클라우스-피터 슈톨베르크·버트 클램저·수산나 프리델, Jenoptik Laser Optik Systeme GmbH

유우키 아쓰타, Optopia Co. Ltd.

실리콘 태양전지의 효율을 최적화하기 위해 새로운 콘셉트로 태양전지의 전면 컨택을 후면 컨택으로 옮기는 것이 논의되고 있다. 이 새로운 초고속 기술은 실리콘 웨이퍼에 50~100㎛의 관통홀을 드릴링 하는 것이 필요하다. 일반적인 생산속도는 단 1~2초 이내로 전체 웨이퍼에서 약 100개의 관통홀을 가공해야 한다.  

레이저 기술은 이 공정용으로 호평을 받고 있다. 나노초 영역의 펄스 길이와 밀리줄 영역의 펄스 에너지를 가지는 기본적인 모드의 레이저가 이 용도에 적합하다. 보통의 레이저 소스에서는 펄스폭과 펄스 반복율은 서로 연관되어 있으며, 이 두 파라미터는 독립적으로 조정되어질 수 없다.

이번 기사에서는 이런 식으로 제한되지 않는 새로운 방식의 IR 레이저 소스로 프로세싱 한 응용사례의 결과를 제시해 보일 것이다.

동기

오늘날 결정질 실리콘 웨이퍼는 세계적으로 태양전지 생산량을 좌우하고 있다. 작동원리는 pn-접합부에 있는 광전자들의 분리 이동을 기초로 하고 있다. 이를 위한 생산기술은 1954년부터 잘 알려져 있다.

현재 시판되고 있는 단결정 실리콘 전지의 효율은 12~17%에 달한다(2009년 기준). 재결합 손실을 줄이기 위해 컨택들을 짧은 거리 안에 배열할 필요가 있다. 이것은 쉐도윙(Shadowing)에 의한 전면의 활성영역이 줄어짐을 최소화하는 전면의 바(Bars)와 넓은 후면컨택(금속코팅)으로 처리되었다. 전형적인 솔라셀의 경우 전면 컨택용 패턴이 전체 면적의 10%에 달한다.

쉐도잉을 줄이는 하나의 근대적인 디자인 콘셉트가 ‘Wrapped Through’ 마이크로 관통홀이라는 포인트 컨택들이다(MWT(Metal Wrap Through) 기술).(1) 이와 같이 후면 컨택 뿐만 아니라 전면 컨택도 후면에서 접속되어질 수 있다. 이러한 구조는 셀의 전기적인 연결에서 기술적인 장점을 부여하고 후면에서 컨택의 치수가 쉐도잉 효과에 의해 제한받는 것보다 길지 않기 때문에 전면 컨택의 저항손실 또한 줄일 수 있다.

기본 추정

우리는 지름 200㎛인 약 100개의 포인트가 전면 1.6mm 폭의 버스바를 대체한다고 추정했으며, 전면에서 필요한 영역이 5.3%에서 2.9%로 줄어드는 것을 계산했다. 만약 이것이 직접적으로 셀 효율에 기여한다면, 0.3~0.4%에 이르는 셀 효율의 증대를 얻을 수 있다. 실제로 MWT 기술을 이용한 결정질 솔라셀에서 0.5%의 향상으로 16.5%의 효율이 보고되었다.(2)

홀 드릴링 방식 중에서 레이저 드릴링이 호평을 받고 있다. 그 이유는 드릴링 도구에 의한 어떠한 기계적인 접촉이 없어서 드릴링 위치에서 단지 원하는 영역에만 에너지를 전달할 수 있기 때문이다. 또한 공장자동화의 요구를 충족할 수 있도록 마모가 되는 소모성 도구가 없으며, 레이저 빔은 정밀하게 제어할 수 있고, 또한 공정의 재현성이 아주 높다. 실리콘 제거(Ablate)에 대한 추가적인 조사에 의하면 레이저 펄스폭이 수백 나노초 영역인 경우에 제거속도가 최적화 될 수 있는 것으로 알려져 있다.(3)

간단한 열량측정 모델을 가지고 추정해 본다면 75㎛ 하나의 홀 부피를 완전히 증발(Evaporation)시키기 위해서는 35.2mJ이 필요하다. 뒤에서 정말로 전체 에너지 40~50mJ가 필요하다는 것을 보여줄 것이다.

또 다른 시도를 통해서 알 수 있었던 것은 광학적인 흡수가 온도에 종속적이기 때문에 펄스폭이 500ns 이상에서 제거 속도가 증가한다는 것이다. 수백 나노초의 큰 펄스폭인 경우에는 레이저 펄스의 앞선 가장자리에서는 이미 상당한 온도 상승이 있을 것이며, 따라서 레이저 빔의 뒷전에서 에너지의 흡수는 향상된다.

1,030nm 파장에 대한 실리콘의 흡수 계수는 4.5×10-3㎛-1이고, 이는 ~200㎛의 광학 침투 깊이를 제공한다.(4) 이러한 차원에서 입사 레이저 강도의 63.2% 정도가 흡수된다(표면의 반사 손실은 무시함). 현재 PV 영역에서 일반적인 웨이퍼 두께는 180~300㎛이고, 그래서 IR 레이저는 효과적인 열방식 제거(Thermal Ablation)를 유발할 수 있고, 웨이퍼 전체 두께 내부로 효율적으로 흡수될 것이다.

어플리케이션 셋업

체계적인 어블레이션 공정 조사와 최적화된 레이저 파라미터의 채택은 펄스에너지, 펄스폭, 반복율과 같은 주요 파라미터가 독립적으로 제어 가능한 레이저 소스를 필요로 한다. 이것이 바로 예놉틱(Jenoptik)사의 JenLasⓡIR50이다.

새로운 펄스 쉐이핑 원리가 사용되었다. 전형적인 세부 조정 영역은 그림 4에서 볼 수 있다.

이 레이저는 8~100kHz의 튜닝 영역에서 최대 펄스에너지 5.9mJ, 그리고 250~2000ns 사이의 펄스폭을 조정할 수 있다.

추가적인 특징은 체계적인 빔 프로파일과 기본 모드의 빔 특성, 그리고 비점수차(Astigmatism)가 없다는 것이다. 이 레이저는 빠른 빔 셔터를 장착하고 있는데, 게이트 펄스 트레인을 싱글 펄스로 다운시켜 준다. 이것은 자유로운 타이밍 조절로 펄스 트레인과 같은 버스트(Burst)를 방출할 수 있게 한다.

어플리케이션 시도의 목적은 레이저로 드릴링 된 홀을 최적화하는 것이다. 셋업은 그림 5에 묘사되었다. 우리는 IR50 레이저(1)를 예놉틱사 빔 익스펜더(Beam Expander)(3)를 통해 스캔랩(Scanlab)사 14mm 갈보스캐너(Galvoscanner)(4)로 얼라인 했다. 갈보스캐너에는 다른 예놉틱사 포커싱옵틱(5)을 마지막으로 샘플(6)은 구조물(7)에 고정되었다. 갈보스캐너와 레이저의 동조를 위해 스캔랩사 RTC4 갈보컨트롤 보드를 이용했다.

어플리케이션의 결과

그림 6에서는 200㎛ c-Si 웨이퍼의 드릴링 결과를 보여준다. 54mm 초점거리에서 홀의 빔 입구쪽 지름은 펄스에너지에 따라 증가한다. 만약 펄스에너지가 3mJ을 초과하면 포화상태가 된다. 빔 출구쪽 지름의 경우 1mJ에서 이미 포화가 발생되어 버린다. 이것은 더 높은 펄스에너지로 더 큰 홀 지름을 얻을 수는 없다는 것을 보여준다. 여기서 빔 출구쪽의 최대 홀 지름은 38㎛이고, 5.6˚의 테이퍼(Taper) 각도를 가진다.

포커싱 조건을 변화시켜서 빔 출구쪽에서 75㎛까지 얻을 수 있는 것이 가능하다.

그림 7에서는 다른 모든 파라미터가 일정한 경우 펄스폭의 영향을 보여준다.

완전한 드릴링 공정을 위한 최적값은 600 …800ns에서 15~20펄스를 필요로 하다. 이것은 8kHz의 반복율에서 하나의 홀 가공 시간이 1.9 …2.5ms 라는 것을 의미하며, 하나의 홀 당 전체의 에너지는 40~50mJ이다. 광학현미경을 통한 육안 검사에서는 650ns 펄스폭에서 최상의 가장자리 품질을 볼 수 있다.

여기서 짚고 가야 할 것은, PV 산업용 실제 레이저 드릴링 공정에서는 후처리가 아주 중요하다는 것이다. 보통 레이저 드릴링 다음에는 에칭 공정이 진행된다. 이 에칭 공정은 레이저 드릴링 공정의 열적 특성으로 발생한 격자 손상을 제거하고, 홀 지름을 추가로 10~20㎛ 증가시킨다. 또한 그림 8에서 볼 수 있듯이 이방성의 연변유속(Edging Velocity) 때문에 홀의 둥근 형태(Roundness) 또한 영향을 받는다. 따라서 홀의 품질은 모든 연관된 공정이 마무리 된 후에 측정해야만 한다.

요약

우리는 태양전지의 새로운 후면 컨택 MWT 콘셉트와 관련해 단결정 실리콘 웨이퍼의 두께를 관통하는 초고속 드릴링 공정을 입증했다. 15~20개의 레이저 샷으로 완전한 50㎛ 홀을 1.9~2.5ms 안에서 드릴링하는 것이 가능하다. 추가적으로 우리는 이 어플리케이션을 위해 펄스에너지, 반복율, 그리고 펄스폭을 자유롭게 조율이 가능한 레이저를 이용해 레이저 파라미터들을 최적화했다. 최상의 결과는 600~800ns 펄스폭에서 관찰되었다. 드릴링 속도의 추가적인 향상은 여기서 시도하지 않은 포커싱을 최적화하면 가능하다.

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