페로브스카이트 태양광 모듈(PSM)은 높은 효율과 낮은 제조 비용으로 인해 유망한 태양광 기술로 부상했습니다. 그러나 PSM의 상용화는 직렬 연결에 필요한 정밀하고 신뢰할 수 있는 레이저 스크라이빙 공정을 구현하는 데 상당한 어려움을 겪고 있습니다.레이저 스크라이빙 품질태양광 모듈의 기하학적 충진율(지프), 직렬 저항 및 최종 변환 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 산업 제조에서 생산 수율 향상에 필수적인 P1, P2, P3 레이저 스크라이빙 공정에 대한 모니터링 기술과 품질 관리 전략을 체계적으로 검토합니다.
스크라이빙 단계 | 성능 요구 사항 |
|---|---|
피1 | 1. 인접한 투명 전도층 유닛은 전기적 절연을 달성해야 합니다. |
P2 | 1. 하부 층에 최소한의 손상을 입히면서 총소유비용 또는 전도성 하부 층 표면의 ETL/피에스케이/HTL 구조를 효과적으로 제거해야 합니다. |
P3 | 1. 인접한 오(금) 스트립은 전기적 절연을 달성해야 합니다. |
1 PSM 제작에서 레이저 스크라이빙의 중요한 역할
페로브스카이트 태양 전지의 직렬 연결에는 P1, P2, P3의 세 가지 정밀 레이저 스크라이빙 단계가 필요합니다. P1 공정은 기판 위의 투명 전도성 산화물(총소유비용) 층을 분리하여 개별 셀 세그먼트를 생성합니다. P2 공정은 여러 기능층(ETL/페로브스카이트/HTL)을 관통하여 그 아래에 있는 총소유비용 층을 노출시켜 인접 셀 간의 직렬 연결을 구축합니다. P3 공정은 후면 전극을 분리하여 전기적 분리를 완료합니다.
이러한 스크라이빙 공정의 품질은 모듈의 성능 매개변수를 직접적으로 결정합니다. 스크라이빙이 불완전하면 전기 션트, 직렬 저항 증가, 활성 영역 감소로 이어져 궁극적으로 태양광 모듈의 전반적인 효율과 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.
레이저 스크라이빙 품질을 위한 2가지 현장 모니터링 기술
2.1 고급 이미징 시스템
멜라노 페로브스카이트 온라인 이미징 마이크로 테스터(멜라노 페로브스카이트 온라인 이미징 마이크로-테스터)와 같은 실시간 모니터링 시스템은 CCD 디지털 이미징 및 컴퓨터 비전 기술을 활용하여 고배율 광학 증폭 및 이미징 분석을 수행합니다. 이 시스템은 P1/P2/P3 레이저 스크라이빙 치수 및 결함을 놀라운 정밀도로 온라인 검출하여 선폭 및 간격 측정에서 ±3μm의 정확도를 달성합니다. 또한, 단일 지점 치수 검출은 3.5초 이내, 전체 셀 표면 스캐닝은 120초 이내로 완료하여 공정 조정을 위한 즉각적인 피드백을 제공합니다.
이미징 시스템은 치수에 자동으로 주석을 달고 표준화된 데이터 문서를 생성하여 연구자들이 스크라이빙 형태를 신속하게 파악하고 분석할 수 있도록 지원합니다. 이 기술은 스크라이빙 공정의 반복성과 신뢰성을 크게 향상시켜 생산 수율 향상에 기여합니다.
2.2 자동 전기 테스트 시스템
P1 스크라이빙 효과를 평가하기 위해 특수 자동 감지 시스템이 개발되었습니다. 이 시스템은 여러 개의 프로브 어레이를 엇갈리게 배치하여 각 P1 스크라이빙 라인의 저항을 자동으로 측정합니다. 시스템은 모듈을 따라 수평으로 이동하며, 홀수 및 짝수 프로브가 교대로 스크라이빙 라인을 테스트하여 완전한 전기적 절연이 달성되었는지 확인합니다.
이 자동화된 방식은 대면적 모듈에는 적합하지 않은 수동 테스트 방식과 달리, 여러 개의 직렬 연결된 셀이 있는 모듈을 처리할 수 있습니다. 이 시스템은 모듈 전체의 저항 값을 기록하고 스크라이빙이 불완전한 특정 위치를 식별하여 공정 수정을 위한 타깃을 설정할 수 있습니다.
각 스크라이브 단계에 대한 3가지 품질 최적화 전략
3.1 P1 스크라이빙: 총소유비용 레이어 분리
P1 공정은 하부 기판을 손상시키지 않고 총소유비용 층을 완전히 제거해야 합니다. 유리/FTO 기판(두께 600nm)의 경우, 25~80kHz의 반복률과 675mW의 평균 전력으로 최적의 결과를 얻을 수 있으며, 재료 축적 없이 깨끗한 스크라이브를 생성합니다.
유리/이토 기판(두께 약 200nm)의 경우, 낮은 주파수(25kHz)는 집중된 레이저 에너지로 인해 국부적인 과열 및 미세 균열을 유발할 수 있습니다. 마찬가지로, 유연한 펜/이토 기판의 경우, 평균 전력을 633mW 미만으로 제어해야 하며, 기계적 세척 공정을 통해 엣지 높이를 8000nm에서 4000nm로 줄여야 합니다.
연구에 따르면 최적의 P1 매개변수는 일반적으로 1.8~2.4W의 레이저 출력과 2500mm/s 미만의 스크라이빙 속도를 필요로 하며, 이로 인해 트렌치 폭이 10μm 미만이 됩니다. 과도한 출력(2.4W)은 유리 기판을 손상시키고, 부족한 출력(1.8W 미만)은 전기 단락을 유발하는 전도성 잔류물을 남깁니다.
3.2 P2 스크라이빙: 정밀한 다층 절삭
P2 공정은 P1 공정에서 노출된 하부 총소유비용 층을 손상시키지 않고 여러 기능층(ETL/페로브스카이트/HTL)을 관통해야 하므로 기술적으로 가장 어렵습니다. 자외선 레이저(355nm)는 페로브스카이트 층에서는 높은 흡수율을 보이고 총소유비용 층에서는 낮은 흡수율을 보여 기판 손상 없이 선택적으로 제거할 수 있어 특히 효과적입니다.
연구를 통해 확인된 최적의 P2 매개변수는 평균 전력 119~189mW, 주파수 80kHz, 속도 400mm/s입니다. 투과 분광법에 따르면 150mW 전력에서는 여러 번의 스크라이브 후에도 페로브스카이트 잔류물이 남을 수 있으며, 234mW 이상의 전력에서는 잔류물이 감소하지만 이토 손상 위험이 있습니다. 따라서 최적의 윈도우는 80kHz 및 400mm/s에서 150~234mW 사이입니다.
에프에스-레이저 시스템(파장 532nm, 펄스 폭 300fs)의 경우, 최적의 P2 매개변수는 0.46W 전력과 4000mm/s 속도로, 이토 손상 없이 기능층을 완전히 제거하는 858nm 깊이를 달성합니다.
3.3 P3 스크라이빙: 전극 분리
P3 공정은 하부 페로브스카이트층과 전하 수송층을 손상시키지 않고 후면 전극(일반적으로 75nm 금)을 분리합니다. 연구에 따르면 최적의 매개변수는 100~150kHz의 주파수와 약 100mW의 전력으로, 투명한 절연 채널을 생성합니다.
에프에스-레이저 시스템을 사용하면 P3 스크라이빙은 0.2W의 전력과 6000mm/s의 속도에서 최적의 결과를 얻어 금속층 두께보다 약간 높은 534nm의 트렌치 깊이를 생성하지만 아래에 있는 P1 층은 손상되지 않습니다.
P3 스크라이빙의 효과는 하위 셀의 상대적 성능 매개변수를 비교하여 검증됩니다. 성공적인 스크라이빙은 원래 단락 회로 전류, 개방 회로 전압 및 채우기 인자 값의 거의 100%를 유지합니다.
4 다양한 기판에 대한 레이저 매개변수 최적화
4.1 강성 기판 대. 유연 기판
모니터링 데이터는 강성 기판과 유연 기판의 최적 레이저 파라미터에 상당한 차이가 있음을 보여줍니다. 강성 유리 기판의 경우, 더 높은 출력 레벨을 사용할 수 있지만 미세 균열을 방지하기 위해 신중하게 제어해야 합니다. 유연 펜/이토 기판의 경우, 기판 변형을 방지하기 위해 더 낮은 출력 설정이 필요하며, 가장자리 문제를 해결하기 위해 추가적인 기계적 세척 공정이 필요할 수 있습니다.
4.2 파장 선택
다양한 레이저 파장은 다양한 스크라이빙 응용 분야에 뚜렷한 이점을 제공합니다. 자외선 레이저(355nm)는 높은 재료 흡수율과 낮은 열 충격을 제공하여 유리 및 유연 기판 모두의 세 가지 스크라이빙 단계 모두에 적합합니다. 532nm 파장의 FS 레이저 시스템은 다층 어블레이션에 탁월한 정밀도를 제공합니다.
5 통합 품질 보증 접근 방식
효과적인 품질 보증 전략은 실시간 모니터링과 통계적 공정 관리를 결합합니다. 자동화된 이미징 시스템을 구축하면 스크라이빙 품질을 100% 검사할 수 있으며, 전기적 테스트를 통해 상호 연결 무결성의 기능적 검증이 가능합니다.
이러한 모니터링 시스템에서 수집된 데이터는 레이저 매개변수를 기반으로 품질 결과를 예측하는 공정 제어 모델을 구축하는 데 사용되어 결함 발생 전에 사전 조치를 취할 수 있습니다. 이러한 통합적인 접근 방식은 생산 수율을 크게 향상하는 동시에 수동 검사 및 재작업의 필요성을 줄여줍니다.
결론
페로브스카이트 태양광 모듈의 상용화는 P1, P2, P3 레이저 스크라이빙 공정에서 높은 정밀도와 신뢰성을 확보하는 데 크게 좌우됩니다. 온라인 이미징 시스템 및 자동화된 전기 테스트를 포함한 첨단 모니터링 기술을 구현하고, 특정 기판 유형 및 층 구조에 맞춰 레이저 매개변수를 신중하게 최적화함으로써 제조업체는 스크라이빙 품질과 생산 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다.
산업이 GW 규모의 생산으로 발전함에 따라, 페로브스카이트 태양광 모듈의 일관된 성능과 신뢰성을 유지하기 위해서는 견고한 실시간 모니터링 및 품질 관리 시스템의 통합이 필수적입니다. 본 논문에서 제시하는 기술적 접근 방식은 상업적 성공에 필요한 고정밀 제조 기준을 달성하기 위한 토대를 제공합니다.
