌즈(240)는 광축이 상기 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행 방향과 15~45도를 이루도록 배치할 수 있다.
여기서, 렌즈(240)의 광축은 렌즈의 한 쪽 방향의 중심으로부터 입사되어 다른 쪽 방향의 중심으로 진행하는 빛의 이동 경로를 연결한 가상의 선을 뜻하며, 도 4에서 렌즈(240)를 지나는 3개의 점선 중 가운데의 점선을 연결하면 된다.
상술한 레이저 스크라이빙 장치는 타원형의 빔 프로파일을 가진 레이저로 제2 전극(40)의 금속을 식각하는데, 빔 프로파일 내의 타원의 장반경이 레이저의 이동방향에 위치한다. 따라서, 비교예보다 적은 횟수로 동일한 길이를 식각할 수 있고, 또한 제3 오픈 영역(P3)의 폭이 제2 오픈 영역(P2)보다 좁은 폭으로 식각될 수 있다.
따라서, 레이저 빔 프로파일의 변경을 통하여 저진동수의 레이저로도 생산성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제3 오픈 영역의 식각 공정 진행 후에도 누설전류의 문제점이 발생하지 않고, 태양전지의 유효 영역이 증가할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이 저진동수의 레이저를 사용하면, 펄스 지속 시간(Pulse Duration Time)을 감소킬 수 있고 따라서 더 높은 피크 에너지(Peak Energy)를 낼 수 있으므로 식각 공정이 충분히 진행되어 누설 전류가 감소한다.
실시예와 같이 레이저 빔 프로파일이 장반경과 단반경의 비가 3 대 1 내지 4 대 1인 타원형의 프로파일을 갖는 레이저 스크라이빙 장치로 제3 오픈 영역을 식각하고, 제2 오픈 영역과 제3 오픈 영역의 식각 폭의 비를 1.3 대 1 내지 2 대 1로 하여 제3 오픈 영역의 폭을 상대적으로 식각할 수 있다. 이때, 제3 노출 영역의 가공 속도는 종래의 2배 내지 2.5배까지 증가할 수 있다.
그리고, 전체 태양전지에서 도 1에 도시된 바와 같이 유효 영역의 폭과 비유효 영역의 폭의 비는 70 대 3 내지 100 대 3을 이루고, 상기 비유효 영역 내에서 상기 제3 영역의 폭이 1/4 내지 1/6을 이루면, 데드 영역이 줄어들고 광 변환 면적이 상대적으로 증가한다.
도 17은 도 1의 태양전지를 상세히 나타낸 도면이다.
기판(10) 위에 제1 전극(20)과, P층(31)과 I층(32)과 N층(33)를 포함하는 반도체층(30) 및 제2 전극(40)이 배치되어 있다. 제1 전극(20)과 반도체층(30) 및 제2 전극(40) 내의 제1,2,3 오픈 영역의 위치 관계는 도 1에서 설명한 것과 동일하다.
기판(10)은 태양 전지를 이루는 본체가 되며, 광투과율이 우수하며 박막 태양전지 내에서의 내부 단락을 방지할 수 있도록 투명 절연성 재질을 사용하는데, 일 예로서 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘을 사용한다.
그리고, 제1 전극(20)은 기판(10)을 통하여 태양광이 반도체층(30)으로 입사될 수 있도록 투명 전도성 물질로 형성하는데, 상술한 ZnO외에 SnO2 등의 투명 도전성 물질로 형성할 수 있다.
반도체층(30)은 태양광이 입사될 때 광기전력이 생성되는 물질로 이루어지고, 예를 들어, 광전 변환 층(120)은 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있으며 기타 실리콘 계열, 화합물 계열 및 유기물 계열로 이루어질 수도 있다.
그리고, 반도체층(30)은 단일접합(single junction) 구조 또는 이중접합(double junction) 적층구조 또는 삼중접합(triple junction) 이상의 적층구조일 수 있다. 반도체층(30)은 P층(31) I층(32), 및 n층(33)으로 구성되는데, n층과 p층의 순서가 바뀔 수도 있다.
그리고, 반도체층(30) 상의 제2 전극(40)은 빛을 반사하는 특성이 좋고 전극으로써 기능하는 전도성 물질로 형성되며, 일 예로서 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr) 중 어느 하나 또는 복층으로 구성될 수 있다.
상술한 레이저 스크라이빙 장치와, 태양전지 및 그 제조방법은 태양전지, 반도체소자 및 평면표시장치 등, 기판 상에 특정 재료를 박막으로 증착하는데 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 기판 20 : 제1 기판
30 : 반도체층 31 : P층
32 : I층 33 : N층
40 : 제2 기판 100 : 태양 전지
200 : 레이저 스크라이빙 장치 210 : 거치대
220 : 레이저 생성기 230 : 빔 프로파일 변환 유닛
240 : 렌즈

Claims (16)

  1. 레이저 빔을 조사하는 적어도 하나의 레이저 생성기;
    상기 레이저 생성기로부터 레이저 빔을 제공받고, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 프로파일 변환 유닛; 및
    상기 적어도 하나의 레이저 생성기를 지지하는 거치대를 포함하는 레이저 스크라이빙 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 프로파일 변환 유닛은,
    상기 레이저 생성기로부터 입사된 레이저 빔의 프로파일을 타원형으로 변환하는 레이저 스크라이빙 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 타원형으로 변환된 레이저 빔을 나란히 중첩하여 조사하는 레이저 스크라이빙 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 레이저 생성기는,
    원형의 프로파일을 갖는 레이저 빔을 조사하는 레이저 스크라이빙 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 빔 프로파일 변환 유닛은,
    볼록 렌즈인 레이저 스크라이빙 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 볼록 렌즈는,
    상기 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행 방향에 대하여 예각으로 배치된 레이저 스크라이빙 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈는 광축이 상기 레이저 생성기로부터 입사되는 빛의 진행 방향과 15~45도로 배치되는 레이저 스크라이빙 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 레이저 생성기를 포함하고, 상기 빔 프로파일 변환 유닛은 인접한 적어도 2개의 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔을 중첩하여 타원형의 프로파일을 갖는 하나의 레이저 빔으로 변환하는 레이저 스크라이빙 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,상기 빔 프로파일 변환 유닛은,
    상기 레이저 생성기로부터 입사된 레이저 빔의 프로파일을 장반경과 단반경의 비가 3 대 1 내지 4 대 1인 타원형으로 변환하는 레이저 스크라이빙 장치.
  10. 기판 상의 일부 영역에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 위의 일부 영역 위에 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 반도체층 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 전극의 일부를 식각하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 전극의 일부를 식각하는 단계는 타원형의 프로파일을 가진 레이저빔을 사용하는 태양 전지의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 타원형의 프로파일을 가진 레이저 빔은,
    적어도 2개의 레이저 생성기로부터 조사된 레이저 빔이 중첩된 태양 전지의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 타원형의 프로파일을 가진 레이저 빔은,
    장반경과 단반경의 비가 3 대 1 내지 4 대 1인 타원형의 프로파일을 갖는 태양 전지의 제조방법.
  13. 기판 상의 일부에 형성된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 일부에 차례로 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 상의 일부에 형성된 제2 전극을 포함하고,
    제1 전극 상에 상기 반도체층이 형성되지 않은 제2 오픈 영역의 폭과 상기 반도체층 상에 상기 제2 전극이 형성되지 않은 제3 오픈 영역의 폭의 비는 1.3 대 1 내지 2 대 1인 태양 전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 반도체층과 제2 전극이 중첩되는 유효 영역의 폭과, 비유효 영역의 폭의 비는 70 대 3 내지 100 대 3인 태양 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비유효 영역의 폭과 상기 제3 영역의 폭의 비는 4 대 1 내지 6 대 1인 태양 전지.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 반도체층은,
    비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘으로 이루어지고 P층과 I층 및 N층을 포함하는 태양 전지.
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