KR20140117631A - 태양 전지의 제조를 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템 - Google Patents

태양 전지의 제조를 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템 Download PDF

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토마스 패스
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Abstract

제조 중인 태양 전지(105)로부터 재료를 제거하기 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템(100). 레이저 시스템(100)은 단일 펄스 레이저원(102) 및 다중-펄스 발생기(106)를 포함한다. 다중-펄스 발생기(106)는 단일 펄스 레이저원(102)으로부터 단일 펄스 레이저 빔(103)을 수용하고 이 단일 펄스 레이저 빔(103)을 다중-펄스 레이저 빔(107)으로 변환시킨다. 레이저 스캐너(104)가 다중-펄스 레이저 빔(107)을 태양 전지(105) 상으로 스캔하여 태양 전지(105)로부터 재료를 제거한다.

Description

태양 전지의 제조를 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템{LASER SYSTEM WITH MULTIPLE LASER PULSES FOR FABRICATION OF SOLAR CELLS}
본 명세서에 기술된 주제의 실시예는 일반적으로 태양 전지(solar cell) 제조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 주제의 실시예는 태양 전지를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 방사선을 전기 에너지로 변환시키기 위한 주지된 장치이다. 이들은 반도체 처리 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있다. 태양 전지는 P-형 및 N-형 확산 영역(diffusion region)들을 포함한다. 태양 전지에 충돌하는 태양 방사선은 확산 영역들로 이동하는 전자들 및 정공들을 생성함으로써, 확산 영역들 사이에 전압차를 생성한다. 배면 접점(backside contact) 태양 전지에서, 확산 영역들 및 이들에 결합된 금속 접촉 핑거(contact finger)들 둘 모두는 태양 전지의 배면 상에 있다. 접촉 핑거들은 외부 전기 회로가 태양 전지에 결합되고 그에 의해 급전되는 것을 허용한다.
태양 전지의 접촉 핑거는 확산 영역을 노출시키는 접점 구멍을 관통하여 형성된다. 본 발명의 실시예는 태양 전지 상의 재료를 제거하기 위해, 예를 들어 재료를 관통하여 접점 구멍을 형성하기 위해 다중-펄스 레이저 빔을 발생시키는 구성가능한(configurable) 레이저 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하는 방법은 단일 펄스 레이저원으로부터 단일 펄스 레이저 빔을 발사하는 단계를 포함한다. 단일 펄스 레이저 빔은 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔으로 분할된다. 제1 레이저 빔은 제1 광학 경로(optical path)를 따라 지향되고 제2 레이저 빔은 제2 광학 경로를 따라 지향되며, 제2 광학 경로는 제1 광학 경로보다 길다. 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 포함하는 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합되며, 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스는 레이저 펄스 지연 시간에 의해 분리된다. 다중-펄스 레이저 빔은 태양 전지의 재료에 충돌되어 재료의 부분들을 제거한다.
일 실시예에서, 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하기 위한 레이저 시스템은 단일 펄스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 단일 펄스 레이저원, 단일 펄스 레이저원의 하우징 외부에 있는 다중-펄스 발생기 - 다중-펄스 발생기는 단일 펄스 레이저원으로부터의 단일 펄스 레이저 빔을 다중-펄스 레이저 빔으로 변환시키도록 구성됨 -, 태양 전지 기판을 가로질러 다중-펄스 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 레이저 스캐너, 및 태양 전지 기판을 지지하는 스테이지를 포함한다.
일 실시예에서, 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하는 방법은 단일 펄스 레이저원으로부터 단일 펄스 레이저 빔을 발사하는 단계를 포함하며, 단일 펄스 레이저 빔은 펄스 반복률로 발사되는 단일 레이저 펄스를 포함한다. 단일 펄스 레이저 빔은 버스트(burst) 반복률의 레이저 펄스들의 버스트들을 포함하는 다중-펄스 레이저 빔으로 변환되며, 레이저 펄스들의 각각의 버스트는 복수의 레이저 펄스를 포함한다. 다중-펄스 레이저 빔은 태양 전지 상으로 스캔된다. 다중-펄스 레이저 빔은 태양 전지 상의 재료에 충돌되어 재료의 부분들을 제거한다.
첨부 도면 및 특허청구범위를 포함하는 본 명세서 전체를 읽은 후에 본 발명의 이들 및 다른 특징들이 당업자에게 용이하게 명백할 것이다.
하기 도면과 관련하여 고려될 때 상세한 설명 및 특허청구범위를 참조함으로써 본 주제의 보다 완전한 이해가 얻어질 수 있으며, 도면에서 유사한 도면 부호는 도면들 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지시한다. 도면은 일정한 축척이 아니다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하기 위한 태양 전지 레이저 시스템을 도시하는 개략도.
<도 2 내지 도 4>
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 레이저 시스템을 사용하여 제조 중인 태양 전지의 단면을 도시하는 도면.
<도 5>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중-펄스 발생기의 개략도.
<도 6>
도 6은 단일 펄스 레이저 빔의 개략도.
<도 7>
도 7은 도 6의 단일 펄스 레이저 빔에서의 레이저 펄스의 개략도.
<도 8>
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중-펄스 레이저 빔의 레이저 펄스의 개략도.
<도 9>
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 8의 다중-펄스 레이저 빔을 도시하는 도면.
<도 10>
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-펄스 레이저 빔을 도시하는 도면.
<도 11>
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-펄스 발생기의 개략도.
<도 12>
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 파워 미터(power meter)를 갖는 도 11의 다중-펄스 발생기의 개략도.
본 명세서에서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 장치, 구성요소, 및 방법의 예들과 같은 많은 구체적인 상세사항이 제공된다. 그러나, 그 구체적인 상세사항들 중 하나 이상 없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 태양을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려져 있는 상세사항은 도시되거나 기술되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하기 위한 태양 전지 레이저 시스템(100)을 도시하는 개략도이다. 도 1의 예에서, 레이저 시스템(100)은 단일 펄스 레이저원(102), 다중-펄스 발생기(106), 레이저 스캐너(104), 및 스테이지(108)를 포함한다. 레이저원(102)은 구매가능한 단일 펄스 레이저원일 수 있다. 레이저원(102)은, 그것이 버스트 모드로 다중 레이저 펄스를 발사할 수 없다는, 즉 버스트 반복률로 서로 비교적 근접하게 발사되는 다중 레이저 펄스를 발사할 수 없다는 점에서, 단일 펄스 레이저원이다. 레이저원(102)은 펄스 반복률당 단일 레이저 펄스를 갖는 고도로 선형 편광된(예를 들어, 편광 광 대 비-편광 광의 비(ratio)가 100:1 초과) 단일 펄스 레이저 빔(103)을 발생시킨다.
일부 태양 전지는 접점 구멍이 관통하여 형성되는 다중 층을 갖는다. 이들 층을 관통하는 접점 구멍은 바람직하게는 다중-펄스 레이저원을 사용하여 형성된다. 그의 명칭이 암시하는 바와 같이, 다중-펄스 레이저원은 버스트 반복률로 레이저 펄스들의 버스트들을 발사할 수 있다. 각각의 버스트는 2개 이상의 레이저 펄스를 포함한다. 각각의 버스트에서의 펄스들은 버스트 반복 주기에 비해 매우 짧은 시간적 거리를 갖는다. 불행하게도, 다중-펄스 레이저원은 전형적으로 그의 단일 펄스 상대물(counterpart)에 비해 더 고가이며 더 적은 이용가능성을 갖는다. 다중-펄스 발생기(106)는 단일 펄스 레이저원(102)으로부터의 단일 펄스 레이저 빔(103)을 다중-펄스 레이저 빔(107)으로 변환시킴으로써 이러한 문제에 대처한다. 다중-펄스 레이저 빔(107)은 단지 예시의 목적으로 버스트당 2개의 레이저 펄스를 갖는 것으로 도시되어 있다. 다중-펄스 발생기(106)는 단일 펄스 레이저 빔(103)을 버스트당 2개 초과의 레이저 펄스를 갖는 다중-펄스 레이저 빔(107)으로 변환시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 다중-펄스 발생기(106)는 레이저원(102)의 하우징 외부에 있다. 이는 유리하게도 다중-펄스 발생기(106)가 레이저원(102)의 구조에 의해 제약됨이 없이 구성되는 것을 허용한다. 또한, 다중-펄스 발생기(106)를 레이저원(102)의 외부에 그리고 그로부터 분리되어 있게 하는 것은, 특정 태양 전지 제조 공정 요구를 충족시키기 위해 다중-펄스 발생기(106)가 다중-펄스 레이저 빔(107)을 조정하도록 용이하게 구성가능하게 한다.
레이저 스캐너(104)는 독일 소재의 스캔랩(ScanLab) 및 캠브리지 테크놀로지스(Cambridge Technologies)로부터 구매가능한 것들과 같은 검류계 레이저 스캐너(galvanometer laser scanner)를 포함할 수 있다. 스테이지(108)는 제조 중인 태양 전지(105)를 지지한다. 스테이지(108)는 받침대(pedestal), 척(chuck), 또는 다른 기판 지지체를 포함할 수 있다.
작동 시, 레이저원(102)은 단일 펄스 레이저 빔(103)을 다중-펄스 발생기(106) 상으로 발사한다. 다중-펄스 발생기(106)는 레이저 스캐너(104)에 의한 스캔을 위해 이 단일 펄스 레이저 빔(103)을 다중-펄스 레이저 빔(107)으로 변환시킨다. 레이저 스캐너(104)는 제조 중인 태양 전지(105)에 충돌하도록 다중-펄스 레이저 빔(107)을 스캔하여 태양 전지(105)로부터 재료를 제거하는데, 예를 들어 접점 구멍을 형성한다. 레이저 빔(107)의 레이저 펄스는 레이저 어블레이션(laser ablation) 또는 레이저 어닐링(laser annealing)에 의해 태양 전지(105) 상의 재료를 관통하여 접점 구멍을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조 중인 태양 전지(105)의 단면을 도시하고 있다. 도 2의 예에서, 태양 전지(105)는 N-형 규소 웨이퍼를 포함하는 태양 전지 기판(201)을 포함한다. 유전체 필름 스택(210)이 층(202) 상에 형성된다. 필름 스택(210)은, 도 2의 예에서 필름(211), 필름(212), 및 필름(213)을 포함하는 재료들의 다중 층들을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 필름(211)은 필름(212) 상에 형성될 수 있고, 이는 이어서 필름(213) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 필름(211)은 질화규소의 층을 포함하고, 필름(212)은 비정질 규소의 층을 포함하고, 필름(213)은 이산화규소를 포함한다.
일 실시예에서, 층(202)은 폴리실리콘(polysilicon)을 포함한다. P-형 확산 영역(203) 및 N-형 확산 영역(204)이 층(202) 내에 형성된다. 태양 전지에 몇 개의 확산 영역이 존재하지만, 도시의 명료함을 위해 각각의 전도형(conductivity type)의 하나만이 도 2에 도시되어 있다. 태양 전지(105)는, 확산 영역(203, 204) - 이들에 전기적으로 결합된 금속 접점(221)을 포함함(도 4 참조) - 이 기판(201)의 배면 위에 태양 전지의 배면 상에 형성된다는 점에서, 배면 접점 태양 전지의 예이다. 정상 작동 동안 태양에 대면하여 태양 방사선을 수집하는 태양 전지(105)의 전면(front side)은 배면의 반대편이다. 도 2의 예에서, 기판(201)의 전면 표면은 랜덤 피라미드(random pyramid)(230)들로 텍스처화된다. 질화규소를 포함하는 반사-방지 층(231)이 전면 상의 텍스처화된 표면 상에 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이 유전체 필름 스택(210)을 관통하여 접점 구멍(220)을 형성하여 확산 영역(203, 204)을 노출시키는 데 레이저 시스템(100)이 채용될 수 있다. 예를 들어, 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스들의 버스트에서의 제1 레이저 펄스가 필름(211, 212)의 부분들을 제거하고 레이저 펄스들의 동일 버스트에서의 제2 레이저 펄스가 필름(213)의 부분들을 제거하여 이들을 관통하여 접점 구멍(220)을 형성할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 접점(221)은 확산 영역(203, 204)에 전기적으로 연결되도록 접점 구멍(220) 내에 형성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중-펄스 발생기(106)의 개략도이다. 도 5의 예에서, 다중-펄스 발생기(106)는 복수의 반파장판(half wave plate)(511)(즉, 511-1, 511-2, 511-3), 복수의 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)(512)(즉, 512-1, 512-2), 및 복수의 방향전환 미러(turning mirror)(513)(즉, 513-1, 513-2)를 포함한다. 다중-펄스 발생기(106)의 방금 기술된 구성요소들은 구매가능한 광학적 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 편광 빔 스플리터(512)는 구매가능한 편광 빔 스플리터 큐브(cube)를 포함할 수 있다.
다중-펄스 발생기(106)는 단일 펄스 레이저원(102)으로부터 고도로 선형 편광된 단일 펄스 레이저 빔(103)을 수용한다. 단일 펄스 레이저 빔(103)은, 그의 선형 편광 성분 대 비-편광 성분의 비가 100:1 초과인 점에서, 고도로 선형 편광된다.
도 6은 단일 펄스 레이저 빔(103)의 개략도를 도시하고 있다. 레이저 빔(103)은 1/t0과 동일한 펄스 반복률로 레이저원(102)에 의해 발사된 레이저 펄스(601)들을 포함한다. 즉, 레이저원(102)은 t0초(예를 들어, 5 마이크로초)마다 단일 레이저 펄스(601)를 발사한다. 레이저원(102)의 펄스 반복 주기는 전형적으로 가변적이지 않거나, 다중-펄스 레이저 빔의 레이저 펄스들의 버스트에서의 레이저 펄스들 사이의 시간적 거리에 비해 적어도 상대적으로 길다. 도 7은 레이저 펄스(601)의 개략도를 도시하고 있다. 레이저 펄스(601)는 피크 세기(peak intensity)(I0) 및 펄스 폭(pulse width)(W0)(예를 들어, 10 ps 또는 15 ps 미만)을 갖는다.
반파장판(511)은 파장의 절반만큼 입사 레이저 빔의 편광을 회전시킨다. 반파장판(511)은 반파장판(511)의 결정학적 광축이 회전하고 이에 의해 편광의 각도를 조절하는 것을 허용하도록 회전 스테이지 상에 장착될 수 있다. 이는 하류측 편광 빔 스플리터(512)에 의해 반사되는 광량 대 투과되는(즉, 입사 레이저 빔과 평행하게 통과하도록 허용되는) 광량의 제어를 허용한다.
도 5의 예에서, 편광 빔 스플리터(512-1)는 레이저 빔(103)을 레이저 빔(121) 및 레이저 빔(122)으로 분할한다. 레이저 빔(121)은 빔 스플리터(512-1)에 의해 반사되는 레이저 빔(103)의 제1 편광 성분(예를 들어, S-편광 성분)을 포함할 수 있는 반면, 레이저 빔(122)은 빔 스플리터(512-1)에 의해 투과되는 레이저 빔(103)의 제2 편광 성분(예를 들어, P-편광 성분)을 포함할 수 있으며, 이때 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 직교한다. 실제로는, 빔 스플리터(512-1)는 거리(L1, L2, L3)를 갖는 연장된 광학 경로를 따라 레이저 빔(121)을 지향시키고, 거리(L2)를 갖는 정상 광학 경로를 따라 레이저 빔(122)을 투과시킨다. 반사되는 레이저 빔(103)의 양 대 투과되는 레이저 빔의 양의 비율은 반파장판(511-1)을 회전시킴으로써 조절될 수 있다. 특히, 반파장판(511-1)의 결정학적 광축을 회전시키는 것은, 정상 광학 경로를 따라 빔 스플리터(512-1)에 의해 투과되는 레이저 빔(122)에 대한, 연장된 광학 경로를 따라 빔 스플리터(512-1)에 의해 반사되는 레이저 빔(121)의 양 및 이에 따른 세기의 조절을 허용한다.
빔 스플리터(512-1)는 레이저 빔(121)을 방향전환 미러(513-1)로 지향시키고, 이는 이어서 레이저 빔(121)을 방향전환 미러(513-2)로, 반파장판(511-3)을 통과해, 빔 스플리터(512-2) 상으로 반사한다. 반파장판(511-3)의 결정학적 광축은 레이저 빔(121)이 빔 스플리터(512-2)에 입사하는 최적 스루풋(throughput)을 위한 올바른 편광을 갖는 것을 보장하도록 회전될 수 있다. 따라서, 반파장판(511-3)은 연장된 광학 경로로부터 입사하는 레이저 빔(121)이 대부분 빔 스플리터(512-2)에 의해 반사되어 정상 광학 경로로부터 빔 스플리터(512-2)에 입사하는 레이저 빔(122)과 재결합하게 하는 미세 조정을 허용한다.
레이저 빔(122)은 빔 스플리터(512-1)를 통과하여 직진하고, 반파장판(511-2)을 통과하고, 빔 스플리터(512-2) 상으로 전파된다. 빔 스플리터(512-2)는, 빔 스플리터(511-1)와 마찬가지로, 입사 레이저 빔의 제1 편광 성분을 투과시키고 입사 레이저 빔의 제2 편광 성분을 반사시키도록 구성되며, 이때 제1 편광 성분과 제2 편광 성분은 직교한다. 도 5의 예에서, 빔 스플리터(512-2)는 연장된 광학 경로로부터 입사하는 레이저 빔(121)을 반사시키도록, 그리고 정상 광학 경로로부터 입사하는 레이저 빔(122)을 투과시키도록 구성된다. 실제로는, 빔 스플리터(512-2)는 레이저 빔(121, 122)을 다중-펄스 레이저 빔(107)으로 재결합시키며, 이는 빔 스플리터(512-2)의 전방의 스캐닝 광학 경로를 따라 지향된다. 반파장판(511-2)의 결정학적 광축은 레이저 빔(122)이 빔 스플리터(512-2)를 통한 최적 스루풋을 위한 올바른 편광을 갖는 것을 보장하도록 회전될 수 있다. 따라서, 반파장판(511-2)은 정상 광학 경로로부터 입사하는 레이저 빔(122)이 대부분 빔 스플리터(512-2)에 의해 투과되게 하는 미세 조정을 허용한다. 반파장판(511-2, 511-3)은 미세 조정이 요구되지 않는 시스템에서는 생략될 수 있다.
레이저 빔(121, 122) 각각은 레이저 펄스를 포함한다. 도 5의 예에서, 레이저 빔(121)은 빔 스플리터(512-1)로부터 방향전환 미러(513-1)까지의 거리(L1), 방향전환 미러(513-1)로부터 방향전환 미러(513-2)까지의 거리(L2), 및 방향전환 미러(513-2)로부터 빔 스플리터(512-2)까지의 거리(L3)를 갖는 연장된 광학 경로를 따라 전파된다. 대조적으로, 레이저 빔(122)은 빔 스플리터(512-1)로부터 빔 스플리터(512-2)까지의 거리(L2)를 갖는 정상 광학 경로를 따라 전파된다. 레이저 빔(121)이 보다 긴 광학 경로를 따라 전파되기 때문에, 레이저 빔(121)의 레이저 펄스는 레이저 빔(122)의 레이저 펄스에 비해 지연된다. 따라서, 레이저 빔(121, 122)을 함께 재결합시키는 것은 식 1에 의해 규정되는 레이저 펄스 지연(Δt)만큼 지연되는 2개의 레이저 펄스를 포함하는 다중-펄스 레이저 빔(107)을 생성하며,
[식 1]
Figure pct00001
여기서,
Δd = 연장된 광학 경로의 거리와 정상 광학 경로의 거리 사이의 차이, 및
3.3 ns/m = 광의 속도.
도 5의 예에서,
[식 2]
Figure pct00002
이고,
따라서, 식 1은
[식 3]
Figure pct00003
로 다시 쓸 수 있으며,
여기서,
L1 = 빔 스플리터(512-1)와 방향전환 미러(513-1) 사이의 거리;
L2 = 방향전환 미러(513-2)와 빔 스플리터(512-2) 사이의 거리; 및
3.3 ns/m = 광의 속도.
일반적으로, 레이저 펄스들 사이의 시간적 분리, 즉 레이저 펄스 지연(Δt)은 제2(또는 제3 등) 펄스에 의해 이동되는 거리와 제1 펄스에 의해 이동되는 거리 사이의 차이에 의해 좌우되는데, 여기서 제1 펄스는 정상 광학 경로를 따라 전파되는 레이저 빔의 것이고 제2 및 후속 펄스는 정상 광학 경로보다 긴 연장된 광학 경로를 따라 전파되는 레이저 빔의 것이다. 1미터의 거리 차이마다, 2번째 또는 후속 펄스는 제1 펄스에 대해 3.33 ns만큼 지연된다.
표 1은 다양한 레이저 펄스 지연(Δt) 및 대응하는 광학 경로 거리 차이(Δd)에 대해 식 1을 사용한 예시적 계산을 나타내고 있다.
Figure pct00004
표 1의 예에서, 다중-펄스 레이저 빔(107)의 제1 펄스와 제2 펄스 사이의 1 ns 지연은 정상 광학 경로보다 0.3 m만큼 더 긴 연장된 광학 경로를 필요로 하고, 다중-펄스 레이저 빔(107)의 제1 펄스와 제2 펄스 사이의 5 ns 지연은 정상 광학 경로보다 1.5 m만큼 더 긴 연장된 광학 경로를 필요로 하는 등등이다.
이해될 수 있는 바와 같이, 다중-펄스 발생기(106)는 정상 광학 경로의 거리에 대한 연장된 광학 경로의 거리를 변화시킴으로써 상이한 레이저 펄스 지연들을 갖도록 구성될 수 있다. 유리하게는, 다중-펄스 발생기(106)를 레이저원(102)의 하우징 외부에 있게 하는 것은, 설계자가 특정 공정 요건을 충족시키기 위해 연장된 광학 경로의 거리와 정상 광학 경로의 거리를 자유롭게 변화시키는 것을 허용한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스(621)(즉, 621-1, 621-2)의 개략도를 도시하고 있다. 도 8의 예에서, 다중-펄스 레이저 빔(107)은 피크 세기(I1) 및 펄스 폭(W1)을 갖는 레이저 펄스(621-1)와 피크 세기(I2) 및 펄스 폭(W2)을 갖는 레이저 펄스(621-2)를 포함하는 레이저 펄스들의 버스트를 갖는다. 일반적으로, 펄스 폭(W1, W2) 각각은 단일 펄스 레이저 빔(103)의 입력 레이저 펄스(601)의 펄스 폭(W0)과 동일하다. 레이저 펄스(621-1)는 레이저 빔(122)으로부터의 것일 수 있는 반면, 레이저 펄스(621-2)(지연된 레이저 펄스)는 레이저 빔(121)으로부터의 것일 수 있다. 레이저 펄스(621)들은 레이저 펄스 지연(Δt)에 의해 분리되며, 이는 앞서 설명된 바와 같이 변화될 수 있다.
레이저 빔(103)의 레이저 펄스(601)(도 6 참조)의 세기(I0)는 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스들의 세기들의 총계를 제한한다. 일반적으로,
[식 4]
I0=(I1+I2+..IN)이며,
여기서,
I0 = 단일 펄스 레이저 빔(103)의 레이저 펄스(601)의 피크 세기;
I1 = 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스(621-1)의 피크 세기;
I2 = 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스(621-2)의 피크 세기;
IN = 다중-펄스 레이저 빔(107)의 n번째 레이저 펄스(621)의 피크 세기.
식 4는 이상적 조건에 대한 것이며, 광학적 손실을 고려하고 있지 있다. 다중-펄스 레이저 빔(107)이 버스트당 2개의 레이저 펄스(621)를 갖는 일 실시예에서,
[식 5]
Figure pct00005
이다.
즉, 생성되는 레이저 펄스(621-1, 621-2)의 피크 세기들 각각은 단일 펄스 레이저 빔(103)의 레이저 펄스(601)의 피크 세기의 절반과 동일할 수 있다. 레이저 펄스(621-2)의 세기에 대한 레이저 펄스(621-1)의 세기가 반파장판(511-1)의 결정학적 광축을 회전시킴으로써 변화될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 반파장판(511-1)의 결정학적 광축은 레이저 펄스(621-2)의 세기(I2)가 레이저 펄스(621-1)의 세기(I1)보다 작도록, 또는 레이저 펄스(621-2)의 세기(I2)가 레이저 펄스(621-1)의 세기(I1)보다 크도록 회전될 수 있다. 즉, 반파장판(511-1)은
[식 6]
I1>I2
또는
[식 7]
I1<I2이 되도록 조절될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중-펄스 레이저 빔(107)을 도시하고 있다. 도 9의 예에서, 레이저 펄스(621-1, 621-2)는 레이저 펄스 버스트(620)의 일부이다. 각각의 버스트(620)에 대해, 레이저 펄스(621-1, 621-2)의 시간적 분리는 앞서 설명된 바와 같이 레이저 펄스 지연(Δt)에 대응한다. 버스트(620)는 1/t3과 동일한 버스트 반복률로 반복될 수 있다. 즉, 버스트(620)가 t3초마다 다중-펄스 발생기(106)에 의해 발생된다. 일 실시예에서, 버스트 반복 주기(t3)는 단일 펄스 레이저 빔(103)의 펄스 주기(t0)와 동일하다. 레이저 펄스 지연(Δt)은 버스트 반복 주기(t3)보다 훨씬 작다. 예를 들어, 레이저 펄스 지연(Δt)은 2, 2.5 또는 5 마이크로초일 수 있는 반면, 버스트 반복 주기(t3)는 10 ns일 수 있다.
상기에 비추어, 추가의 광학적 구성요소들, 예를 들어 추가의 반파장판(511), 방향전환 미러(513), 및 빔 스플리터(512)를 포함시킴으로써 다중-펄스 발생기(106)가 단일 레이저 펄스로부터 버스트당 2개 초과의 레이저 펄스를 출력할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 다중-펄스 레이저 빔(107)은 t3초마다 버스트(630)를 발생시킬 수 있으며, 이때 각각의 버스트(630)는 레이저 펄스(631-1, 631-2, 631-3 등)를 포함한다. 레이저 펄스(631)들 사이의 레이저 펄스 지연(Δt)은 레이저 펄스(631)들에 의해 이동되는 광학 경로 거리를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-펄스 발생기(106A)의 개략도이다. 다중-펄스 발생기(106A)는 도 5의 다중-펄스 발생기(106)의 특정 실시예이다. 도 11의 예에서, 다중-펄스 발생기(106A)는 복수의 반파장판(511), 복수의 빔 스플리터(512), 및 복수의 방향전환 미러(513)를 포함한다. 또한, 다중-펄스 발생기(106A)는 광학 레일(640) 및 슬라이더(slider)(641)를 포함하는 캐리지 조립체를 추가로 포함한다. 방향전환 미러(513)는 슬라이더(641) 상에 장착될 수 있으며, 이는 광학 레일(640) 상에 이동가능하게 얹혀 있다. 슬라이더(641)는 방향전환 미러(513)를 이동시키고 거리(L1, L3)를 변화시켜서, 레이저 빔(121)에 의해 이동되는 연장된 광학 경로 거리를 변화시키도록 광학 레일(640) 상에서 활주할 수 있다. 레이저 빔(121)에 의해 이동되는 광학 경로 거리는 앞서 설명된 바와 같이 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스들 사이의 레이저 펄스 지연(Δt)에 영향을 미친다. 따라서, 슬라이더(641)는 태양 전지 기판(105)으로부터 특정 재료를 제거하도록 조정된 레이저 펄스 지연(Δt)을 갖는 다중-펄스 레이저 빔(107)을 발생시키도록 용이하게 조절될 수 있다. 다중-펄스 발생기(106A)는 그렇지 않으면 다중-펄스 발생기(106)와 동일한 방식으로 작동한다.
앞서 설명된 바와 같이, 레이저 빔(122)에 대한 레이저 빔(121)의 세기의 비율은 반파장판(511-1)의 결정학적 광축을 회전시킴으로써 조절될 수 있다. 또한, 정상 경로의 거리에 대한 연장된 광학 경로의 거리는 다중-펄스 레이저 빔(107)의 펄스들 사이의 레이저 펄스 지연을 조절하도록 변화될 수 있다. 도 12는 파워 미터(130, 131)를 갖는 다중-펄스 발생기(106A)의 개략도를 도시하고 있으며, 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스들 사이의 지연 및 레이저 펄스들의 세기들이 본 발명의 일 실시예에 따라 조절될 수 있는 방법을 예시하고 있다.
도 12의 예에서, 파워 미터(130)가 레이저 빔(103)과 일직선에 배치되고 파워 미터(131)가 레이저 빔(121)과 일직선에 배치된다. 파워 미터(130, 131)는 입사 레이저 빔의 파워의 측정값(reading)을 제공한다. 다중-펄스 레이저 빔(107)의 레이저 펄스들 사이의 10 ns 레이저 펄스 지연을 갖는 50/50 세기 분할을 얻기 위해, 반파장판(511-1)은 파워 미터(130, 131)가 동일한 파워 측정값을 제공하도록 조절된다. 이어서, 슬라이더(641)는 거리(L1)에 거리(L3)를 더한 것이 3 미터가 되도록 이동된다. 식 3으로부터, 이는 레이저 펄스들 사이의 10 ns의 레이저 펄스 지연 시간을 생성한다.
다른 예로서, 다중-펄스 레이저 빔(107)의 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스 사이의 15 ns 레이저 펄스 지연을 갖는 80/20 세기 분할을 얻기 위해, 반파장판(511-1)은 파워 미터(131)가 파워 미터(130)에 의해 제공되는 파워 측정값의 20%인 파워 측정값을 제공하도록 조절된다. 이어서, 슬라이더(641)는 거리(L1)에 거리(L3)를 더한 것이 4.5 미터가 되도록 이동된다. 식 3으로부터, 이는 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스 사이의 15 ns의 레이저 펄스 지연 시간을 생성한다.
태양 전지의 제조를 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템이 개시되어 있다. 본 발명의 특정 실시예들이 제공되었지만, 이들 실시예는 예시의 목적을 위한 것이며 제한하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서를 읽은 당업자에게 많은 추가 실시예가 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 제조 중인 태양 전지(solar cell)로부터 재료를 제거하는 방법으로서,
    단일 펄스 레이저원으로부터 단일 펄스 레이저 빔을 발사하는 단계;
    상기 단일 펄스 레이저 빔을 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔으로 분할하는 단계;
    상기 제1 레이저 빔을 제1 광학 경로(optical path)를 따라 지향시키는 단계;
    상기 제2 레이저 빔을, 상기 제1 광학 경로보다 긴 제2 광학 경로를 따라 지향시키는 단계;
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을, 제1 레이저 펄스 및 제2 레이저 펄스를 포함하는 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합시키는 단계 - 상기 제1 레이저 펄스와 상기 제2 레이저 펄스는 레이저 펄스 지연 시간에 의해 분리됨 -; 및
    상기 다중-펄스 레이저 빔을 태양 전지의 재료에 충돌시켜 상기 재료의 부분들을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 파장판(wave plate)을 통해 상기 단일 펄스 레이저 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 제1 파장판을 통해 상기 단일 펄스 레이저 빔을 지향시킨 후에, 제1 빔 스플리터(beam splitter)를 사용하여 상기 단일 펄스 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔으로 분할하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 빔 스플리터로부터, 그리고 상기 제2 광학 경로 상의 제1 방향전환 미러(turning mirror) 상으로 반사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향전환 미러로부터 상기 제2 광학 경로 상의 제2 방향전환 미러로 반사시키는 단계; 및
    상기 제2 레이저 빔을 상기 제2 방향전환 미러로부터, 제2 파장판을 통해, 그리고 제2 빔 스플리터 상으로 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔을 상기 제1 빔 스플리터를 통해, 제2 파장판을 통해, 그리고 상기 제2 빔 스플리터 상으로 투과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합시키는, 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔의 세기(intensity)를 조절하기 위해 상기 제1 파장판을 회전시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 펄스와 상기 제2 레이저 펄스 사이의 상기 레이저 펄스 지연 시간을 조절하기 위해, 상기 제1 광학 경로의 거리에 대한 상기 제2 광학 경로의 거리를 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하기 위한 레이저 시스템으로서,
    단일 펄스 레이저 빔을 발생시키도록 구성된 단일 펄스 레이저원;
    상기 단일 펄스 레이저원의 하우징 외부에 있는 다중-펄스 발생기 - 상기 다중-펄스 발생기는 상기 단일 펄스 레이저 빔을 다중-펄스 레이저 빔으로 변환시키도록 구성됨 -;
    태양 전지 기판을 가로질러 상기 다중-펄스 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 레이저 스캐너; 및
    상기 태양 전지 기판을 지지하는 스테이지를 포함하는, 레이저 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다중-펄스 발생기는,
    상기 단일 펄스 레이저 빔과 일직선에 있는 제1 반파장판; 및
    상기 제1 반파장판으로부터 상기 단일 펄스 레이저 빔을 수용하는 제1 편광 빔 스플리터 - 상기 제1 편광 빔 스플리터는 상기 단일 펄스 레이저 빔을 제1 광학 경로 상으로 지향되는 제1 레이저 빔 및 제2 광학 경로 상으로 지향되는 제2 레이저 빔으로 분할하도록 구성됨 - 를 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 다중-펄스 발생기는 상기 제2 광학 경로의 거리를 조절하도록 구성된 캐리지 조립체를 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 다중-펄스 발생기는,
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합시키도록 구성된 제2 편광 빔 스플리터를 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다중-펄스 발생기는,
    상기 제1 편광 빔 스플리터로부터 상기 제1 레이저 빔을 수용하도록 구성된 제2 반파장판 - 상기 제2 반파장판은 상기 제1 레이저 빔과 일직선에 있고 상기 제1 편광 빔 스플리터와 상기 제2 편광 빔 스플리터 사이에 있음 - 을 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다중-펄스 발생기는,
    상기 제2 레이저 빔을 수용하도록 구성되고 상기 제2 레이저 빔 및 상기 제2 편광 빔 스플리터와 일직선에 있는 제3 반파장판을 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔을 제2 방향전환 미러 상으로 반사시키도록 구성된 제1 방향전환 미러; 및
    상기 제2 방향전환 미러를 추가로 포함하는, 레이저 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 방향전환 미러 및 상기 제2 방향전환 미러는 레일들 상에 이동가능하게 지지되는, 레이저 시스템.
  17. 제조 중인 태양 전지로부터 재료를 제거하는 방법으로서,
    단일 펄스 레이저원으로부터 단일 펄스 레이저 빔을 발사하는 단계 - 상기 단일 펄스 레이저 빔은 펄스 반복률로 발사되는 단일 레이저 펄스를 포함함 -;
    상기 단일 펄스 레이저 빔을, 버스트(burst) 반복률의 레이저 펄스들의 버스트들을 포함하는 다중-펄스 레이저 빔으로 변환시키는 단계 - 레이저 펄스들의 각각의 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함함 -;
    상기 다중-펄스 레이저 빔을 태양 전지 상으로 스캔하는 단계; 및
    상기 다중-펄스 레이저 빔을 상기 태양 전지 상의 재료에 충돌시켜 상기 재료의 부분들을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 단일 펄스 레이저 빔을 상기 다중-펄스 레이저 빔으로 변환시키는 단계는,
    상기 단일 펄스 레이저 빔을 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔으로 분할하는 단계;
    상기 제1 레이저 빔을 제1 광학 경로를 따라 지향시키는 단계;
    상기 제2 레이저 빔을, 상기 제1 광학 경로보다 긴 제2 광학 경로를 따라 지향시키는 단계; 및
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 제1 빔 스플리터가 상기 단일 펄스 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔으로 분할하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 제2 빔 스플리터가 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 다중-펄스 레이저 빔으로 재결합시키는, 방법.
KR1020147023799A 2012-01-31 2012-10-16 태양 전지의 제조를 위한 다중 레이저 펄스를 갖는 레이저 시스템 KR20140117631A (ko)

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