차세대 박막 태양 전지를 위한 초고속 레이저 가공
박막 태양광 제조의 발전은 점점 더 첨단 레이저 가공 기술에 의존하고 있습니다. 그중에서도초고속 레이저특히 피코초와 펨토초 시스템은 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레나이드) 및 페로브스카이트와 같은 소재를 기반으로 하는 태양 전지의 구조화 및 최적화를 위한 혁신적인 도구로 부상했습니다. 최소한의 열 영향으로 극한의 정밀도를 구현하는 이 시스템의 독보적인 능력은 종종 민감한 이러한 소재를 가공하는 데 있어 중요한 과제를 해결하여 소자 성능과 수명 향상에 직접적으로 기여합니다.
피코초와 펨토초 레이저의 우수성
의 근본적인 이점초고속 레이저펄스 지속 시간에 있습니다. 피코초(10⁻¹²초) 또는 펨토초(10⁻¹⁵초) 단위로 측정되는 매우 짧은 빛의 파열을 방출하는 이 레이저는 열이 주변으로 확산되는 데 필요한 시간보다 훨씬 빠르게 재료에 에너지를 전달합니다. 이로 인해 주로비열적, 직접적인 고체-기체 전이를 특징으로 합니다. 결과적으로,열영향부(하즈)대폭 감소하거나 완전히 없어졌습니다.
이는 기존의 나노초 레이저에 비해 상당한 개선입니다. 기존의 나노초 레이저는 펄스가 길어 가공된 가장자리에 용융, 균열, 그리고 바람직하지 않은 열적 영향을 불가피하게 발생시킵니다. 각 층이 미크론 두께에 불과하고 고유한 열적 및 광학적 특성을 갖는 다층 박막 스택의 경우, 이러한 정밀성은 단순히 이점이 될 뿐만 아니라 깨끗하고 전기적으로 최적화된 형상을 만드는 데 필수적입니다.
재료별 처리를 위한 전략적 파장 선택
레이저 가공의 효율성은 적절한 선택에 따라 달라집니다.레이저 파장빛이 다양한 재료 층과 어떻게 상호 작용하는지 결정하기 때문입니다. 목표는 일반적으로 하부 기판이나 인접 필름을 손상시키지 않고 특정 층을 선택적으로 제거하는 것입니다. 이를 위해서는 대상 재료에서는 강하게 흡수되지만 다른 재료에서는 투과되는 파장이 필요합니다.
예를 들어,녹색 레이저(532nm)투명 전도성 산화물(총소유비용) 전면 전극에 CIGS와 같은 구조의 흡수층을 패터닝하는 데 매우 효과적입니다. 녹색광은 총소유비용(일반적으로 가시광선에 투명함)를 통과하고 CIGS 층에 강하게 흡수되어 정밀한 패터닝을 가능하게 합니다. 반대로,자외선(자외선) 레이저(예: 343nm)는 높은 광자 에너지를 제공하며 폴리머, 금속, 반도체 등 다양한 재료에 쉽게 흡수되어 최소 침투 깊이와 뛰어난 형상 정의로 깨끗한 절삭을 가능하게 합니다. 따라서 유연한 폴리머 기판의 정밀 가공이나 취성 재료의 복잡한 패턴 형성에 이상적입니다.
주요 태양 전지 재료의 응용 및 성능
초고속 펄스와 전략적 파장 선택의 조합으로 선도적인 박막 기술에 대한 고품질 처리가 가능해졌습니다.
CIGS 태양 전지:CIGS 모듈의 모노리식 상호연결에는 세 단계(P1, P2, P3)의 패터닝 단계가 필요합니다. 이러한 단계에 나노초 레이저를 사용하면 미세 균열, 엣지 버(가장자리 규석), 몰리브덴(모) 및 CIGS와 같은 원소의 바람직하지 않은 확산을 포함한 열 손상이 발생할 수 있습니다. 이는 션트(션팅) 및 효율 저하로 이어질 수 있습니다. HAZ가 최소인 피코초 레이저는 더 깨끗하고 전기적으로 절연된 스크라이브를 생성합니다. 연구에 따르면 피코초 레이저는 유연한 폴리이미드(파이) 기판에 직선 측벽을 가진 명확한 홈을 생성할 수 있는데, 이는 기판의 유연성과 열 민감성으로 인해 기계적 스크라이브나 나노초 레이저로는 달성하기 어렵습니다.
페로브스카이트 태양 전지:페로브스카이트는 열과 환경 요인에 매우 민감합니다. 초고속 레이저는 패터닝과 결함 엔지니어링 모두에 매우 중요합니다. 예를 들어,엑시머 레이저높은 단일 펄스 에너지를 갖는 (자외선 레이저의 일종)을 페로브스카이트 박막에 조사하여 표면 결함 밀도를 크게 감소시키고, 결과적으로 태양 전지의 효율과 안정성을 향상시켰습니다. 초고속 삭마의 비열적 특성은 유기-무기 하이브리드 재료를 분해하지 않고 페로브스카이트 층을 패터닝하여 우수한 광전자적 특성을 유지하는 데 필수적입니다.
미래 전망 및 과제
태양광 발전 분야에서 레이저 기술의 발전 방향은 초고속 시스템의 광범위한 도입을 지향합니다. 가장 중요한 과제는 여전히 초기 단계입니다.자본 투자나노초 기반 시스템보다 높은 수준입니다. 그러나 이는 생산 수율, 장치 효율, 그리고 공정 신뢰성의 향상으로 점차 상쇄되고 있습니다. 향후 개발은 초고속 레이저의 출력과 처리량을 증가시켜 대량 생산의 경제성을 높이는 동시에, 더욱 정밀하고 빠른 빔 전달 시스템을 개발하는 데 집중될 것으로 예상됩니다.
결론적으로, 펄스 지속 시간과 파장에 대한 정밀한 제어를 기반으로 하는 초고속 레이저 가공은 박막 태양광 발전에 필수적인 기술이 되었습니다. 저온 삭마 및 재료별 상호작용을 가능하게 함으로써 제조업체는 CIGS 및 페로브스카이트와 같은 차세대 태양 전지의 효율과 내구성 한계를 뛰어넘어 더욱 강력하고 지속 가능한 태양 에너지 솔루션에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.
