KR20210108085A

KR20210108085A - 발전효율을 높이는 태양전지 셀 제조 장치

Info

Publication number: KR20210108085A
Application number: KR1020200022861A
Authority: KR
Inventors: 최기철
Original assignee: 주식회사 엔엔에스브이
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-09-02

Abstract

본 발명은 발전효율을 높일 수 있도록 실리콘 웨이퍼의 밀도가 높은 태양진지 셀 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양진지 셀 제조 장치는 태양전지 셀을 제조하기 위한 웨이퍼의 형상에 대응하는 주형틀이 형성된 금형과, 상기 주형틀에 용융된 웨이퍼 원료가 충진되면, 상기 웨이퍼 원료를 상방으로 승강시킬 수 있도록 상기 금형에 승강 가능하게 설치되는 승강부재와, 상기 승강부재를 승강 또는 하강시키는 액츄에이터와, 상기 용융된 웨이퍼 원료가 경화되는 과정에서 압착되어 밀도가 높아지도록 상기 주형틀에 충진된 웨이퍼 원료를 가압하는 가압수단을 구비한다.
본 발명에 따른 태양진지 셀 제조 장치는 태양전지 셀의 제조비용을 최소화하고, 발전효율을 향상시킬 수 있기 때문에 태양광 발전시설의 보급비용을 현저히 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

Description

발전효율을 높이는 태양진지 셀 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING SOLAR CELL FOR HIGH EFFICIENCY}

본 발명은 태양진지 셀 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전효율을 높일 수 있도록 실리콘 웨이퍼의 밀도가 높은 태양전지 셀의 웨이퍼 제조장치에 관한 것이다.

태양전지를 그의 기판재료를 기초로 하여 분류하면, 크게 나누어 실리콘 결정계 태양전지, 아마포스(비정질)실리콘계 태양전지 및 화합물반도체계 태양전지의 3종류를 들수 있고, 또한 실리콘 결정계 태양전지에는 단결정계 태양전지와 다결정계 태양전지가 있다.

이중에서 태양전지로서 가장 중요한 특성인 변환효율이 높은 태양전지는 화합물 반도체계 태양전지로서, 그 변환효율은 25%가까이에 이른다. 그러나, 화합물 반도체계 태양전지는 그 재료가 되는 화합물반도체를 만드는 것이 매우 어렵고, 태양전지기판의 제조비용면에서 일반적으로 보급하는데는 문제가 있고, 그 용도는 한정되는 것으로 되어 있다.

또한, 여기서 "변환효율"이란 "태양전지에 입사된 광에너지에 대하여, 태양전지에 의하여 전기에너지로 변환하여 뽑아낼 수 있는 에너지의 비율"을 표시하는 값으로 백분율(%)로 나타낸 값을 말한다(광전변환효율이라고도 함) 화합물반도체계 태양전지 다음으로 변환효율이 높은 태양전지로서는 실리콘 단결정계 태양전지이고, 그 발전효율은 20%전후로 화합물반도체태양전지에 가까운 변환효율을 가지고 있고, 태양전지기판도 비교적 용이하게 조달할 수 있기 때문에, 일반적으로 보급되어 있는 태양전지의 주력이 되고 있다.

또한, 변환효율은 5∼15%정도로 전술한 2가지의 태양전지에는 미치지 못하지만, 태양전지기판재료의 제조비용이 저렴하다는 점에서 실리콘 다결정계 태양전지 및 아마포스(비정질)계 태양전지 등도 실용화되고 있다. 다음에, 일반적인 실리콘 단결정계 태양전지셀의 제조방법을 간단히 설명한다.

우선, 태양전지셀의 기판이 되는 실리콘 웨이퍼를 얻기위하여 쵸크랄스키법(이하, CZ법, Czochralski법으로도 기재함) 또는 부유대역용융법(이하, FZ법, Floating zone 법로 기재함)에 의하여 원주상의 실리콘 단결정 잉고트를 제조한다.

다음에, 이 잉고트를 슬라이스하여 두께 300㎛정도의 얇은 웨이퍼로 가공하고, 웨이퍼 표면을 약액으로 에칭하여 표면상의 가공변형을 제거하는 것에 의하여 태양전지 셀이 되는 웨이퍼(기판)가 얻어진다.

이 웨이퍼에 불순물(도펀트)의 확산처리를 실시하여 웨이퍼의 한쪽(片側))에 pn접합면을 형성한 후, 양면에 전극을 부착하고, 최후에 태양광의 입사측표면에 광의 반사에 의한 광에너지의 손실을 저감하기 위한 반사방지막을 부착하는 것으로 태양전지 셀이 완성된다.

그런데 상술한 바와 같이 종래의 태양전지 셀을 제조하기 위한 웨이퍼의 제작 과정이 원주상의 실리콘 단결정 잉코트를 제작한 다음 이를 절단 및 가공하는 과정을 거치게 되므로, 작업 공수가 늘어나게 되는 문제가 있다.

그리고 태양전지 셀은 실리콘의 밀도와 순도에 의해 발전 효율이 좌우되는데, 종래의 방법으로는 웨이퍼의 밀도를 높이는데 한계가 있어서 태양광 발전효율을 증대시키기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 태양전지 셀을 제작하기 위한 실리콘 웨이퍼를 금형에서 압착 성형함으로써 제작 공수를 줄이고 실리콘의 밀도를 높임으로써 제작비용이 저렴하면서 발전효율이 높은 태양전지 셀의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

일실시예로서, 태양전지 셀의 웨이퍼 제조장치는 태양전지 셀을 제조하기 위한 웨이퍼의 형상에 대응하는 주형틀이 형성된 금형과, 상기 주형틀에 용융된 웨이퍼 원료가 충진되면, 상기 웨이퍼 원료를 상방으로 승강시킬 수 있도록 상기 금형에 승강 가능하게 설치되는 승강부재와, 상기 승강부재를 승강 또는 하강시키는 액츄에이터와, 상기 용융된 웨이퍼 원료가 경화되는 과정에서 압착되어 밀도가 높아지도록 상기 주형틀에 충진된 웨이퍼 원료를 가압하는 가압수단을 구비한다.

상기 액츄에이터는 상기 승강부재의 승강높이를 조절할 수 있도록 형성되며, 상기 금형에는 상기 주형틀에 충진되어 경화되는 웨이퍼 원료가 상기 가압수단에 의해 용이하게 가압될 수 있도록 히터가 설치되는 것이 바람직하고, 상기 가압수단은 상기 주형틀이 형성된 상기 금형의 상면을 따라 회전운동하여 상기 승강부재에 의해 승강된 웨이퍼 원료를 가압하는 가압롤러로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 태양진지 셀 제조 장치는 태양전지 셀의 제조비용을 최소화하고, 발전효율을 향상시킬 수 있기 때문에 태양광 발전시설의 보급비용을 현저히 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 태양진지 셀 제조 장치를 도시한 부분발췌 사시도이다.
도 2는 도 1의 태양진지 셀 제조 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 셀의 제조방법을 도시한 블럭도이다.

이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한 본 출원에서 적어도 2개의 상이한 실시예들이 각각 기재되어 있을 경우, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 별다른 기재가 없더라도 각 실시예들은 구성요소의 전부 또는 일부를 상호 병합 및 혼용하여 사용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 셀의 웨이퍼 제조장치 및 이를 이용한 웨이퍼 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.

먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지 셀의 웨이퍼 제조장치(100)(이하 '웨이퍼 제조장치'라 함)는 금형(10)과, 승강부재(20), 액츄에이터(30), 히터(40) 및 가압수단을 구비한다.

금형(10)은 상면에 태양전지 셀의 웨이퍼 형상에 대응하는 주형틀(12)이 형성되는데, 본 실시예의 웨이퍼는 단면이 육각형으로 형성되기 때문에 금형(10)의 상면으로부터 하방으로 육각형 형태의 충진홈(11)이 형성되며, 이 충진홈(11)에 승강부재(20)가 승강 가능하게 설치됨으로써 용융된 웨이퍼 원료(60)가 충진되는 충진공간 즉 주형틀(12)을 형성하게 된다.

상기 금형(10)의 내부에는 승강부재(20)를 승하강 시키는 액츄에이터(30)가 설치될 수 있는 설치공간이 마련되어 있다.

승강부재(20)는 충진홈(11)을 따라 승강 가능하게 설치되는데, 액츄에이터(30)가 승강부재(20)를 승강 또는 하강시킴에 따라 상기 주형틀(12)의 깊이가 변하게 된다.

히터(40)는 상기 충진홈(11)과 인접하도록 금형(10)에 설치되는데, 주형틀(12)에 용융된 웨이퍼 원료(60)가 충진되었을 때, 웨이퍼 원료(60)의 가압이 용이하게 이루어질 수 있도록 웨이퍼 원료(60)가 지나치게 빨리 경화되는 것을 방지하기 위한 것이다.

웨이퍼 원료(60)는 주형틀(12)에 충진된 후 경화되는 과정 중 밀도를 증가시키기 위해 후술하는 가압수단에 의해 가압되는데, 웨이퍼 원료(60)가 경화된 후에는 가압수단에 의해 가압되는 것이 용이하지 않으며, 가압중 파손이 발생할 우려도 있기 때문에 히터(40)에 의해 가열함으로써 가압수단에 의해 가압이 이루어질 때까지 완전히 경화되지 않도록 한다.

히터(40)는 웨이퍼 원료(60)의 냉각속도가 05 ~ 12℃/min가 되도록 냉각속도를 조절하게 되는데, 웨이퍼 원료(60)의 냉각속도가 05℃/min보다 느리면 웨이퍼 원료(60)가 웨이퍼로 냉각되는데 걸리는 시간이 지나치게 느려져 생산성이 저하되며, 냉각속도가 12℃/min 이상인 경우에는 냉각속도가 너무 빨라 완전히 가압되기 전에 웨이퍼 원료(60)의 경화가 완료되어 요구되는 밀도를 갖기 어렵게 된다.

가압수단은 웨이퍼 원료(60)를 가압하여 제조되는 웨이퍼의 밀도를 높이기 위한 것으로, 본 실시예에서는 가압수단으로써 가압롤러(50)가 적용되었다.

가압롤러(50)는 금형(10)의 상면을 따라 회전하면서 진행하도록 설치되어 있는데, 주형틀(12)에 용융된 웨이퍼 원료(60)가 충진된 후 소정시간이 경과되면, 액츄에이터(30)가 승강부재(20)를 소정 높이 승강시켜 금형(10)의 상부로 웨이퍼 원료(60)가 돌출되게 한다.

가압롤러(50)는 금형(10)의 상면을 따라 진행하면서 돌출된 웨이퍼 원료(60)를 가압하게 되며, 웨이퍼 원료(60)는 가압롤러(50)에 의해 압착된어 금형(10)의 상면과 높이가 동일해지도록 압착되고, 이에 따라 웨이퍼의 밀도가 높아지게 된다.

본 실시예에서는 가압수단으로서 가압롤러(50)가 사용되었으나, 이와는 달리 상기 주형틀(12)의 상부에서 승강 가능한 가압 피스톤이 설치되어 가압피스톤이 상기 승강부재(20)와 함께 주형틀(12)의 내부에서 웨이퍼 원료(60)를 가압하도록 할 수도 있다.

그리고 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 승강부재(20)에는 승강부재(20)의 하방으로 용융된 웨이퍼 원료(60)가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링부재가 더 구비될 수도 있다.

아울러 본 실시예에서는 웨이퍼 원료(60)로서 일반적인 태양전지 셀에 주로 적용되는 실리콘이 적용되었으나, 웨이퍼 원료(60)는 이 외에도 가열을 통해 용융상태로 주형틀(12)에 충진시킬 수 있다면 이 외에도 태양전지 셀의 기판으로 적용될 수 있는 다양한 종류의 재료가 사용될 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 태양전지 셀의 웨이퍼 제조방법이 도시되어 있는데, 도 1 내지 도 3을 참조하여 웨이퍼 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

① 용융원료 형성단계

먼저 태양전지 셀의 웨이퍼를 제조하기 위한 원료를 가열하여 용융된 웨이퍼 원료(60)를 형성한다.

본 단계에서 웨이퍼의 원료가 금형(10)의 주형틀(12)에 용이하게 충진될 수 있도록 용융시키게 되며, 웨이퍼의 기능성을 향상시키기 위한 별도의 부가재를 첨가할 수도 있다.

② 충진단계

용융된 웨이퍼 원료(60)가 준비되면, 이 웨이퍼 원료(60)를 주형틀(12)에 충진한다.

처음 용융된 웨이퍼 원료(60)가 충진될 때에는 주형틀(12)의 깊이가 제작하려는 웨이퍼의 두께보다 상대적으로 더 깊도록 승강부재(20)를 하강시킨 후, 주형틀(12)에 용융된 웨이퍼를 충진시킨다.

③ 가압 가공단계

용융된 웨이퍼 원료(60)가 주형틀(12)에 충진된 후 소정시간이 경과되면, 웨이퍼 원료(60)를 가압하여 웨이퍼의 밀도를 증가시키게 되는데, 가압 가공단계는 다시 승강과정과 가압과정으로 나눌 수 있다.

히터(40)에 의해 냉각속도가 늦춰진 웨이퍼 원료(60)는 액츄에이터(30)가 승강부재(20)를 승강시킴에 따라 상단이 상방으로 소정 높이 돌출되면, 가압롤러(50)가 금형(10)의 상부를 따라 이동하면서 돌출된 웨이퍼 원료(60)를 하방으로 가압하게 되며, 승강된 승강부재(20)와, 가압롤러(50)에 의해 웨이퍼 원료(60)는 압착되어 밀도가 높아지게 된다.

이후, 다시 승강부재(20)를 승강시켜 웨이퍼 원료(60)를 돌출시키고, 가압롤러(50)로 가압하는 일련의 사이클을 반복하여 점차적으로 웨이퍼의 밀도를 증가시키고, 웨이퍼의 두께가 설정된 두께를 만족하도록 압착된다.

주형틀(12)의 내부에서 웨이퍼가 점진적으로 압착됨에 따라 웨이퍼는 주형틀(12)의 형상을 유지하면서도 밀도가 지속적으로 높아지게 되며, 이렇게 제작된 웨이퍼에 불순물의 확산처리, pn 접합면의 형성 및 반사방지막의 부착과 같은 후속공정을 실시함으로써 태양전지 셀을 제작한다.

본 실시예에서는 포함되지 않았으나, 상기 가압 가공단계를 거쳐 제작된 웨이퍼가 가공 과정 중 두께가 균일하지 않거나 가장자리 부분에 돌출되는 돌출부분이 형성되는 경우 두께를 균일하게 유지시키고, 돌출부분을 제거하기 위한 연마공정을 추가로 더 실시할 수도 있다. 더욱이, 연마공정을 통해 웨이퍼의 표면 거칠기를 일정수준으로 유지하도록 가공하여 발전효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 태양전지 셀의 제조비용을 최소화하고, 발전효율을 향상시킬 수 있기 때문에 태양광 발전시설의 보급비용을 현저히 줄일 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

100: 태양전지 셀의 웨이퍼 제조장치 10: 금형
12: 주형틀 20: 승강부재
30: 액츄에이터 40: 히터
50: 가압롤러

Claims

태양전지 셀을 제조하기 위한 웨이퍼의 형상에 대응하는 주형틀이 형성된 금형과;
상기 주형틀에 용융된 웨이퍼 원료가 충진되면, 상기 웨이퍼 원료를 상방으로 승강시킬 수 있도록 상기 금형에 승강 가능하게 설치되는 승강부재와;
상기 승강부재를 승강 또는 하강시키는 액츄에이터와;
상기 용융된 웨이퍼 원료가 경화되는 과정에서 압착되어 밀도가 높아지도록 상기 주형틀에 충진된 웨이퍼 원료를 가압하는 가압수단;을 구비하고,
상기 액츄에이터는 상기 승강부재의 승강높이를 조절할 수 있도록 형성되며,
상기 금형에는 상기 주형틀에 충진되어 경화되는 웨이퍼 원료가 상기 가압수단에 의해 용이하게 가압될 수 있도록 히터가 설치되고,
상기 가압수단은 상기 주형틀이 형성된 상기 금형의 상면을 따라 회전운동하여 상기 승강부재에 의해 승강된 웨이퍼 원료를 가압하는 가압롤러로 된 태양진지 셀 제조 장치.