태양광 전지 제조에서 레이저 기술의 핵심적인 역할

태양광(PV) 산업이 더 높은 변환 효율과 더 낮은 제조 비용을 추구함에 따라, 공정 기술은 셀 성능과 확장성을 결정하는 중요한 요소가 되었습니다. PERC, TOPCon, HJT, 그리고 더 나아가 페로브스카이트 및 탠덤 태양전지에 이르기까지, 셀 구조는 점점 더 복잡해지는 반면 공정 조건은 더욱 까다로워지고 있습니다. 이러한 발전 과정에서 레이저 기술은 보조 도구에서 여러 세대에 걸친 고효율 PV 셀의 핵심 제조 기술로 자리매김했습니다.

PERC 생산 라인에서 레이저 어블레이션은 패시베이션 층의 마이크론 수준 패터닝을 가능하게 하여 안정적인 국부 접점을 형성합니다. TOPCon 제조에서 레이저 붕소 도핑은 26% 이상의 셀 효율을 달성하는 핵심 공정으로 널리 알려져 있습니다. 새롭게 등장하는 페로브스카이트 및 탠덤 셀에서는 레이저 스크라이빙이 대면적 고균일 생산의 실현 가능성을 직접적으로 좌우합니다. 비접촉 방식, 높은 정밀도, 그리고 최소한의 열영향부라는 장점을 가진 레이저 기술은 태양광 산업 전반에 걸쳐 효율 향상과 제조 신뢰성 향상에 필수적인 요소가 되었습니다.

첨단 태양광 제조를 위한 공통 기반으로서의 레이저 기술

세포 기술이 발전함에 따라 제조업체는 더욱 정밀한 구조적 특징, 더욱 민감한 소재, 그리고 점점 더 엄격해지는 수율 요구 사항과 같은 여러 가지 공통적인 과제에 직면하고 있습니다. 레이저 가공은 이러한 과제를 해결하는 데 있어 고유한 기능 조합을 제공합니다.
* 비접촉 가공으로 기계적 응력 및 미세 균열 방지
* 마이크론 수준의 공간 제어 기능으로 미세하고 복잡한 세포 구조에 적합합니다.
* 국부적이고 초단시간의 에너지 입력으로 열 손상을 최소화합니다.
* 자동화 및 디지털 공정 제어와의 높은 호환성
이러한 특성 덕분에 레이저 기술은 기존의 결정질 실리콘 셀부터 차세대 탠덤 구조에 이르기까지 적용 가능한 매우 다재다능하고 업그레이드 가능한 공정 플랫폼이 되었습니다.

주요 세포 기술 전반에 걸친 핵심 레이저 응용 분야
1. PERC 셀: 완성도 높은 레이저 가공 모델
PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) 기술의 산업적 성공은 대규모 레이저 가공과 밀접하게 관련되어 있습니다. 레이저 어블레이션은 후면의 산화알루미늄 패시베이션 층을 선택적으로 제거하여 패시베이션 성능을 유지하면서 국부적인 후면 접촉을 형성하는 데 사용됩니다.
또한, 레이저 선택적 이미터(SE) 도핑은 전면 접촉부 아래에 국부적으로 고농도 도핑을 가능하게 하여 접촉 저항을 감소시키고 일반적으로 셀 효율을 약 0.3% 향상시킵니다. 이러한 레이저 공정의 성숙도와 안정성은 PERC 셀의 장기적인 대량 생산과 시장 지배력을 뒷받침해 왔습니다.

2. TOPCon 셀: 획기적인 공정으로서의 레이저 붕소 도핑
TOPCon(터널 산화막 패시베이션 접촉) 셀은 N형 실리콘 웨이퍼를 사용하여 캐리어 선택성과 전기적 성능 면에서 본질적인 이점을 제공합니다. 그러나 기존의 고온로 기반 붕소 확산 공정은 높은 에너지 소비, 느린 처리량, 터널 산화막 손상 위험 증가 등의 문제점을 안고 있습니다.
레이저 붕소 도핑은 국부적인 초고속 가열을 가능하게 하여 웨이퍼 전체를 고온에 노출시키지 않고도 붕소 원자가 지정된 영역으로 선택적으로 확산되도록 합니다. 이 접근 방식은 패시베이션 품질을 유지하면서 접촉 저항을 크게 줄여주며, TOPCon 효율을 26% 이상으로 끌어올리는 데 필수적인 공정으로 널리 알려져 있습니다.

3. HJT 셀: 계면 최적화를 위한 레이저 유도 어닐링
이종접합(HJT) 셀은 우수한 표면 패시베이션을 위해 비정질 실리콘 층에 의존합니다. 그러나 미결합과 같은 계면 결함은 여전히 ​​전하 캐리어 재결합을 유발할 수 있습니다.
레이저 유도 어닐링(LIA)은 제어된 레이저 조사를 이용하여 비정질/결정질 실리콘 계면에서 수소 이동을 활성화시켜 결함을 현장에서 복구하는 공정입니다. 이 공정은 개방 회로 전압(Voc)과 충전율(FF)을 향상시키는 것으로 입증되어 수소 접합 트랜지스터(HJT) 효율 최적화를 위한 실용적인 방법입니다.

4. 페로브스카이트 및 탠덤 셀: 확장 가능한 통합을 위한 레이저 스크라이빙
페로브스카이트 및 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀에서 레이저 가공은 제조 도구일 뿐만 아니라 구조적 구현을 ​​가능하게 하는 요소이기도 합니다. 표준 P1, P2 및 P3 레이저 스크라이빙 단계는 전극 분할, 하위 셀 분리 및 직렬 연결을 정의합니다.
기능성 층의 취약한 특성과 다양한 열 안정성을 고려할 때, 비접촉 및 고정밀 특성을 지닌 레이저 가공은 대면적 소자에서 높은 효율과 균일성을 달성하는 데 필수적입니다. 따라서 레이저 스크라이빙은 탠덤 셀 산업화의 핵심 공정 중 하나로 여겨집니다.

비용 절감 및 수율 향상을 위한 범용 레이저 공정
세포 특이적 응용 분야 외에도 레이저 기술은 여러 플랫폼에 걸쳐 적용되는 제조 공정을 지원합니다.
* 레이저 기반 그리드 라인 전사: 스크린 인쇄에 비해 더욱 미세한 전극을 구현하고 일관성을 향상시켜, 특히 HJT와 같은 저온 공정에서 은 페이스트 소모량을 크게 줄입니다.
* 손상 없는 레이저 절단: 미세 균열 위험을 줄여 정밀한 하프셀 및 멀티컷 가공이 가능하며, 모듈 출력 향상에 기여합니다.
* 레이저 에지 절연 및 패시베이션: 절단 후 에지 손상을 복구하여 재결합 손실을 줄이고 모듈 수준의 효율 향상에 기여합니다.
이러한 일반적인 레이저 공정은 와트당 비용을 낮추는 동시에 전반적인 제조 수율을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

열 관리 : 안정적인 레이저 가공의 기반
태양광 제조 공정이 생산량 증대 및 장시간 연속 운전으로 전환됨에 따라 레이저 공정의 안정성은 정밀한 열 제어에 점점 더 의존하게 됩니다. 레이저 출력의 미미한 변동조차도 접촉 저항, 결함 밀도 또는 선폭 균일성에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다.
생산 환경에서 레이저 소스와 광학 부품은 지속적인 열 부하 하에서 작동합니다. 따라서 레이저 에너지 안정성을 유지하고 출력 변동을 최소화하며 반복 가능한 공정 결과를 보장하기 위해서는 신뢰할 수 있는 냉각 및 온도 제어 시스템이 필수적입니다. 레이저 소스, 파워 모듈 및 광학 어셈블리의 효과적인 열 관리는 특히 공정 마진이 좁은 TOPCon, HJT 및 탠덤 셀의 경우 수율 향상과 공정 안정성 증대에 직접적으로 기여합니다.
고출력 레이저 응용 분야를 위해 개발된 산업용 온도 제어 솔루션은 더욱 향상된 안정성, 빠른 응답 속도 및 장기적인 작동 신뢰성을 향해 지속적으로 발전하고 있으며, 첨단 태양광 발전 제조를 위한 견고한 기반을 제공합니다.

결론
PERC 셀의 대규모 상용화부터 TOPCon 및 HJT 기술의 빠른 도입, 그리고 탠덤 구조 연구에 이르기까지, 레이저 기술은 태양광 셀 제조의 가장 중요한 단계에서 꾸준히 활용되어 왔습니다. 레이저 기술이 이론적인 효율 한계를 결정짓는 것은 아니지만, 해당 효율을 일관되고 제어 가능하며 대규모로 생산할 수 있는지 여부를 강력하게 좌우합니다.
태양광 산업이 고효율 및 제조 신뢰성 향상을 향해 발전함에 따라, 레이저 가공과 그 안정성을 보장하는 시스템 수준의 지원은 기술 발전과 산업 고도화의 핵심 동력으로 자리매김할 것입니다.