PV 레이저 장비.  레이저 기술은 태양전지 절단을 위한 극히 짧은 공정 시간을 보장한다.

리차드 헨델(Richard Hendel)

로핀-바젤 레이저테크(ROFIN-BAASEL Lasertech) PV 판매 부장

산업용 박막 전지 생산에 있어서 레이저는 실질적으로 없어서는 안 되는 도구이다. 박막 필름의 선택적인 제거와 조직은 비교적 청결하고 단순한 공정에서는 보다 유연하고 정확하게 이루어지지 않는다. 그러나 결정질 전지 제조에 있어서 레이저 기술은 Wp 당 비용을 감소시킬 때만 고려된다. 이는 단순히 태양전지 효율성의 개선뿐만 아니라 생산 공정의 단순화 때문에 가능하다. 더 나아가 대량 생산 체제에 돌입하기 위해서 레이저 공정은 1~2초라는 주기를 맞출 정도로 충분히 빨라야 한다.

PV 생산에서 레이저 공정 기술

기계적인 공정과 화학적인 처리에 비교하면 레이저는 완벽한 공정 컨트롤이 가능하고 공정비용을 절감할 수 있으며, 재료에 가하는 요소는 거의 없다. 이러한 기술의 장점을 보존하고 발전시키기 위해 로핀(ROFIN)과 같은 레이저 제조업체들은 레이저와 레이저 공정 기술의 개발에 많은 노력을 경주하고 있다. 

태양전지에 대한 대부분의 레이저 조직 적용의 근본적인 공정은 직접적인 레이저 유도 증발 요법과 나노 초 단위의 레이저 충격에 의한 분출 방식이다. 많은 산업적 시범 생산과 대량 생산에서 이미 사용 중인 이와 같은 공정은 많은 장점이 있다. 왜냐하면 가장 작은 직영(10~100마이크론)으로 높은 속도(5,000mm/s까지 통과)를 낼 수 있기 때문이다. 보다 많은 절단 및 드릴 애플리케이션이 여러 가지 공정에서 동일한 원칙을 사용하는데, 그 목적은 유연성과 공정 속도를 최대화하고 웨이퍼에 가해지는 열의 양을 최소화하기 위해서다.

2극 진공관 고체 레이저는 표준형 툴

PV 관련 공정에 사용되는 일반적인 레이저는 고체 상태의 레이저다. 그 이유는 동시에 높은 전력과 상부 빔 품질, 최대 반복율을 동시에 제공해야 한다는 고객들의 요구 때문이다. 이 모든 것은 높은 해상도와 함께 높은 공정 속도를 실현하기 위해 필요하다. 면밀하게 살펴보면 현재 서로 경쟁하는 네 개의 개념이 존재한다. 그러나 그 중 어떤 개념도 태양광 시장을 단독으로 지배하는 것은 불가능하다. 다양한 공정들은 맞춤형 레이저 솔루션의 지속적인 개발 필요성을 낳는다.

현재까지 태양광 전지 생산업체뿐만 아니라 연구 단체의 레이저 장비는 YAG나 바나듐산염으로 만들어진 네오디뮴 로드가 있는 다이오드 측면펌프, 다이오드 말단 고체 상태 로드 레이저로 구성되어 있다. 이는 지속적으로 발전되고 있는 현장에서 검증된 기술이다. 다이오드 말단 펌프 시스템은 높은 반복율을 제공하며, 탁월한 피-투-피(p-to-p) 안정성과 작은 공간을 특징으로 한다. 반면에 측면 펌프 시스템은 높은 평균 전력과 높은 최고 전력을 제공한다. 그러나 최근에는 활성 매질의 두 개의 다른 배치가 기존의 개념에 도전하고 있다. 그것은 섬유와 디스크이다.

디스크, 섬유, 펨토세컨드 레이저의 등장

디스크 레이저는 특정한 c-Si 애플리케이션에 특히 중요한 몇 가지 예외적인 특성들을 보여준다. 활성 레이저 매질의 상대적으로 낮은 부피의 결과 다이오드 펌핑이 포물선 모양의 거울을 통해 발생하고 이를 통해 다양한 굴절 반사가 가능하다. 레이저 결정은 뒷면에서부터 물로 냉각되며, 이는 일차원적인 온도 등급만을 초래한다. 따라서 로드와 비교해 보면 디스크 레이저는 상당히 높은 빔 품질을 제공한다. 다른 말로 하자면 최고의 빔 품질의 훨씬 더 높은 평균 전력이 발생한다.

벌크 레이저와 비교해 보면 섬유 레이저는 보다 높은 벽 플러그 효율성을 특징으로 한다. 또한 소형 디자인과 거의 유지비용이 없는 특징 또한 존재한다. 섬유 레이저는 훌륭한 빔 질을 가진 높은 평균 전력 생산에 적합하다. 반면에 비선형적인 특징 때문에 높은 에너지와 최고 전력 생산 가능성은 낮다. 그러나 이 신기술은 다이오드 사이드 펌프 레이저를 교체하기 위해 PV 시장에 성공적으로 진입하지 못했다.

펨토세컨드(100조분의 1초) 레이저는 원자 내에서 에너지가 분산될 수 있는 속도보다 더 빠른 속도로 재료를 처리한다. 따라서 열이 주변 재료에 전이되지 않으면서도 진동이 효과적으로 제거된다. 초스피드로 빠른 fs, ps 레이저에서의 ‘냉각 재료 공정’은 연구실 수준의 애플리케이션에서 거대한 잠재력을 보여주고 있다. 그러나 대량 생산을 위해서 애플리케이션 투자비용은 상당한 수준으로 감소해야 한다.

결정질 태양전지에 대한 레이저의 적용

두 가지 종류의 결정질 실리콘이 PV 산업에서 사용되고 있다. 그 첫 번째는 단결정질이며, 높은 순도의 단일 결정 장치에서 얇은 슬라이스 형태의 웨이퍼에 의해 생산된다. 그 두 번째의 것은 막대 형태로 다결정질 실리콘이며, 그 다음에는 웨이퍼 형태로 실리콘 조각을 절단하면서 만들어진다.

레이저 공정은 보다 높은 변환 효율성을 달성하면서 결정질 실리콘 태양전지의 산업적 생산에 있어서 핵심 기술이 되었다. 현재의 태양전지 기술의 발전은 MWT/EWT, 레이저 화염 접촉(LFC), 서로 맞물리게 하는 뒷면 접촉(IBC)과 같은 발전된 방법을 사용함으로써 가능했다. 현재 단결정 및 다결정 태양전지는 태양전지의 상업적 생산에서 지배적인 기술이며, 이는 태양전지 시장의 약 80%를 차지한다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

말단 분리. 고성능을 확보하기 위해서는 앞면과 뒷면의 말단 부위에 전기적인 단절이 있어야 한다.

말단 분리, 접합

태양전지 성능에서 가장 중요한 요소는 재결합 가능성의 최소화이다. 고성능을 확보하기 위해서는 앞면과 뒷면의 말단 부위에 전기적인 단절이 있어야 한다. p-타입 층의 분리는 qs-Nd:YAG이나 qs-Nd:바나듐산염으로 홈을 절단함으로써 이루어진다. 고 전력 속 밀도가 필요한 것은 절단면에서 녹은 부분을 효과적으로 제거하기 위해서이고, 녹은 물질에 재배치 되는 것을 피하기 위해서다. 플라즈마 에칭과 비교하면 레이저 조각 생산의 장점은 높은 생산량이라고 할 수 있다. 왜냐하면 공정 취급에서 파손이 적고 일직선을 이루는 공정으로 인해 재료 흐름이 개선되기 때문이다. 이뿐만 아니라 비용이 높은 에칭 가스와 폐기가 필요 없다. 습기가 있는 화학적 말단 분리에 비해 레이저 공정은 자본금과 운영비용 면에서 훨씬 더 저렴하다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

말단 분리의 심층 분석.  습기가 있는 화학적 말단 분리에 비해 레이저 공정은 자본금과 운영비용 면에서 훨씬 더 저렴하다.

웨이퍼의 구멍 뚫기

뒷면 접촉 태양전지는 불필요한 측면 선들을 제거하며, 이런 방식으로 태양광 활성 표면의 기능을 강화하고 태양전지 효율성을 높인다. 게다가 태양전지가 모듈에 연결되는 전체 성능이 앞면에서 뒷면으로 연결하지 않고도 높아진다.

포장 밀도는 높아지는 반면 비용은 줄어든다. MWT 방법(금속 포장 방법)을 통해 모듈 내에서 연결이 필요한 납땜 선이 태양전지의 뒷면에 배치된다. 이러한 목적을 위해 직경 200~500μm의 구멍 25~50개가 한 태양전지 위에 격자 문양으로 파지고 그 다음에는 전도성 물질로 구멍이 채워진다. 그러나 에미터 층의 전체 접촉이 뒷면에 위치하면 직경 60~70μm의 구멍 약 15,000개에 구멍이 뚫린다(에미터 포장 방법/EWT을 통해). 두 기법 모두 로핀의 스타디스크와 같은 q-스위치 디스크 레이저가 현재까지 타의 추종을 불허하는 처리속도로 가동된다. 즉, EWT 방법으로 초 당 5,000개까지 구멍이 생기고 MWT 방법으로는 초 당 25~50개의 구멍까지 가능하다. q-스위치 빔은 TEM00 기본모드에서 높은 전력을 생산하며, 이러한 애플리케이션에는 이상적인 펄스폭이다. 재료에 적응한 펄스 지속과 높은 펄스의 최대 전력의 결합은 수 초 내의 범위에서 태양광 전지마다 극히 짧은 공정 시간을 가능하게 한다. 이러한 조건은 전체 생산 공정과 뒷면 접촉 공정의 통합을 위한 최적의 선결조건이다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

스타디스크. 높은 처리 속도를 위한 디스크 레이저이다.

추적 가능성 표시

레이저로 실리콘 웨이퍼와 태양전지를 표시하는 문제에 관한 한 실 수요자들의 요구는 상당히 까다롭다. 태양전지 제조에 있어서 웨이퍼의 표시는 추적 가능성을 갖고 있는 열쇠이며, 제조 공정 개선의 핵심이다. 웨이퍼 뒷면이 후의 생산 단계에서 완전히 덮이기 때문에 앞면표시만이 유용하게 기능한다. 데이터매트릭스(DataMatrix) 코드가 태양광 활성 부위에 사용될 수 있지만 이들은 다양한 코팅 및 에칭 공정의 효과를 감퇴시킨다. 따라서 소규모 배치 연구개발(R&D) 애플리케이션에서는 웨이퍼 말단에 대한 평면 표시 기법이 선호된다. 새로운 ECCI 코드번호는 잠재적으로 하나의 해결책이 될 수 있다.

ECC 데이터매트릭스 코드와는 달리 ECCI 코드 번호는 차별화된 해독과정과 대부분의 결정을 사용한다. 따라서 이 코드는 다결정질 태양전지와 같은 동일하지 않는 표면에서 흔히 발견되는 변화가 심한 표면에 높은 저항성을 갖고 있다. 해독 과정에서 어떤 것이 보이는 한, 심지어 표시가 있는 접촉 전도의 경우에도 상황은 마찬가지이다. 또한 ECCI 코드 중복은 조정 가능하다. 심각한 마모나 손상, 찢김에 취약한 표시는 상당한 중복 코딩을 사용할 수 있다.

웨이퍼의 절단과 분리

말단 분리와 천공(구멍 뚫기)을 위해 동일한 제거 공정을 사용함으로써 매우 높은 정밀도와 낮은 열 침투로 단결정질 및 다결정질 실리콘 웨이버의 신속한 절단은 가능해진다. 과거에는 플래쉬 램프 펌프를 이용한 Nd:YAG 레이저를 사용해 동축 가스 분사로 단일 통과 과정을 거쳐 절단된 실리콘을 녹일 수 있었다. 절단된 말단 부위에서 녹은 층의 신속한 냉각 때문에 마이크로 수준의 균열이 생겨났다. 지원 가스 없이 다양한 통과 과정을 거치는 절단 과정이 표면 질의 개선을 가능하게 한다는 것을 새로운 방법이 입증했다. qs-디스크 레이저로 사용자들은 0.2mm 주변의 웨이퍼 두께를 위해 초당 200mm/s까지 일반적인 절단 속도를 기대할 수 있다. 특히 집광지 전지와 파손된 전지의 재활용을 위해 실리콘 웨이퍼는 완전히 절단되지 않고 횡단면의 40~50%까지 깊이만 절단된다. 웨이퍼를 완전히 분리하기 위해 수동으로 혹은 완전 자동으로 후속적인 절단이 필요하다. 일반적인 절단 속도는 초당 300~700mm/s 범위이다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

일반적인 핀 그리드로 유전체 층의 공개.  대량생산 규모를 위한 가장 최신의 선택적 에미터 개념은 레이저 재료 공정에 기반한다.

레이저 지원 선택적 도핑

선택적인 에미터는 약 1%p의 작업 효율성을 약속한다(다결정 전지에는 17%까지 그리고 단결정 전지에는 18.5%까지의 효율성). 과거에는 금속 접촉 부위 아래의 n-타입 실리콘 층의 무거운 도핑 요구와 접촉 핀 사이의 가벼운 도핑 간에 항상 균형이 존재했다. 무거운 도핑은 낮은 접촉 저항을 가능하게 하고 높은 측면 전도성을 가능하게 하는 반면, 가벼운 도핑은 제한적인 재결합과 푸른빛에 대한 즉각적인 반응에 필요하다. 해결책은 선택적인 에미터 도핑이고, 대량생산 규모를 위한 가장 최신의 선택적 에미터 개념은 레이저 재료 공정에 기반한다.

한 가지 접근법은 레이저 제거를 통한 선택적인 도핑이다. 반도체(순수한 물질)에 첨가하는 미세한 불순물이 확산되기 이전에 이것은 이전의 유전체 보호층을 형성하며, 이것은 그 후에 접촉 부위에서 레이저에 의해 선택적으로 벗겨진다. 이 레이저는 이후에 스크린으로 프린트되는 접촉 핀보다 약간 더 넓은 선에서 유전체 층을 벗긴다. 따라서 다음에 이어지는 미세 불순물 확산 단계는 보호 부위와 비 보호 부위에 다른 미세 불순물 농도를 형성한다. 직접 선택적인 레이저 도핑 역시 선택적인 에미터를 구현하기 위한 중요한 개념이다. 레이저가 정확하게 관리되는 특정 부위 열 투여를 가능하게 하기 때문에 선택적인 도핑 공정에 있어서 최적의 조건을 제공한다. 가장 쉬운 해결책은 인 첨가 실리카 유리(PSG) 층을 사용하는 방법인데, 이는 전통적인 미세 불순물 확산 중에 에미터의 상부에서 이미 조성된 것이다. 다른 방법들은 앞면의 접촉 바로 전에 유전체 층의 상부에 인이 함유된 도핑 재료를 적용한다. 레이저는 아래에 있는 실리콘을 녹이고 인이 함유된 미세 불순물을 녹은 실리콘에 결합하고 유전체 층을 제거한다. 이것은 이후 자체적으로 결합된 금속 접촉부위 형성을 위해 실리콘 표면을 노출시킴으로써 가능해진다.

박막 태양전지에 레이저의 투사

결정질 실리콘 웨이퍼는 완제품 모듈 비용의 40~50%를 차지하기 때문에 태양전지를 만들 수 있는 보다 저렴한 원재료를 찾는 것이 업계의 상당한 흥미 거리이다. 선택되는 재료들은 빛을 강하게 흡수해야 하고, 1마이크론 정도의 두께여야 한다. 그러면 재료비용이 상당히 감소하는 것이다. 가장 일반적인 형태는 카드뮴 텔루르 화합물과 구리 인듐 디셀러나이드와 같은 다결정 물질이나 무정형 실리콘이다. 박막 필름 반도체 층이 코팅된 유리나 스테인레스 강철 시트나 플라스틱 필름에 부착된다. 투명한 산화물 층이 전지의 앞면 전기 접촉을 야기하고 금속 층이 뒷면 접촉을 야기한다. 20년 이상이 된 박막 필름 기술은 연구 단계에서 초기 제품을 생산하는 공장에서의 최초 제조단계로 옮겨가는 데 상당한 시간이 소요되었다. 이 새로이 부상하고 있는 기술은 아직 비교적 성숙한 나노 기술과 다결정 기술에 점유하고 있는 지배적인 위치로 진입하지 못했다. 그러나 c -Si 생산과는 달리 이 기술은 가장 전도유망한 접근법의 하나인 유연한 태양전지의 지속적인 롤-투-롤 생산과 같이 근본적인 비용절감 효과를 갖고 있다. 이 기술을 위해 로핀은 새로운 방식의 맞춤형 롤-투-롤 시스템을 제안한다. 이 생산 방식은 즉흥적으로 적용되는 방식뿐만 아니라 생산 단계를 관리하고 공정을 반복하는 방식이다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

박막 필름 전지의 구조.  박막 태양전지는 증기 투여와 레이저 투사의 연속 공정을 통해 생산된다.         

박막 필름 공정

박막 태양전지는 증기 투여와 레이저 투사의 연속 공정을 통해 생산된다. 전기적인 분리를 가능하게 하기 위해 단일 층의 선택적인 제거를 통해 다른 증기 투여 단계 사이에 통합적인 과정이 탄생된다. 작은 면적의 투사 폭과 고른 깊이를 유지하기 위해서 뛰어난 빔 품질은 박막 필름 전지에 대한 레이저 투사 공정에 핵심이 된다. 초점이 제대로 맞추어져야 하고, 높은 빔 풀질이 확보되면 작업자들은 대형 유리판의 두께와 균등하지 못한 평면과 같은 다양한 원자재 속성에서도 작업을 진행할 수가 있는 것이다.

펄스 대 펄스 안정성은 높은 공정 속도 중에 높은 반복율 유지에 필수적이다. 최고의 빔 품질(TEM00)과 200kHz까지의 높은 반복율을 가진 레이저가 20~50마이크론 폭의 경로 제거에 사용되며, 그 처리속도는 밑의 층이나 표면층을 손상하지 않고도 초당 2,000mm/s까지 가능하다. 바로 그런 이유로 짧은 ns-펄스 폭(최대 100ns)을 가진 Nd:바나듐산염 층이 이러한 종류의 애플리케이션에서 표준형 레이저 형태인 것이다. 다양한 공정에 있어서 이상적인 파장은 개별적인 층의 구성에 따라 다르다. 이중 주파수(532nm)를 가진 파장과 기본 파장이 (1,064nm)이 (532nm) a-Si, CIS & CdS/CdTe 태양전지 생산에서 일반적으로 사용되고 있다.

태양전지 생산의 특성은 로핀의 파워라인 SL과 같이 이러한 목적을 위해 항상 최적화되는 레이저 빔을 필요로 한다. 비용 절감적인 소형 레이저는 PV와 다른 전기 박막 필름의 투사를 위해 특별히 고안된 것이다. 펌프 다이오드와 RF 발전기는 소형 레이저 헤드에 탑재되어 있다. 이는 통합을 단순화하며 사용 위치와 요구되는 공급 위치 간의 엄청난 거리를 만든다. 이 애플리케이션에는 유리나 유연한 물질에 적용되는 TCO/ ITO/AZO 레이저, a-Si/μ-Si, CdTe & CI(G)S 같은 박막 필름 모듈에 적용되는 활성 레이저, Al, Ag, Mo와 같은 뒷면 접촉 레이저와 그 결합 형태가 있다. 정밀한 온도 관리 시스템은 장기적인 성능과 안정성을 보장한다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

박막 공정 에지 삭제.  모듈의 전기 단절과 밀봉을 위해 유리 표면에 있는 완벽하게 처리된 박막 태양전지의 말단부위에서 모든 층을 완벽하게 제거하는 것이 중요하다.

(Source : ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH)

박막 에지 삭제 스크라이빙. 레이저를 통한 선택적 도핑과 유전체 층의 선택적 제거는 새로운 효율성 개선 방식에 밝은 전망을 열어주고 있다.

말단 제거

모듈의 전기 단절과 밀봉을 위해 유리 표면에 있는 완벽하게 처리된 박막 태양전지의 말단부위에서 모든 층을 완벽하게 제거하는 것이 중요하다. 일반적인 40MW 급 제조 공장의 생산 요건을 충족하기 위해 제거율은 초당 10~50 이내의 범위여야 한다. 여기에서 레이저는 모래 분사와 같은 전통적인 기법에 도전한다. 표준형 TEM00-레이저(Nd:바나듐산엽 레이저가 투사를 위해 사용되는 것처럼)다. 이러한 애플리케이션에 충분한 제거율을 제공하지 않기 때문에 특별히 개발된 고전력 qs-레이저가 사용된다.

말단 제거 애플리케이션을 위한 로핀의 레이저는 400, 600 혹은 800μm 광섬유로 설치될 수 있는 200~1000와트까지의 레이저 출력 전력을 제공한다. 일반적인 제거 폭은 초당 4,000mm/s까지의 공정 속도로 0.7~1.5mm 사이이다. 공정의 기본적인 특징은 평면 공간에서 장점을 가지는 투사이기 때문에, 몇 개의 펄스를 겹치는 것은 공정 과정에서 꾸준히 나타난다. 사각의 동일한 부위가 최근 로핀이 도입한 사각 섬유에 의해 제공된다. 사각 섬유를 통한 사각 동일 부위 공정은 제거 애플리케이션의 최적화를 가능하게 한다. 펄스의 중복은 한 지점 폭보다 더 작은 후속 펄스의 배치에 의해 가능해진다. 사각 펄스는 중첩이 부위의 중간에서 말단으로 일관되게 한다는 장점이 있다. 효율적이고 균등한 질의 제거 결과가 쉽게 얻어진다.

레이저 제조업체들에게 있어서 PV는 밝은 전망을 약속하는 시장인 동시에 까다로운 시장이기도 하다. 대량 생산을 위한 기술 최적화뿐만 아니라 새로운 고 효율성 확보를 위해서는 연구소가 생산라인 공급업체들, 그리고 태양전지 제조업체들 간의 협력이 절실히 요구된다. 선택적 에미터를 통해 고효율 전지에서 이미 검증된 잘 알려진 접근법은 대량 생산에서 그 활로를 개척했다. 그것은 오래 지속되지 않을 것이다. 레이저는 고효율을 대량생산에서도 달성할 수 있는 핵심 기술이다. 게다가 레이저를 통한 선택적 도핑과 유전체 층의 선택적 제거는 새로운 효율성 개선 방식에 밝은 전망을 열어주고 있다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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