A Study of Laser Patterning for $SiO_2$ Thin Film of Crystalline Solar Cells

(1)

1

결정질 태양전지 SiO2 박막의 Laser Patterning에 관한 연구

결정질 태양전지 SiO ² 박막의 Laser Patterning에 관한 연구

이충석

^*

, 이종찬

^**

, 김경수

^†

, 강형식

^††,⌧

*

금오공과대학교 대학원 기계설계공학과,

^**

기계설계공학과,

^†

(주)Toptec,

^††

NFtec

A Study of Laser Patterning for SiO ² Thin Film of Crystalline Solar Cells

C. S. Lee

^*

, J. C. Lee

^**

, K. S. Kim

^†

, H. S. Kang

^††,⌧

*,**

Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology

†

Toptec Co., Ltd.,

^††

NFtec

Abstract

Globally, the interest of renewable energy has become an upsurge. Especially, the solar industry is the one which is getting rapid growth rate. Many of researchers have been undertaking to improve the efficiency of solar cell to accomplish grid parity. The most of research has been concentrated on two methods, one on the selective emitter and the other is on LBSF (Local Back Surface Field) formation.

Laser patterning will be needed to eliminate the thin film to form selective emitter and LBSF of solar cell. This paper reports some experimental results in laser patterning process for high-efficiency crystalline solar cell manufacturing. The experimental results indicate that the patterning quality depends on the average power and repetition rate of laser. The experimental results prove that the laser patterning process is an advantageous method to improve the efficiency of solar cell.

Keywords: Solar cell(태양전지), Thin film(박막), Laser patterning(레이저 패터닝), Selective emitter(선택적

에미터), LBSF;Local Back Surface Field(국부적 후면전극), Grid parity(그리드패리티) ¹⁾

1. 서 론

전 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 고 조되고 있는 가운데 그 중 태양광 산업은 해마다 30%이상의 급속한 성장률을 보이는 산업으로 앞 으로도 이 같은 성장세는 지속될 것으로 전망하 고 있다.

¹

현재 결정질 실리콘 태양전지가 전체 태양전지 시장의 약 80%를 차지하고 있으며, 박막태양전지 의 시장점유율이 점점 높아지고는 있으나 향후에 도 결정질 실리콘 태양전지의 비중이 가장 높을 것으로 예측하고 있다.

¹

한편 기존의 반도체, 평판 디스플레이 공정 및 의료시장의 초정밀 산업에 널리 사용되는 레이저

투고일 : 2011년 7월 19일 심사완료일 : 2011년 9월 20일 게재승인일 : 2011년 9월 21일

교신저자 : 강형식 ⌧ [email protected]

가공 기술은 신재생에너지 산업인 태양광 산업에 서도 각광을 받고 있다. 현재 태양광 산업에 사 용되는 레이저 기술은 태양전지의 표면가공용으 로 텍스쳐링(texturing), 패터닝(patterning), 그루빙 (grooving), 전극 분리(edge isolation) 등 셀공정에 주로 사용되고 있다.

²

국내외 연구자들은 그리드 패러티(grid parity) 달 성을 위한 태양전지의 저가화와 효율향상에 관한 연구가 지속적으로 이루어지는 가운데 최근에는 선 택적 에미터(selective emitter) 방식과 국부적 후면 전극(LBSF; local back surface field) 형성의 고효율 결정질 태양전지 제조방법에 관한 연구로 태양전지 효율향상에 박차를 가하고 있다.

^3-5

결정질 태양전지의 효율향상 방법으로 사용되는 선

택적 에미터나 국부적 후면전극 형성을 위해서는 태

양전지 제조공정 중 태양전지의 전면과 후면의 수십-

수백 나노미터 두께의 산화막이나 질화막을 제거하는

패터닝 공정이 필수적이며 , 이 공정을 레이저를 이용

한국레이저가공학회지

(2)

Fig. 1 High efficiency solar cell nanufacturing process.

하는 시도가 이루어지고 있다.

^4,5

따라서 본 연구에서는 고효율 결정질 태양전지 제조를 위해 레이저를 이용한 박막 패터닝(patterning) 에 있어서 레이저 출력과 펄스 반복율에 따른 가공 특성을 알아보고, 결정질 태양전지 제조용 박막 패 터닝에 레이저 기술의 활용 가능성을 확인하고자 한다.

2. 이론적 배경

Fig. 1에 선택적 에미터와 국부적 후면전극 구 조를 가진 고효율 결정질 태양전지 제조공정을 나타내었다.

Fig. 1에서 보는 바와 같이 태양전지 전면의 선택적 에미터 형성과 후면의 국부적 후면전극 형성을 위한 박막 패터닝 공정, 전면과 후면의 전 극을 분리하는 전극 분리 공정이 레이저 활용이 가능하다.

2.1 선택적 에미터

선택적 에미터는 태양전지 전면에 에미터의 두께 를 국부적으로 달리하여 효율을 높이는 방법이다.

즉, 실리콘 태양전지의 에미터 형성에서 고농도 도 핑과 저농도 도핑의 장점만을 이용하는 방식으로 금 속전극형성부의 에미터 두께를 나머지 표면의 에미 터 두께보다 두껍게 형성함으로써 태양전지 효율을 향상시키는 방법이다. 에미터 형성에 있어서 고농도

도핑은 내부 전계의 증가와 접촉저항의 감소로 개방 전압 상승효과를 가져오지만 표면 재결합 속도의 증 가로 생성되는 전류량이 감소되는 현상을 발생시킨 다. 반대로 저농도 도핑은 표면 재결합 속도의 감소 로 생성되는 전류량은 늘어나지만 접촉저항이 증가 되어 개방전압이 감소되는 경향을 보인다.

^3,4

Fig. 2 Single emitter (a) and selective emitter (b)

2.2 국부적 후면전극

일반적인 양산용 결정질 태양전지는 후면 알루

미늄 전극을 전면적으로 프린팅하여 전면적

BSF(back surface field)를 형성하는 구조이다. 그

러나 이 구조는 낮은 전기적 특성을 가지고, 실

리콘과 알루미늄과의 일함수 차이에 따라 소성

시 휨 현상이 발생하기 때문에 실리콘 웨이퍼의

박형화에 한계가 있다는 단점이 있다.

(3)

3 Fig. 3 Local back surface field.

국부적 후면전극 형성은 태양전지의 후면에 국 부적으로 전극을 형성시킴으로써 국부적 후면전 계를 생성시켜 전하분리를 용이하게 하고 후면 재결합 속도를 낮추어 생성되는 전류의 양을 증 가시키는 방법이다.

¹

국부적 후면전극 형태를 가 진 태양전지는 후면에 패시베이션 층을 추가함으 로써 후면에서의 반사도를 향상시키는 효과도 얻 을 수 있다.

3. 실험조건

3.1 실험장치

본 실험에서 사용한 레이저는 Photonics Industries 사의 DHS-532-30 모델로 펄스 폭 20ns, Nd:YVO

⁴

Green 레이저(532nm)이며, 빔(beam)의 형태는 사 각빔(square beam)이다. Fig. 4에 scanning unit의 구성을 나타내었다. 초점거리는 300mm, field size 는 160mm × 160mm, 빔 크기는 14mm이다. 가공 물은 단결정 실리콘 웨이퍼(순도 99.9999이상)에 PECVD공정을 통해 SiO

²

박막을 3,000Å두께로 증착하여 사용하였다.

Fig. 4 Experiments of laser scanning.

3.2 실험조건

실험은 3,000Å의 두께로 증착된 SiO

2

박막을

제거하기 위해 레이저를 이용해 패터닝을 실시하 였다. 실험조건은 레이저의 평균출력을 25.8W에 서 30W까지 0.6W 단위로, 펄스 반복율은 50kHz 에서 95kHz까지 5kHz 단위로 증가시키면서 가공 하였다. 레이저 이송 속도는 1m/s로 고정하였다.

실험 후 레이저의 평균출력과 펄스 반복율의 변 화에 따른 박막의 제거양상과 표면품위를 확인하 였다. Table 1은 레이저 패터닝 가공실험 조건을 나타낸다.

Laser source Wavelength 532nm, Nd:YVO4 green laser Workpiece Mono-silicon wafers (coated SiO2) Average power 25.8 to 30W (by 0.6W) Repetition rate 50 to 90kHz (by 5kHz)

Scanning speed 1m/s

Table 1 Experimental conditions for laser patterning

가공부의 관찰은 Keyence사(일본)의 VHX 600E Microscope와, COXEM의 CX-100S모델의 SEM을 이용하여 관찰하였다.

4. 실험결과 및 고찰

레이저를 이용한 태양전지의 박막제거에서 중 요한 것은 실리콘 모재가 레이저로 가공되어 손 상을 입어서는 안 되며, 3,000Å의 SiO

²

박막만 제거 되어야 한다. 또한 레이저로 가공부의 열영 향부 크기가 최소화 되어야 한다.

레이저 가공 후 레이저에서 발생한 열로 인해 가공부 주변의 색깔이 변하는데, 본 연구에서는 이 색깔변화 범위를 열영향부의 크기로 규정하였 고, 레이저에 의해 가공된 실리콘 모재 가공범위 의 크기를 측정하여 실리콘 모재의 손상정도를 판단하였다.

Laser 설정 펄스 반복율별 평균출력에 따른 레 이저 가공부를 현미경으로 1,000배 확대하여 촬 영한 사진을 Fig. 5에 나타내었다.

동일 펄스 반복율에서 평균출력을 달리하여 가 공실험을 실시한 결과, 평균출력이 커질수록 가 공부의 열손상이 확대됨을 확인할 수 있다. 또한 동일한 평균출력에서는 펄스 반복율이 커질수록 가공부의 열영향부가 작아짐을 확인하였다.

본 연구의 모든 펄스 반복율에서 평균출력

(4)

Fig. 5 Laser patterning at various laser repetition rate & average power conditions.

27W이하에서는 박막분리가 완전히 이루어지지 않았으며, 28.8W이상에서는 박막제거는 완전히 이루어지나 실리콘 모재까지 가공이 이루어져 모 재가 손상되었다. 또한 가공폭의 변화는 레이저 의 펄스 반복율이 높아질수록 미세하지만 점점

작아짐을 확인하였다.

펄스 반복율의 변화에 따른 박막 패턴을 현미

경으로 확인한 결과, 펄스 반복율 50-65kHz에서

는 평균출력 27W일 때 박막의 제거가 원활이 이

루어졌다. 펄스 반복율 70-85kHz에서는 평균출력

(5)

5 Number 1 2 3 4 5 Average

Inner Length A (μm) 26.68 26.35 27.32 27.16 26.62 26.83 Accuracy (30-A) (μm) 3.32 3.65 2.68 2.84 3.38 3.17

Outer Length B (μm) 32.14 31.35 30.62 32.48 30.27 31.37 Accuracy (B-30) (μm) 2.14 1.35 0.62 2.48 0.27 1.37

Table 2 Patterning accuracy

Fig. 6 Laser patterning at repetition rate: 80kHz, average power: 27.6W.

27.6W, 펄스 반복율 90kHz에서는 평균출력이 28.2W 일 때 다른 조건에 비해 박막 제거가 원활이 이 루어졌다.

펄스 반복율과 평균출력 전체 조건에 대해 박 막 제거 양상을 확인하여 비교한 결과, 모재인 실리콘의 손상은 최소이면서 박막제거가 완전히 이루어지는 레이저 조건은 펄스 반복율 60kHz에 서 평균출력 27W, 펄스 반복율 80kHz에서 평균 출력 27.6W일 경우로 관찰되었다. 이 두 조건의 가공물 중, 가공부의 정밀도(accuracy)가 더 높고 가공폭이 더 좁은 펄스 반복율 80kHz, 평균출력 27.6W에 대하여 정밀관찰을 실시하였다.

박막제거 양상을 보다 자세히 알아보기 SEM 촬영을 실시하였는데, SEM 촬영 전 레이저 가공 부의 이물질 제거를 위해 NaOH 수용액 5%에 20분간 에칭 후 관찰하였다. Fig. 6 (a)-(d)는 레 이저 가공부의 박막제거 양상을 보기 위한 SEM 촬영사진을 나타낸 것이다. 측정배율은 각각 (a) 는 500배, (b)는 1000배, (c)는 3000배, (d)는 10000배 확대한 것이다. SEM 촬영 사진에서 보 는 바와 같이 두께 3,000Å의 SiO

²

박막이 완전 히 제거된 것을 관찰할 수 있으며 실리콘 모재의 손상도 거의 찾아볼 수 없었다.

Table 2는 기준 폭 30μm에 대해서 패턴 폭의 내부와 외부의 정밀도를 계산한 것이다. 폭 30μm 를 기준으로 안쪽의 평균 정밀도는 3.17μm, 바깥 쪽의 평균 정밀도는 1.37μm로 대체적으로 높은 레이저 가공정도가 확보됨을 확인하였다.

결정질 실리콘 태양전지에서 금속전극의 폭이 작을수록 수광면적이 늘어나고 이에 따라 전력변 환효율이 높아지게 된다. 일반적인 결정질 실리 콘 태양전지 금속전극의 폭이 120μm 정도이고 본 연구에서 패턴의 폭이 30μm정도로 금속전극 의 25%수준이다. 이는 후공정 금속전극의 형성에 서 위치정밀도의 부담을 덜어줄 뿐만 아니라, 금 속전극을 더 얇게 형성하여 수광면적을 늘여 효 율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

5. 결 론

본 연구에서는 결정질 태양전지의 효율향상을 위한 선택적 에미터와 국부적 후면전계의 형성을 위하여 Nd:YVO

4

green 레이저를 이용하여 SiO

2

박막 제거에 관한 연구를 실시하였다. SiO

²

박막 제거에 있어서 레이저의 평균출력과 펄스 반복율 을 변화시켜 패터닝 실험을 실시한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.

1) 본 연구에서는 고효율 결정질 태양전지 제작을 위한 박막제거용 레이저 패터닝 시스템을 개발 하였다.

2) 동일 펄스 반복율에서 평균출력이 커질수록

가공부의 열손상이 확대되었고, 동일 평균출력

에서 펄스 반복율이 커질수록 가공부의 열

영향부가 작아짐을 확인하였다.

(6)

3) 본 연구에서 실리콘 위에 증착된 3,000Å 두께의 SiO

²

A Study of Laser Patterning for $SiO_2$ Thin Film of Crystalline Solar Cells

1

결정질 태양전지 SiO 2 박막의 Laser Patterning에 관한 연구

*

**

†

††,⌧

금오공과대학교 대학원 기계설계공학과,

기계설계공학과,

(주)Toptec,

NFtec