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KR20100056502A - 박막 태양전지의 제조방법, 제조장치 및 박막 태양전지 시스템 - Google Patents

박막 태양전지의 제조방법, 제조장치 및 박막 태양전지 시스템 Download PDF

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KR20100056502A
KR20100056502A KR1020107005391A KR20107005391A KR20100056502A KR 20100056502 A KR20100056502 A KR 20100056502A KR 1020107005391 A KR1020107005391 A KR 1020107005391A KR 20107005391 A KR20107005391 A KR 20107005391A KR 20100056502 A KR20100056502 A KR 20100056502A
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South Korea
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substrate
scribing
laser beam
trenches
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지리 스프링거
Original Assignee
오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

박막 태양 전지를 제조하는 방법은 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지는 기판 위에 제1 도전층을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 도전층은 기판의 증착부에 위치한다. 자외선 레이저 빔이 렌즈를 통하여 제1 도전층에 적용된다. 제1 도전층 부분들은 제1 도전층을 관통하여 트렌치를 형성하기 위하여 기판까지 스크라이브 된다. 렌즈가 자외선 레이저 빔을 집속하며 100 mm 초과의 초점 거리를 가진다. 집속된 자외선 레이저 빔은 스크라이빙에 효과적인 유효부 및 스크라이빙에 비 효과적인 무효부를 포함한다. 기판이 쳐져서 공정 단계 동안에 스크라이브되는 제1 도전층 부분들이 스크라이브 될 때에 집속된 자외선 레이저 빔의 유효부 내에 위치한다. 하나 또는 그 이상의 활성층들이 제1 도전층 위에 제공된다. 제2 도전층이 하나 또는 그 이상의 활성층들 위에 제공된다.

Description

박막 태양전지의 제조방법, 제조장치 및 박막 태양전지 시스템{A THIN-FILM SOLAR CELL SYSTEM AND METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING A THIN-FILM SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 스크라이빙 기술을 이용하여 대면적 기판상에 박막 태양 전지를 제조하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
2007년 8월 30일 출원된 미국 특허출원 제60/968,898호의 개시 내용은 참조에 의해 본원에 통합된다.
모노리스 직렬 연결식(monolithic series interconnections) 박막 태양 전지는 레이저 스크라이빙을 하거나 기계적 구조화(mechnical structuring)를 이용하여 형성될 수 있다. 기계적 구조화는 사진 평판 또는 화학적 에칭 구조화를 포함할 수 있다. 구조화는 광전지 모듈 또는 "어레이(array)"를 형성하는데 유용하다. 이러한 개념들(concepts)은 PV 모듈을 원하는 출력 특성, Voc(개방 회로 전압), Isc(단락 회로 전류) 및 FF(fill factor, 최대 전력점에서 생산된 최대 전력을 Isc 및 Voc의 곱으로 나눈 값으로 정의되고, 이 값은 항상 1 미만임)에 적용이 가능하도록 한다. 이와 같이, 이러한 기술적 구성은 사용자의 요구/응용(needs/applications)에 따라서 특별히 조절될 수 있다.
기판상에 태양 전지를 형성하고 이러한 태양 전지를 제조하는데 레이저 스크라이빙 기술을 사용하는 것이 공지되어 있다. 레이저 스크라이빙을 사용하여 태양 전지를 제조하는 방법이 미국 특허등록 제4,292,092호에 개시되어 있으며, 이는 참조에 의해 본원에 통합된다. 레이저 스크라이빙을 사용하여 태양 전지를 제조하는 방법이 미국 특허공개공보 US 2005/0272175 A1호에 개시되어 있으며, 이는 참조에 의해 본원에 통합된다.
본 발명의 하나의 양상에 따르면, 박막 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 기판 위에 제1 도전층을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 기판은 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지며 상기 제1 도전층은 상기 면적의 증착부(deposition portion of the area)에 위치한다. 자외선 레이저 빔이 렌즈를 통하여 제1 도전층에 적용된다. 제1 도전층의 일정 부분들은 제1 도전층을 관통하여 트렌치를 형성하기 위하여 기판까지 스크라이브 된다. 렌즈가 자외선 레이저 빔을 집속하며(focus) 렌즈는 100 mm 초과의 초점 거리를 가진다. 집속된 자외선 레이저 빔은 스크라이빙에 효과적인 유효부(effective portion) 및 스크라이빙에 비 효과적인 무효부(ineffective portion)를 포함한다. 기판이 쳐져서(sag), 레이저 빔이 적용되는 단계 동안에 스크라이브되는 제1 도전층 부분들은, 스크라이브 될 때에 집속된 자외선 레이저 빔의 유효부 내에 위치한다. 하나 또는 그 이상의 활성층들이 제1 도전층 위에 제공된다. 제2 도전층이 하나 또는 그 이상의 활성층들 위에 제공된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지는 기판을 포함하는 박막 태양 전지 시스템을 제공한다. 제1 도전층이 기판 위 상기 면적의 증착부에 위치한다. 제1 도전층은 ZnO를 포함한다. 제1 도전층은 다수의 독립된(separate) 제1 도전층부들을 형성하기 위하여 기판까지 스크라이브된 다수의 제1 트렌치들을 가진다. 다수의 독립된 제1 도전층부들은 다수의 제1 트렌치들에 의하여 서로 분리된다. 시스템은 자외선 레이저를 포함하며, 자외선 레이저는 다수의 제1 트렌치들을 스크라이브 하기 위하여 자외선 레이저의 레이저 빔을 제1 도전층 상에 집속시키는 100 mm 초과의 초점 거리를 가지는 렌즈를 포함한다. 레이저 빔은 다수의 제1 트렌치들을 스크라이빙하기에 효과적인 유효부 및 다수의 제1 트렌치들을 스크라이빙하기에 비효과적인 무효부를 포함한다. 기판의 가운데가 쳐져서 제1 도전층의 일부 부분은 다수의 제1 트렌치들이 스크라이브되는 동안에 레이저 빔의 유효부에 머무른다. 하나 또는 그 이상의 활성층들이 제1 도전층의 일부 부분을 커버한다. 하나 또는 그 이상의 활성층들은 다수의 독립된 활성층부들을 형성하기 위하여 제1 도전층까지 스크라이브된 다수의 제2 트렌치들을 가진다. 다수의 독립된 활성층부들은 다수의 제2 트렌치들에 의하여 서로 분리된다. 다수의 독립된 활성층부들 중 각각의 독립된 활성층부는 다수의 독립된 제1 도전층부들 중 대응하는 하나의 부분을 커버한다. 제2 도전층이 하나 또는 그 이상의 활성층들의 일부 부분을 커버한다. 제2 도전층은 다수의 독립된 제2 도전층부들을 형성하기 위하여 아래쪽 층까지 스크라이브된 다수의 제3 트렌치들을 가진다. 다수의 독립된 제2 도전층부들은 다수의 제3 트렌치들에 의하여 서로 분리된다. 다수의 독립된 제2 도전층부들 중 각각의 독립된 제2 도전층부는 대응하는 독립된 활성층부들의 일부분을 커버한다. 태양 전지 시스템은 기판상에서 제1 도전층 및 제2 도전층을 연결함으로써 전기적으로 직렬 연결된 다수의 인접하는 태양 전지들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 박막 태양 전지를 형성하기 위한 레이저 스크라이빙 장치를 제공한다. 상기 장치는 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지는 태양 전지 기판 및 기판 위 상기 면적의 증착부에 위치하며 ZnO를 포함하는 도전층을 지지하기 위하여 채용된 지지 장치를 포함한다. 선택적으로 위치할 수 있는 자외선 레이저가 400 nm 미만의 파장을 가지는 빔을 생성한다. 레이저는 빔을 집속시키기 위하여 100 mm 이상의 초점 거리를 가지는 렌즈를 포함한다. 선택적으로 위치할 수 있는 자외선 레이저는 기판에 대하여 선택적으로 위치할 수 있다. 렌즈는 빔이 도전층 부분들을 기판까지 스크라이브하여 도전층을 관통하여 트렌치를 형성하도록 도전층 상에 빔을 집속시킨다. 빔은 도전층 부분들을 스크라이빙하기에 효과적인 유효부 및 도전층 부분들을 스크라이빙하기에 비효과적인 무효부를 포함한다. 지지 장치에 의하여 지지되는 경우에 기판의 가운데가 쳐지고 빔에 의하여 스크라이브되는 도전층 부분들이 스크라이브될 때에 빔의 유효부 내에 위치한다.
도 1은 직렬 연결된 수개의 박막 태양 전지들의 개략도이다.
도 2는 실험적으로 측정한 스크라이빙 기술을 사용하여 ZnO TCO 층에 의한 LP-CVD의 흡수도이다.
도 3은 레이저 빔 및 집속 렌즈를 사용한 레이저 스크라이빙 기술의 개략도이다.
도 4a는 레이저 빔 및 집속 렌즈의 개략도이다.
도 4b는 레이저 빔 및 집속 렌즈의 개략도이다.
도 5는 레이저 스크라이빙 장치의 개략도이다
도 1은 박막부 및 직렬 연결된 광전지(photovoltaic, PV) 모듈을 도시한 개략도이다. 임의의 원하는 개수의 전지들을 제조할 수 있지만, 도 1에서는 직렬 연결된 3개의 전지들(전지n, 전지n+1, 전지n+2)을 도시하며, 각각의 전지들은 필요에 따라 병렬 연결되거나 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 유리와 같은 전형적으로 비-전도성 기판(21)은 그 위에 제공되는 제1 도전층(22)을 구비한다. 그리고, 하나 또는 그 이상의 활성층들(23)이 제1 도전층(22) 위에 제공되며, 제2 도전층으로서 외부 전극층 또는 제2 도전층(24)이 활성층들 위에 제공된다. 다양한 층들이 개별적인 태양 전지에서 각각 사용되기 위하여, 다음 층이 적용되기 전에 레이저 빔을 사용하여 개개의 층들을 레이저 스크라이빙 하는 것과 같은 하나 이상의 기술에 의하여 별도의 부분들로 분리된다. 예를 들어, 제1 도전층(22)의 일정 부분들은 레이저 빔에 의하여 기판(21)까지 스크라이브(scribe)되어 다수의 제1 트렌치들(25)에 의하여 서로 분리된 다수의 제1 도전층부들을 형성할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 활성층들(23)의 일정 부분들은 제1 도전층(22)까지 스크라이브되어 다수의 제2 트렌치들(27)에 의하여 서로 분리된 다수의 활성층부들을 형성할 수 있다. 제2 도전층(24)의 일정 부분들은 아래층까지 스크라이브되어 다수의 제3 트렌치들(26)에 의하여 서로 분리된 다수의 제2 도전층(24)부들을 형성할 수 있다. 이는, 도전층, 활성층(들) 및 제2 도전층을 각각 별개의 태양 전지들로 분리하는 트렌치들(25, 26 및 27)을 생기게 한다.
기판(21) 및 제1 도전층(22)은, 반도체 활성층들이 빛을 통과시키기에 충분할 정도로 투명하기 때문에, 빛이 그를 통하여 활성층(들)(23)에 도달할 수 있도록 전형적으로 투명하다. 또한, 빛이 활성층들(23)을 두번 통과하여 궁극적으로 효율을 높이도록 흡수되게 하기 위하여 배면 반사판이 적용될 수 있다. 선택적으로, 제2 도전층(24)은 그쪽을 통하여 빛이 활성층에 도달할 수 있도록, 투명으로 이루어질 수 있다.
또한, 각각의 태양 전지들을 직렬 연결하여 직렬 연결 PV 모듈을 만들 수 있도록, 제2 도전층을 제1 도전층 위에 오버랩하여 한 전지의 제2 도전층(24)이 인접하는 전지의 제1 도전층(22)과 전형적으로 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 전지n의 제2 도전층 부분이 인접하는 전지n+1의 제1 도전층 부분과 오버랩되며, 전지n+1의 제2 도전층 부분이 인접하는 전지n+2의 제1 도전층 부분과 오버랩된다.
제1 도전층(22)으로서, 아연 옥사이드(ZnO)를 포함하는 투명 전도성 옥사이드(TCO) 층이 선택될 수 있다. 제1 도전층(22)은 기판(21) 위의 상면 증착부에(in a deposition portion of the upper surface) 저압 화학 기상 증착(LP-CVD)이나 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정에 의하여 증착될 수 있다. 선택적으로, 투명 기판상의 증착부에 TCO층을 증착하기 위하여 스퍼터링 공정이 사용될 수도 있다. 제1 도전층(22)이 위치하는 증착부는 기판의 상면 전체 부분이거나 상면의 일부 부분일 수 있다. 투명 기판의 예로서 유리 또는 UV-안정성 플라스틱을 포함할 수 있다. 기판 위에 증착된 후, ZnO TCO층의 일정 부분은 자외선 레이저 빔을 이용하여 기판까지 레이저 스크라이빙 될 수 있으며, 트렌치(25)를 형성하고 제1 도전층(22)을 다수의 분리된 제1 도전층부들로 분할하며, 이들 각각은 개별적인 태양 전지에 상당한다.
서로 상이하게 도핑되거나(doped) 및/또는 도핑되지 않은 실리콘 층들을 전형적으로 포함하는 하나 또는 그 이상의 활성층들이 p-i-n-접합을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 활성층들은 LP-CVD 공정 또는 PECVD 공정등에 의하여 ZnO TCO 층 위에 증착될 수 있다. 이는 도 1에 도시된 바와 같이 TCO 트렌치(25)가 하나 또는 그 이상의 활성층들로 채워지도록 한다. 이어서 활성층(들)(23) 부분은 제1 도전층(22)이 노출되도록 아래쪽으로 레이저 스크라이빙될 수 있으며, 트렌치(27)를 형성하고 활성층(들)을 다수의 분리된 활성층부들로 분할하며, 이들 각각은 개별적인 태양 전지에 상당한다.
이어서, 각각의 태양 전지들의 외부 전극을 형성하기 위하여 제2 도전층(24)으로서의 전극층이 활성층(들) 위에 적용된다. 제2 도전층(24)은 TCO를 포함하거나 또는 알루미늄이나 다른 적절한 물질과 같은 완전한 반사성 물질일 수 있다. 제2 도전층(24)은 선택적으로 스퍼터링과 같은 공정이 사용될 수 있으나 LP-CVD 공정 또는 PECVD 공정 등에 의하여 활성층(들) 위에 적용될 수 있다. 이어서 제2 도전층(24)의 일정 부분들은 밑에 있는 층이 노출되도록 아래쪽으로 레이저 스크라이빙될 수 있으며, 트렌치(26)를 형성하고 제2 도전층을 다수의 분리된 제2 도전층부들로 분할하며, 이들 각각은 개별적인 태양 전지에 상당한다.
3개의 스크라이브 트렌치들(25, 26, 27)의 적절한 배열은, 도 1에 도시된 바와 같이 PV-모듈의 직렬-연결 전지들을 만들어 낸다. 편의를 위하여 3개의 전지들만 도시하였지만, 임의의 원하는 수의 직렬 연결 전지들에 대하여도 공정은 유사하다.
ZnO TCO 제1 도전층(22)이 400nm 이하의 파장에서 강한 흡수성을 가지기 때문에 355nm(~3.5eV)의 파장에서 작동하는 자외선 Nd:YVO4 레이저(예를 들어, Coherent AVIA 355-X 10 Watt laser)가 TCO 스크라이빙 단계(이하의 레이저 특성 참조)에 적용될 수 있다. 이러한 짧은 파장의 자외선 레이저 빔을 ZnO TCO 제1 도전층(22)에 사용함으로써 대부분의 레이저 빔이 ZnO 필름에 의해 효율적으로 흡수된다. 이는 실험적으로 도출된 도 2의 점선 그래프에 의해 도시되는데, LP-CVD에 의해 형성된 ZnO 층의 흡수성을 나타낸다. 평행축 상단 눈금은 레이저 파장을 나타내며, 하단 눈금은 TCO 층을 입사하는 레이저의 상당 에너지(equivalent energy)를 나타낸다. 알파는 레이저 에너지의 상대적인 흡수 계수를 나타낸다. B2H6(디보레인)는 반도체 공정에서 p-도핑을 위하여 TCO(ZnO)를 적용하는 동안에 혼합되는 보론-수소 도핑 가스이다. "sccf"(standard cubic centimeters per minute)는 가스의 유량 단위를 나타낸다. 빛 에너지의 상대적인 흡수도는 기본적으로 2.9 eV 또는 그 이상에서 증가함을 도면을 통하여 알 수 있다. 따라서, 3.2 eV의 레이저는 2.5 또는 2.0 eV 레이저보다 약 100배 정도 효율적이다.
PV 직렬 연결 모듈을 형성하기 위하여 이러한 자외선 레이저의 사용은 ZnO TCO 제1 도전층(22)의 기판(21)까지의 트렌치(25) 절개에서 효율적인 용융 및 증발 및/또는 깎아냄(cut down)을 가능하게 한다(도 1 참조). 이러한 자외선 레이저 빔은 ZnO 물질 자체를 녹이지는 않지만, 레이저 빔과 접촉하는 물질의 대부분 또는 모두를 증발시켜 분명한 절단 및 실질적으로 매끄러운 트렌치(25)를 가져온다(트렌치에서의 바람직하지 않은 비드(beads) 및 부풀림(bulges)을 감소시키거나 제거함). 따라서, 적절한 파장의 고-에너지(short wave) 자외선 레이저 빔의 사용은 고 효율을 얻을 수 있으며(레이저 에너지의 원하는 흡수를 최적화), 개개의 전지들의 적절한 분리로 높은 충진계수(fill factor,FF)를 가져온다. 유사하게, ZnO 이외의 물질에서도, 고 흡수도의 적절한 레이저 파장의 선택에 의해 유사한 결과를 제공할 수 있다. 따라서, TCO 층을 스크라이빙하기 위하여 이러한 짧은 파장의 레이저 빔을 사용함에 의하여 빠른 스크라이브 속도(10 m/min 이상)에서 매우 우수한 격리(isolation)를 이룰 수 있다.
도 3은 PV 모듈을 형성하기 위한 레이저 스크라이빙 시스템의 개략도이다. 렌즈(31)는 전술한 바와 같이 제1 도전층을 통과하여 기판까지 트렌치를 스크라이브하기 위하여 자외선 레이저(33)로부터의 레이저 빔(32)을 기판(21)상의 제1 도전층(22) 위에 집속시킨다. 렌즈(31)는 초점 거리(f)를 가지며, 제1 도전층(22)에서 거리(d) 만큼 위쪽에 위치한다.
증착부(이곳에 PEVCD 등의 공정에 의해 제1 도전층(22)이 증착됨)를 가지는 기판(21) 표면은 0.75 ㎡ 이상의 대면적일 수 있다. 이러한 "대면적 기판"은 커다란 사이즈 및 무게로 인하여 스크라이빙 공정 중 대면적을 가로질러 심각한 가운데 부분 휨(sagging)을 보이는 경향이 있다. 기판(21)은 기판을 따라 여러 지점에서 지지될 수 있으며, 쳐짐은 이러한 지지점 사이에서 발생한다. 쳐짐의 정도는 기판의 재질, 두께 및 지지점 사이의 거리 등의 요소에 의존한다. 쳐짐은 1mm 이하로 가능한 낮게 유지될 수 있다. 그러나 1mm 또는 그 이상의 쳐짐도 가능하다. 기판(21)의 쳐짐이 개략적으로 도 3에 도시되어 있다.
집속된 레이저 빔은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 공정창(process window, D)을 가진다. 공정창(D)은 제1 도전층에서 트렌치를 스크라이빙하는데 효과적인 집속된 레이저 빔의 유효부(effective portion)를 제공한다. 공정창(D)은 집속된 레이저 빔의 출력 밀도(power density)가 주어진 유효값(effective value)보다 큰 거리 범위를 제공한다. 유효값은 제1 도전층(22) 부분을 증발시키거나 및/또는 깎아내는데 유효한 출력 밀도 값일 수 있다. 집속된 레이저 빔의 공정창(D) 밖에 있는 부분은 낮은 출력 밀도를 가지며, 제1 도전층에서 트렌치를 스크라이빙하기에 비효과적이다.
공정창(D)의 길이는 레이저 빔(32)의 폭 및 렌즈(31)의 초점 거리(f)에 의존한다. 주어진 레이저 빔의 폭에서, 공정창(D)은 초점 거리(f)가 긴 렌즈(31)를 선택함으로써 길어질 수 있다. 이를 도 4a 및 4b에 개략적으로 도시하였다. 도 4a의 렌즈(31)는 63mm의 초점 거리(f)를 가지는 반면, 도 4b의 렌즈의 초점 거리(f)는 63mm보다 크다. 레이저 빔(32)의 폭은 도 4a 및 4b가 실질적으로 동일하다. 그러나, 도 4b의 공정창(D)이 도 4b의 렌즈의 긴 초점 거리(f)로 인하여 도 4a의 공정창(D)보다 길다.
종래의 레이저 스크라이빙은 초점 거리 63mm의 렌즈(31)를 사용하는 것으로 알려져 있다. 이러한 렌즈에 의해 형성되는 공정창(D)은 작은 기판에 적합할 수 있으나, PEVCD 증착 시스템등에서 사용되는 0.75 ㎡ 이상의 대면적 기판에 적합하지 않을 수 있다. 작은 기판은 대면적 기판에 비하여 작은 쳐짐을 나타내며, 주로 기계적 원인에 의하여 렌즈(31)와 처리되는(즉, 스크라이브되는) 층 사이의 거리(d)가 용이하게 조절된다. 렌즈(31)가 스크라이브되는 층 위에 (d)의 거리를 가지면서, 이동식 렌즈(31) 및 레이저(33)가 기판(21) 및 스크라이브되는 층 위에 위치할 수 있다. 이동식 렌즈(31) 및 레이저(33)는 스크라이브되는 층에 트렌치를 스크라이브하기 위하여 소정의 스크라이빙 경로(즉, 기-프로그램 된)를 따른다. 0.75 ㎡ 또는 그 이상과 같이 기판(21)이 커짐에 따라서, 63mm 레이저에 의해 형성된 공정창(D)을 넘어 쳐질 수 있으며, 이는 제1 도전층(22)을 공정창(D) 밖에 위치하게 할 수 있다.
기판의 사이즈가 커짐에 따라서, 레이저(33) 및 렌즈(31)의 가이드 시스템(즉, y device 또는 x-y device)이 기판의 쳐짐에 대하여 더욱 더 민감해질 수 있다. 기판 쳐짐의 보상(compensating)은 스크라이빙 시스템의 이동 질량(moving masses) 및 제작 비용을 증가시킬 수 있다. 기판이 공업적 대면적(즉, ≥0.75 ㎡)인 경우에, 이러한 거리를 교란시키는 변수들은 더욱 더 밀접한 영향을 미치고, 특히 반복적인 스크라이빙이 필요한 경우에 어려움을 초래한다. 그러나, 보다 큰 초점 거리를 가지는 렌즈는 보다 큰 필드 깊이(depth of field) 및 공정창(D)을 제공하며, 이는 기판 쳐짐에 대하여 보다 우수한 허용도(better tolerance)를 가져온다.
본 발명의 구현예에서, 기판(21)은 0.75 ㎡ 이상의 대면적이며, 레이저 빔(32)은 400nm 미만(즉, 약 355nm)의 파장을 가지는 자외선 레이저 빔이고, 레이저 빔(32)은 6mm 또는 그 미만 예를 들어 3.5mm의 직경을 가진다. 제1 도전층(22)은 PEVCD 공정에 의해 대면적 기판 위의 증착부에 증착되며, ZnO를 포함한다. 레이저 빔(32)을 집속하기 위한 렌즈(31)는 100mm 이상(즉 100mm~150mm 사이)의 초점 거리를 가진다. 이러한 시스템은 기판의 대면적으로 인한 심각한 쳐짐에도 불구하고, 전술한 바와 같이 제1 도전층(22)에 트렌치들을 스크라이빙하는데 효과적인 것으로 판명되었다. 대면적 기판은 스크라이빙 공정 동안에 쳐짐이 발생한다. 그러나, 커다란 공정창(D)이 이러한 쳐짐을 수용하여 레이저 빔이 적용된 제1 도전층(22) 및 기판(21) 부분을 집속된 레이저 빔의 유효부에 머물 수 있도록 한다. 따라서, 렌즈(31) 및 레이저(33)의 z 방향으로의(즉, 수직 방향) 위치는 스크라이빙 공정 동안에 실질적으로 일정하게 유지되며, 렌즈 및 레이저 및/또는 기판은 x 및 y 방향 한쪽 또는 양쪽으로 소정의 스크라이빙 경로(predetermined scribing route)를 따라 움직인다.
커다란 초점 거리는 초점에서의 빔 직경을 증가시키며 따라서 집속된 레이저 빔의 스팟 사이즈(spot size)를 증가시킨다. 국부적으로 에너지 밀도를 증가시키기 위해서는 스팟 사이즈를 감소시키는 것이 바람직하기 때문에, 일반적으로 이러한 점은 유익하지 않다. 스팟 사이즈를 감소시키고 국부적으로 에너지 밀도를 증가시키는 것은 보다 적은 에너지를 소비하는 레이저의 사용을 가능하게 한다. 놀랍게도, 스크라이빙 공정의 견고성(robustness)(일관성, steadiness)은 커다란 초점 거리의 렌즈를 사용하여 집속된 레이저 빔의 스팟 사이즈를 증가시킴으로써 향상되는 것이 확인되었다. 예를 들어, 스크라이빙 공정은 입자들(particles)에 대하여는 덜 민감하다. 분리된 층 부분들 사이의 격리(isolation between separate layer portions)(즉 분리된 제1 도전층(22)부들)도 커다란 스크라이브 폭(작은 63mm 렌즈의 10~20 ㎛와 비교하여 20~35 ㎛)으로 인하여 개선됨이 확인되었다. 개선된 격리는 전압차가 200V 보다 클 수 있는 대형 PV 모듈에서 유익할 수 있다.
예시적인 레이저 스크라이빙 장치가 도 5에 개략적으로 도시된다. 레이저 스크라이빙 장치는, 전술한 바와 같이 제1 도전층(22) 및/또는 하나 또는 그 이상의 활성층 및 제2 전극층들을 스크라이빙하는, 선택적으로 위치할 수 있는(selectively positionable) 자외선 레이저(33) 및 렌즈(31)를 포함한다. 장치는 또한 0.75 ㎡ 이상 면적의 기판(21)을 지지하기 위한 기판 지지 장치(35)를 포함한다. 기판 지지 장치(35)는 기판을 x-방향으로 이동시키기 위한 x 테이블을 포함할 수 있다. 기판(21)은 핀들(pins, 38) 또는 벨트/롤러들(미 도시) 위에 위치할 수 있다. 레이저(33) 및 렌즈(31)는 기판(21) 및 지지 장치(35)에 대하여 선택적으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 레이저(33) 및 렌즈(31)는 y 장치에 의해 y-방향으로 이동할 수 있다. x-테이블에 의한 기판(21)의 x-방향 이동 및 y 장치(36)에 의한 y-방향의 레이저(33) 및 렌즈(31)의 이동의 조합은 소정의 스크라이빙 경로를 따라 스크라이빙을 가능하게 한다. 기판(21), 레이저(33) 및 렌즈(31)가 스크라이빙 경로를 따라 이동하면서, 제1 도전층(22)에 원하는 트렌치들을 스크라이브하기 위하여 렌즈(31)는 제1 도전층(22) 위에 레이저 빔(32)을 집속시킨다.
선택적으로, 스크라이빙 동안에 기판(21)은 고정되며 레이저(33) 및 렌즈(31)가 x 및 y 방향 양쪽으로 이동할 수도 있다. 또한, 스크라이빙 동안에 레이저(33) 및 렌즈(31)는 고정되며 기판(21)이 x 및 y 방향 양쪽으로 이동할 수도 있다.
x- 및 z- 방향의 예가 개략적으로 도 5에 도시되었으며, y-방향은 x- 및 z- 양쪽 방향에 수직이다. x- 및 y- 방향은 수평 방향일 수 있다.
레이저 스크라이빙 장치는 y 장치(36) 이동의 제어, 따라서 레이저(33) 및 렌즈(31)의 이동을 제어하기 위한 컨트롤러(37)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(37)는 또한 x 테이블의 작동 및 기판(21)과 처리되는 층의 이동을 제어할 수 있다. 커트롤러(37)는 전자 제어기일 수 있으며 프로세서를 포함할 수 있다. 컨트롤러(37)는 하나 또는 그 이상의 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, DSP(digital signal processor), ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field-programmable gate array), 이산 로직 회로(discrete logic circuitry) 등을 포함할 수 있다. 컨트롤러(37)는 메모리를 추가로 포함할 수 있으며, 컨트롤러가 지정된 기능을 제공할 수 있도록 하는 프로그램 인스트럭션을 저장할 수 있다. 메모리는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), EEPROM(electrically-erasable programmable ROM), 플래쉬 메모리 등과 같은 하나 또는 그 이상의 휘발성, 비-휘발성, 마그네틱, 옵틱(optic) 또는 전기적 매체(electrical media)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 컨트롤러(37)는 프로그램 가능하며 스크라이빙 프로그램을 실행한다. 스크라이빙 프로그램은 소정의 스크라이빙 경로를 포함할 수 있으며, 컨트로러(37)는 소정의 스크라이빙 경로에 기초하여 x 테이블 및 y 장치(36)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(37)는 위치 및 속도 입력과 같은 다양한 아날로그 및/또는 디지털 입력을 x 테이블 및 y 장치(36)로부터 수신하며, x 테이블 및 y 장치(36)로 다양한 아날로그 및/또는 디지털 제어 신호를 출력할 수 있다. 컨트롤러(37)는 또한 자외선 레이저(33)와 통신하며 그 작동을 제어할 수 있다.
기판(21)은 지지 장치(35)에 의해 지지되는 경우에 가운데 쳐짐이 발생한다. 전술한 바와 같이, 레이저(33) 및 렌즈(31)에 의해 제공되는 커다란 공정창(D)은 이러한 쳐짐을 수용하여 레이저 빔이 적용된 기판(21) 및 제1 도전층(22)의 부분들을 집속된 레이저 빔의 유효부에 계속 남아 있게 한다. 따라서, 스크라이빙 공정 동안에 렌즈(31) 및 레이저(33)의 z 방향으로 위치는 실질적으로 일정하게 유지되며, 반면 렌즈 및 레이저는 소정의 스크라이빙 경로를 따라 y 방향으로 이동하며, 기판은 x 방향으로 이동한다. 예를 들어, 스크라이빙 공정 동안에 렌즈(31) 및 레이저(33)는 지지 장치(35)의 위로 실질적으로 일정한 수직 거리상에 머무를 수 있다.
TCO 층으로 ZnO가 코팅된 대면적 유리 기판의 필름-커버 측(film-covered side)에 TCO 트렌치를 스크라이빙하기 위한 바람직한 레이저 파라미터는 레이저 출력 8 Watts 또는 그 이상 및 스크라이빙 속도 25 m/min 또는 그 이상을 포함한다. 초점거리 100mm~150mm 사이의 집속 렌즈가 TCO 스크라이빙 레이저를 집속하기 위하여 사용될 수 있다.
[실시예]
사용된 UV-레이저(Coherent AVIA 355-X)의 사양은 다음과 같다.
- 파장(wavelength) : 355 nm
- 출력(power) : 10.0 Watt at 60 kHz
- 펄스 주파수 범위 : 1 Hz to 100 kHz
- 펄스 길이 : ＜ 30 ns up to 60 kHz
- M2 : ＜ 1.3(TEM00)(wave mode)
- 편극(polarization) : ＞ 100:1, horizontal
- 빔 직경(beam diameter, exit) : 3.5 mm at 1/e2
- full angle에서의 빔 발산(beam divergence) : ＜ 0.3 mrad
활성층 및/또는 제2 전극층들(23, 24, 도 1)의 스크라이빙을 위하여 본 발명에 참조에 의해서 통합되는 미국 특허등록 4,292,092호에 개시된 방법 등이 사용될 수 있다. 이들 레이저들은 예를 들어 532nm 레이저를 사용하여 스크라이브될 수 있다. 다른 방법(스퍼터링 등)에 의해 증착된 ZnO 코팅된 기판 또는 ZnO와 유사한 흡수 특성을 가지는 다른 TCO 물질의 레이저 스크라이빙 또는 레이저 구조화 공정도 역시 전술한 공정에 의해 도움을 받을 수 있다.
본 개시는 예시를 위한 것이며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 추가, 변형, 삭제 등에 의한 다양한 변화가 이루어질 수 있음은 명백하다. 따라서 본 발명은 청구 범위 내에서 본 개시의 어느 특정한 세부 내역으로 국한되지 않는다.
21 : 기판
22 : 제1 도전층
23 : 활성층
24 : 제2 도전층
25 : 제1 트렌치
26 : 제2 트렌치
27 : 제3 트렌치
31 : 렌즈
32 : 레이저 빔
33 : 자외선 레이저

Claims (23)

  1. 기판 위에 제1 도전층을 제공하되, 상기 기판은 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지며 상기 제1 도전층은 상기 면적의 증착부에 위치하는 단계;
    렌즈를 통하여 자외선 레이저 빔을 제1 도전층에 적용하고, 제1 도전층의 일정 부분을 기판까지 스크라이빙하여 제1 도전층을 관통하여 트렌치를 형성하되,
    상기 렌즈는 자외선 레이저 빔을 집속하며 100 mm 초과의 초점 거리를 가지며,
    상기 집속된 자외선 레이저 빔은 스크라이빙에 효과적인 유효부 및 스크라이빙에 비 효과적인 무효부를 포함하고,
    기판이 쳐져서, 레이저 빔이 적용되는 단계 동안에 스크라이브되는 제1 도전층부들이 스크라이브 될 때 집속된 자외선 레이저 빔의 유효부 내에 위치하는 단계;
    하나 또는 그 이상의 활성층들을 제1 도전층 위에 제공하는 단계; 및
    제2 도전층을 하나 또는 그 이상의 활성층들 위에 제공하는 단계를 포함하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자외선 레이저 빔은 400 nm 미만의 파장을 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자외선 레이저 빔은 약 355 nm 의 파장을 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 초점 거리는 150 mm 미만인 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 렌즈의 수직 방향으로의 위치는 레이저 빔이 적용되는 단계 동안에 실질적으로 일정하게 유지되는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서, 트렌치는 20 ㎛ 이상의 폭을 가지는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서, 제1 도전층은 ZnO를 포함하는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 도전층의 스크라이브되는 일정 부분들은 자외선 레이저 빔에 의해 증발되어 트렌치가 실질적으로 매끄러운 트렌치 벽들(smooth trench walls)을 포함하는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 활성층들의 일정 부분들을 제1 도전층까지 스크라이빙하는 단계; 및
    제2 도전층의 일정 부분들을 그 아래쪽 층(underlying layer)까지 스크라이빙하는 단계를 추가로 포함하는 박막 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 전기적으로 직렬 연결된 다수의 박막 태양 전지들이 기판 위에 형성되는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법.
  11. 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지는 기판;
    기판 위 상기 면적의 증착부에 위치하며, ZnO를 포함하고, 다수의 독립된 제1 도전층부들을 형성하기 위하여 기판까지 스크라이브된 다수의 제1 트렌치들을 가지며, 상기 다수의 독립된 제1 도전층부들은 다수의 제1 트렌치들에 의하여 서로 분리되는 제1 도전층;
    다수의 제1 트렌치들을 스크라이브 하기 위하여 자외선 레이저의 레이저 빔을 제1 도전층 상에 집속시키는 100 mm 초과의 초점 거리를 가지는 렌즈를 포함하는 자외선 레이저에 있어서,
    상기 레이저 빔은 다수의 제1 트렌치들을 스크라이빙하기에 효과적인 유효부 및 다수의 제1 트렌치들을 스크라이빙하기에 비효과적인 무효부를 포함하고,
    기판 쳐짐부(substrate sags) 및 제1 도전층의 일부 부분은 다수의 제1 트렌치들이 스크라이브되는 동안에 레이저 빔의 유효부에 머무르며;
    제1 도전층의 일부 부분을 커버하고, 제1 도전층까지 스크라이브된 다수의 제2 트렌치들을 구비하여 다수의 독립된 활성층부들을 형성하며, 상기 다수의 독립된 활성층부들은 다수의 제2 트렌치들에 의하여 서로 분리되고, 다수의 독립된 활성층부들 중 각각의 독립된 활성층부는 다수의 독립된 제1 도전층부들 중 대응하는 하나의 제1 도전층부를 커버하는 하나 또는 그 이상의 활성층들; 및
    하나 또는 그 이상의 활성층들의 일정 부분을 커버하며, 아래쪽 층까지 스크라이브된 다수의 제3 트렌치들을 구비하여 다수의 독립된 제2 도전층부들을 형성하며, 상기 다수의 독립된 제2 도전층부들은 다수의 제3 트렌치들에 의하여 서로 분리되고, 다수의 독립된 제2 도전층부들 중 각각의 독립된 제2 도전층부는 대응하는 독립된 활성층부의 부분을 커버하는 제2 도전층을 포함하며;
    제1 도전층 및 제2 도전층을 연결함으로써 기판상에 전기적으로 직렬 연결된 다수의 인접하는 태양 전지들을 포함하는 박막 태양 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 자외선 레이저 빔은 400 nm 미만의 파장을 가지는 것인 박막 태양 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자외선 레이저 빔은 약 355 nm 의 파장을 가지는 것인 박막 태양 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 초점 거리는 150 mm 미만인 것인 박막 태양 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 렌즈의 수직 방향으로의 위치는 다수의 제1 트렌치들이 스크라이브되는 동안에 실질적으로 일정하게 유지되는 것인 박막 태양 전지 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 다수의 제1 트렌치들의 각각은 20 ㎛ 이상의 폭을 가지는 것인 박막 태양 전지 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 다수의 제1 트렌치들은 실질적으로 매끄러운 트렌치 벽들을 포함하는 것인 박막 태양 전지 시스템.
  18. 0.75 ㎡ 이상의 면적을 가지는 태양 전지 기판 및 기판 위 상기 면적의 증착부에 위치하며 ZnO를 포함하는 도전층을 지지하기 위하여 채용된 지지 장치; 및
    400 nm 미만의 파장을 가지는 빔을 생성하고, 빔을 집속시키는 100 mm 이상의 초점 거리를 가지는 렌즈를 구비하며, 기판에 대하여 선택적으로 위치할 수 있는, 선택적으로 위치 가능한 자외선 레이저(selectively positionable ultraviolet laser)를 포함하며,
    상기 렌즈는 빔이 도전층 부분들을 기판까지 스크라이브하여 도전층을 관통하여 트렌치를 형성하도록 도전층 상에 빔을 집속시키며,
    상기 빔은 도전층 부분들을 스크라이빙하기에 효과적인 유효부 및 도전층 부분들을 스크라이빙하기에 비효과적인 무효부를 포함하고,
    지지 장치에 의하여 지지되는 경우에 기판이 쳐져서 빔에 의하여 스크라이브되는 도전층 부분들이 스크라이브될 때에 빔의 유효부 내에 위치하는 박막 태양 전지 형성용 레이저 스크라이빙 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 레이저는 지지 장치로부터 일정 거리에 위치하며, 상기 거리는 도전층 상에 빔이 집속되는 동안에 실질적으로 일정하게 유지되는 레이저 스크라이빙 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 스크라이빙 프로그램을 실행하고 소정의 스크라이빙 경로에 기초하여 레이저의 이동을 제어하는 프로세서를 포함하는 레이저 스크라이빙 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 파장이 약 355 nm 인 레이저 스크라이빙 장치.
  22. 제 21항에 있어서, 초첨 거리가 150 mm 이하인 레이저 스크라이빙 장치.
  23. 제 22항에 있어서, 트렌치는 20 ㎛ 이상의 폭을 가지며 실질적으로 매끄러운 트렌치 벽들을 포함하는 레이저 스크라이빙 장치.

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