[논문]다양한 레이저 조건에 따른 컷팅셀 제작 및 특성 분석

박정은; 김동식; 최원석; 장재준; 임동건

doi:10.7836/kses.2019.39.3.009

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Laser cutting cell of solar cells can achieve high voltage and efficiency through more array than conventional 6 inch cell compared to same area. In this study, we fabricated c-Si cutting cell with various lasers and laser conditions such as power, speed, and number of times. In the case of picoseco...

Laser cutting cell of solar cells can achieve high voltage and efficiency through more array than conventional 6 inch cell compared to same area. In this study, we fabricated c-Si cutting cell with various lasers and laser conditions such as power, speed, and number of times. In the case of picosecond laser, excellent surface characteristics were obtained due to small surface defects and low thermal damage at the output of 20W and the speed of 100 mm/s. However, it is not possible to fabricate a cutting cell having good characteristics due to nonuniform cutting inside the wafer when the processing for forming a cutting cell is not sufficiently performed. For nanosecond lasers, the best wafer characteristics were obtained for fabrication of excellent cutting cells at a frequency of 500 kHz and a laser speed of 100 mm/s. However, the nanosecond laser has not been processed sufficiently in the condition of a number of times. As a result, it was confirmed that the wafer thickness was cut by $63{\mu}m$ of the cell thickness of $170{\mu}m$ in the condition of five times of laser process. It was found that more than 30% of the wafer thickness had to be processed to fabricate the cutting cell. After cutting the 6-inch cell having the voltage of 0.65 V, we obtained the voltage of about 0.63 V.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Diagram of cutting cell using AutoCAD simulation
표 Table 1 Process conditions with laser power
그림 Fig. 2 Surface image with laser power
그림 Fig. 3 Cross-section image in the condition of laser power 20 W
표 Table 2 Process conditions with laser speed
그림 Fig. 4 Surface image with laser number of times
그림 Fig. 5 Cross-section image with laser number of times
표 Table 3 Process conditions with laser number of times
그림 Fig. 6 Surface image with laser frequency
그림 Fig. 7 Surface and cross-section images in the condition of laser frequency 700 kHz
그림 Fig. 8 Cutting cell image with laser frequency
표 Table 4 Process conditions with laser frequency
그림 Fig. 9 Surface image with laser speed
그림 Fig. 10 Surface and cross section images in the condition of laser speed 50 mm/s
표 Table 5 Process conditions with laser speed
그림 Fig. 11 Cutting cell image with laser speed

AI 본문요약
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문제 정의

컷팅 방식에 따라 셀 표면에 고온의 열이 가해지거나 크랙 등이 발생 할 수 있는데, 다이싱 방식은 셀 컷팅 과정에서 균일하지 못한 절단면과 그로인한 낮은 수율을 보이며, 레이저 방식은 표면 데미지의 최소화 및 높은 수율을 가진다^2-4). 본 연구에서는 고전압, 고출력 태양전지 개발을 위해 셀의 데미지를 최소화 시키기 위하여 레이저 공정 조건에 따른 컷팅셀 설계ㆍ제작 및 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 다양한 레이저를 이용하여 c-Si 컷팅셀을 제작하고 전기적 및 구조적 특성을 분석하였다. 컷팅셀 제작을 위해 출력, 이송 속도, 횟수 등의 다양한 레이저 조건을 변화시켜 실험을 진행하였다.

제안 방법

레이저 조건에 따른 태양전지의 특성을 분석하기 위하여 초기 실험 조건을 이송 속도 100 mm/s, 반복 횟수 1회를 고정으로 레이저 출력을 2.5 ~ 20 W까지 2.5 W 단위로 가변하여 실험을 진행하였다. Table 1은 레이저 출력 공정 조건을 나타낸 것이다.
레이저 조건에 따른 태양전지의 특성을 분석하기 위하여 초기 실험 조건을 이송 속도 150 mm/s, 레이저 반복 횟수 5회로 고정하고, 레이저 주파수를 100 ~ 700 kHz까지 200 kHz 단위로 가변하여 실험을 진행하였다. Table 4는 레이저 주파수 공정 조건을 나타낸 것이다.
컷팅셀은 고전압이 요구되는 제한된 면적에서 동일 면적 기준 6인치 셀을 배열 했을 때 보다 높은 전압 값을 확보할 수 있는 가능성을 보여준다. 본 연구에서는 피코초와 나노초 레이저를 이용하여 컷팅셀을 제작하였으며, 제작 후 특성 분석을 통해 컷팅셀의 공정 조건을 최적화하였다. 피코초 레이저의 경우 모든 조건에서 컷팅셀을 위한 가공이 잘 이루어지지 않았으며, 최소 5회 이상의 공정으로 가공해야만 선폭을 관찰할 수 있었다.
7 cm 크기의 6 인치 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 셀 컷팅을 위해서는 일정 이상 깊이의 레이저 가공이 요구되며, 레이저의 출력, 이송속도, 반복횟수, 주파수 등의 공정 조건을 변경하여 실험하였다. 컷팅셀 분석은 Leica사 DM12000M 금속 현미경, Mcscience PLS-300 솔라 시뮬레이터 등을 통해 진행하였다.
본 연구에서는 다양한 레이저를 이용하여 c-Si 컷팅셀을 제작하고 전기적 및 구조적 특성을 분석하였다. 컷팅셀 제작을 위해 출력, 이송 속도, 횟수 등의 다양한 레이저 조건을 변화시켜 실험을 진행하였다. 레이저는 피코초와 나노초를 사용하였으며, 레이저 파장은 두 실험 모두 녹색(532 nm) 파장으로 고정하였다.
컷팅셀로 모듈 제작 시 셀을 개수에 관계없이 추가로 활용 가능함에 따라, 전압 및 출력 상승을 기대할 수 있고 공백 면적을 최소화 할 수 있다. 크랙 형성 및 깊이, 균일성 확보를 위해 다양한 레이저 조건에 따른 컷팅셀 특성 평가를 진행하였으며, 레이저 조건 최적화를 통한 표면 데미지 및 결함을 최소화하였다^5-7).

대상 데이터

9 cm 로 제작하였다. CAD 시뮬레이션을 기반으로하여 기존 6인치 셀은 15.7 cm × 15.7 cm로 셀 1개당 면적은 0.0246 m2, 본 연구에서 디자인한 컷팅셀은 15.7 cm × 6.9 cm로 셀 1개당 면적은 0.0108 m2로 제작하였다. 컷팅셀로 모듈 제작 시 셀을 개수에 관계없이 추가로 활용 가능함에 따라, 전압 및 출력 상승을 기대할 수 있고 공백 면적을 최소화 할 수 있다.
컷팅셀 제작을 위해 출력, 이송 속도, 횟수 등의 다양한 레이저 조건을 변화시켜 실험을 진행하였다. 레이저는 피코초와 나노초를 사용하였으며, 레이저 파장은 두 실험 모두 녹색(532 nm) 파장으로 고정하였다. 피코초 레이저는 출력 2.
본 실험에서는 15.7 cm × 15.7 cm 크기의 6 인치 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 셀 컷팅을 위해서는 일정 이상 깊이의 레이저 가공이 요구되며, 레이저의 출력, 이송속도, 반복횟수, 주파수 등의 공정 조건을 변경하여 실험하였다.
셀 컷팅을 위해서는 일정 이상 깊이의 레이저 가공이 요구되며, 레이저의 출력, 이송속도, 반복횟수, 주파수 등의 공정 조건을 변경하여 실험하였다. 컷팅셀 분석은 Leica사 DM12000M 금속 현미경, Mcscience PLS-300 솔라 시뮬레이터 등을 통해 진행하였다. Fig.

성능/효과

11과 같이 부분적으로 셀이 일정하게 컷팅되지 않고 깨지는 현상이 발생하였다. 결과적으로, 나노초 레이저의 경우, 주파수 500 kHz, 이송속도 100 mm/s의 조건에서 셀 두께 170 µm 중 약 63 µm로 웨이퍼 두께의 36% 컷팅되었음을 광학현미경을 통해 확인하였다. 이를 통해 컷팅셀 제작을 위해서는 웨이퍼 두께의 30%이상이 가공되어야 함을 알 수 있었다.
나노초 레이저의 경우 HAZ이 비교적 적은 공정 조건을 찾을 수 있었으며, 5번의 레이저 공정 횟수를 통해 컷팅셀 제작 공정 조건을 최적화 할 수 있었다. 결론적으로 나노초 레이저를 통해 컷팅셀을 제작하였을 때, 0.65 V의 전압값을 갖는 6 인치 셀의 컷팅 후 전압값은 약 0.63 V로 레이저에 의한 손실 없이 유사한 전압값을 보였으며, 효율 또한 약 0.1%의 차이로 컷팅 전·후 모두 유사한 셀 특성을 나타내었다.
하지만 이는 셀을 컷팅할 수 있는 최소의 레이저 공정 깊이로 가공할 수 없음을 확인할 수 있었다. 결론적으로 피코초 레이저는 컷팅셀을 제작하기 위한 레이저로는 적합하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 나노초 레이저의 경우 HAZ이 비교적 적은 공정 조건을 찾을 수 있었으며, 5번의 레이저 공정 횟수를 통해 컷팅셀 제작 공정 조건을 최적화 할 수 있었다.
결론적으로 피코초 레이저는 컷팅셀을 제작하기 위한 레이저로는 적합하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 나노초 레이저의 경우 HAZ이 비교적 적은 공정 조건을 찾을 수 있었으며, 5번의 레이저 공정 횟수를 통해 컷팅셀 제작 공정 조건을 최적화 할 수 있었다. 결론적으로 나노초 레이저를 통해 컷팅셀을 제작하였을 때, 0.
5에서 확인할 수 있듯이 반복 횟수 5회 미만 조건에서는 컷팅셀 제작에 필요한 단면 깊이가 가공 되지 않아 컷팅셀 제작에 적합하지 않았고, 5회 이상부터 표면과 단면 가공 확인이 가능하였다. 레이저 반복 횟수 실험 결과, 15회 조건부터 컷팅에 필요한 단면 가공이 진행되었으나, 컷팅 진행 시 안정적이지 못하고 낮은 수율로 인해 결과적으로 피코초 레이저는 컷팅셀 제작에 적합하지 않음을 확인하였다.
레이저 이송 속도 실험 결과, 100~400 mm/s 공정 조건 전체에서 셀 컷팅을 위한 충분한 가공이 진행되지 않았다. 100 mm/s 조건에서 가공이 진행되지 않을 시 그 이상의 조건에서 가공을 진행하더라도 레이저 패턴이 형성되지 않기 때문에 이송 속도를 100 mm/s로 고정한 후 반복 횟수 실험을 진행하였다.
6은 레이저 주파수에 따른 표면 이미지를 나타낸 것이다. 레이저 주파수 실험 결과, 100~300 kHz의 공정 조건에서는 셀 컷팅을 위한 충분한 단면 가공이 진행되지 않았으며, 500 kHz의 공정 조건에서부터 단면 가공이 진행되었다. 하지만 주파수가 증가할수록 HAZ(Heat Affected Zone)이 크게 형성되었으며, Fig.
컷팅셀은 고전압이 요구되는 제한된 면적에서 동일 면적 기준 6인치 셀을 배열 했을 때 보다 높은 전압 값을 확보할 수 있는 가능성을 보여준다. 본 연구에서는 피코초와 나노초 레이저를 이용하여 컷팅셀을 제작하였으며, 제작 후 특성 분석을 통해 컷팅셀의 공정 조건을 최적화하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전의 장점은 무엇인가?	태양광 발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 변환시킬 수 있는 첨단 기술이다. 따라서 햇빛이 비치는 곳에서는 어디서나 전기를 생산할 수 있으며, 다른 발전방식과는 달리 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 친환경적인 에너지이다.
	태양광 발전이란 무엇인가?	태양광 발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 변환시킬 수 있는 첨단 기술이다. 따라서 햇빛이 비치는 곳에서는 어디서나 전기를 생산할 수 있으며, 다른 발전방식과는 달리 대기오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 친환경적인 에너지이다.
	우리나라의 지형을 고려하여 적합한 태양광 발전방식은 무엇인가?	그러나 우리나라의 지형은 산악지대가 많아 태양광 발전에 있어 상당히 제한적이다. 이를 해결하기 위해 도심, 농촌, 수상 태양광 등 설치 제한 구역에서의 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 태양전지 시장의 가장 많은 비율을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 약 22%로 점차 효율이 증가하고 있으며, 약 30 ￠/Wp로 가격 또한 저렴해지고 있다1).

참고문헌 (7)

Corsin, B., Andres, C., and Stefaan, D. W., High-Efficieny Crystalline Silicon Solar Cells: Status and Perspectives, Energy&Environmental Science, Vol. 9, No. 5, pp. 1552-1576, 2016.
Garcia-Ballesteros, J. J., Lauzurica, S., Morales, M., Cano, T. del., Valencia, D., Casado, L., Balenzategui, J. L., and Molpeceres, C., Silicon PV Module Customization Using Laser Technology for New BIPV Applications, Laser Processing and Fabrication for Solar, Vol. 9180, pp. 91800H-1 - 91800H-11, 2014.
Weinhold, S., Gruner, A., Ebert, R., Schille, J., and Exner, H., Study of Fast Laser Induced Cutting of Silicon Materials, SPIE - the international society for optics and photonics, Vol. 8967, pp. 89671J-1-89671J-7, 2014.
Benson, K. M., Jean, B. B., and Alphonse, N., Experimental Investigation and Optimization of Laser Cutting Parameters for Solar Cells Based On Taguchi Method, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, Vol. 14, No. 5, pp. 41-51. 2017.
Chen, Y., Zhang, K., Huang, J., Hosseini, S. R. E., and Li, Z., Characterization of Heat Affected Zone Liquation Cracking in laser additive manufacturing of Inconel 718, Materials and Design, Vol. 90, pp. 586-594, 2016.

상세보기
Finn, D. S., Lin, Z., Kleinert, J., Darwin, M. J., and Zhang, H., Study of Die Break Strength and Heat-affected Zone for Laser Processing of thin Silicon Wafers, Journal of Laser Applications, Vol. 27, No. 3, pp. 032004-1-032004-8, 2015.

상세보기
Pan, X. N., Huang, C. Z., Wang, J., Zhu, H. T., and Yao, P., Laser-Assisted Waterjet Micro-Grooving of Silicon Wafers for Minimizing Heat Affected Zone, Materials Science Forum, Vol. 861, pp. 133-138, 2016.

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