저렴한 태양 에너지의 미래를 보다

요약

신재생 에너지의 글로벌 확산을 위해 프랑스 기업 S’Tile은 기존 전지 대비 낮은 제조 비용과 높은 성능을 가지는 혁신적인 태양 전지를 개발하고 있습니다. i-Cell로 불리는 이 장치는 통합 실리콘 기판에 직렬로 상호 연결된 4개의 얇은 서브셀로 구성되어 있습니다. 낮은 단가의 소결 실리콘 서포트를 활용하여 고가 소재의 사용을 줄이는 것으로 최대 30%의 비용 절감이 가능하며, 서브셀 구조는 전기 저항 손실을 최소화합니다. 제조 공정은 태양 전지 성능을 극대화하기 위해 개별적으로 조율된 여러 단계로 구성되어 있으며, Olympus DSX500과 LEXTOLS4100은 i-Cell 제조를 최적화하는 데 있어 중요한 역할을 수행하고 있습니다.

소개

지속가능한 에너지 공급원이 글로벌 수요에 기여하는 바는 날로 증가하고 있습니다. 그러나 태양 전지 생산은 많은 에너지를 소모하는 공정과 희귀 소재를 사용하기 때문에 높은 비용을 필요로 합니다. 이러한 소재들의 사용량을 최소화하는 것은 비용 절감 효과 뿐만 아니라 무한한 청정 친환경 에너지의 보급을 통해 환경에 미치는 영향도 줄입니다. 이러한 목표를 위해 설립된 기업이 프랑스 University of Poitiers의 스핀오프 기업 S’Tile입니다. 2007년에 설립된 S’Tile은 가격대성능비를 향상시킨 새로운 태양 전지를 개발하고 있습니다. Olympus와 협력하는 S'Tile은 고해상도 디지털광 현미경 Olympus DSX500과 LEXT OLS4100 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경을 통해 태양 전지를 조사하는 새로운 방식을 도입했습니다. 차세대 디지털광 현미경은 사용자 친화적인 인터페이스와 정교한 이미징 기술을 접목시켜 S’Tile의 엔지니어들이 이전까지는 불가능했던 수준으로 기공도부터 표면 텍스처에 이르는 다양한 특징들을 빠르고 효율적으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. S’Tile 엔지니어인 Francois Chancerel는 디지털광 현미경이 S'Tile의 특유의 태양 전지 설계인 i-Cell을 더육 향상시키는 제조 공정에서 얼마나 핵심적인 역할을 수행했는지 소개합니다.

그림1: Francois Chancerel이 실리콘 소결을 위해 S’Tile이 특별히 고안한 유도 가열식 고온 프레스를 소개하고 있습니다.
최대 235mm 원형 소결 웨이퍼를 생산할 수 있습니다. 

i-Cell – 낮은 비용, 높은 효율

태양 전지 기술의 애플리케이션은 비용 대비 에너지 효율성(예: 전기로 변환되는 태양광의 비율)에 따라 구분되며, i-Cell(그림 2)의 경우, 여러 접근법을 통해 이 비율을 최소화합니다.

• 광자 수확 레이어는 얇은 p형 단결정 실리콘(MonoSi)으로 구성됩니다.
• 낮은 단가의 실리콘이 태양열 등급의 두꺼운 실리콘 레이어를 파손으로부터 보호하여 기존 태양 전지에 비해 비용을 절감합니다.
• 금속 접촉부의 크기를 줄이면 은은 50%, 구리는 90%까지 줄일 수 있습니다.
• 4개의 직렬로 연결된 서브셀은 전극을 통해 흐르는 전류를 낮추고 전압을 높이는 것으로 모듈 통합 시 저항 손실 최소화로 에너지 효율성을 높입니다. i-Cell의 경우, 상업적으로 유효한 18% 이상의 효율성을 가지고 있습니다.

그림 2: S’Tile i-Cell 태양 전지 디자인. A) 기존 디자인은 높은 단가의 두꺼운 MonoSi 레이어 및 두꺼운 금속 접촉부를 가집니다. B) i-Cell은 초미세 p형 MonoSi와 낮은 단가의 소결 실리콘, 연결 웨이퍼를 지원합니다. 서브셀은 핑거형 접촉부와 직렬 상호 연결되어 있어 저항 전류 손실을 줄입니다.

i-Cell 제조 공정 최적화

i-Cell 제조 공정은 가격 대 성능비를 결정하며, 이 공정은 아래에서 설명하는 여러 단계로 구성됩니다.

1. 기판 제조

2. 기판의 전도성 웰 검사 

그림 4: 전도성 웰 두께 계측. 이 용도를 위한 레이어 계측 현미경. DSX500의 두께 계측 소프트웨어가 사용되었고, 편광 이미징을 통해 시각화가 진행되었습니다.

전도성 웰은 실리콘 기판에 에칭되어 기판과 오버레이 연결 웨이퍼와 MonoSi를 연결합니다. (그림 2) 웰 형체와 깊이는 소결 기판 내 전류 흐름에 영향을 미치며, 이를 Chancerel은 다음과 같이 설명합니다. “공정을 바꾸면, 그 변화로 인해 웰이 어떻게 변하는지 알아야 합니다. 일정한 깊이를 가지는가? DSX500을 도입한 후 레이어 두께 계측 도구를 통해 이를 쉽게 파악할 수 있었습니다. (그림 4)” 이와 같은 웰의 주 특성은 전기적 연결이지만, 웰이 기판과 어떻게 상호작용하는지와 표면을 손상시키는지 여부를 파악하는 것도 중요합니다. 이러한 특성은 DSX500으로 관찰하는 것이 가능하기 때문에, 주 계측 도구를 다시 한 번 보조합니다.

3. 레이어

그림 5: 실리콘 레이어 간의 본딩 검사. 본딩 품질은 DSX500의 베스트 이미지 기능에서 편광 이미지를 선택하여 분석했습니다. 4,000x 배율에서 MonoSi 손상 없이 완벽한 접촉부와 인터페이스 기포가 없음이 확인됩니다.

2개의 실리콘 레이어는 특허 공정을 사용하여 서로 본딩됩니다. “표면 결함은 레이어의 전기적 특성을 저하시키기 때문에 MonoSi의 표면이 완벽한 상태를 가지는 것이 중요합니다.”라고 Chancerel는 말합니다. 샘플의 단면은 기포 또는 결함이 발생했는지 여부를 검사하며, DSX500은 서로 다른 z 레이어로부터 선명한 초점의 이미지를 생성하는 하이 다이나믹 레인지 디지털 도구로 인해 샘플 준비가 많이 필요하지 않습니다. “DSX500을 사용하면 한 번의 촬영으로 선명한 초점을 가진 높은 품질의 이미지를 생성할 수 있습니다.” 샘플 연마를 하지 않아도 되는 점은 큰 장점이라고 Chancerel는 설명합니다. “2D 현미경 관찰 시에는 샘플을 연마해야 합니다. 이 과정은 시간이 많이 소요되며 실리콘 웨이퍼를 손상시킬 수도 있습니다. 그러면 결함이 제조 공정에 의한 것인지 샘플 준비에 의한 것인지 알 수 없게 됩니다.”

4. 표면 텍스처화를 통한 반사율 감소

그림 6: 반사율 감소 표면 텍스처 계측. LEXT OLS4100 3D 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경을 사용하면 반사 방지 코팅의 고해상도 특성화가 가능하여 텍스처화 공정 평가와 빛 반사율 감소를 가능하게 합니다.

평평한 실리콘 표면에 빛이 비춰지면, 약 30%는 흡수되지 않고 반사됩니다. 태양 전지에 있어 반사율을 최소화하는 것은 매우 중요하며, 이는 표면 텍스처화와 추가 반사 방지 레이어를 통해 이루어집니다. 고해상도 이미징 성능을 갖춘 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경은 이와 같은 표면 특징 계측이 가능하기 때문에 S’Tile은 이러한 용도를 위해 Olympus LEXT OLS4100 3D 계측 현미경을 도입했습니다. 표면 상의 피라미드 형체(그림 6)은 반사율을 저하시켜 피라미드 사이의 빛을 캡처 및 지속적으로 반사합니다. 높이, 형체, 분배가 모두 중요하며, 이 특징들은 제조 공정을 통해 최적화할 수 있습니다. Chancerel은 다음과 같이 설명합니다. “저희는 다양한 프로토콜을 테스트했고, 표면 텍스처를 표준 명시야 현미경 관찰을 기준으로 비교했습니다. 1 마이크론 수준의 높이 차이는 제한된 해상도에서는 불가능했습니다.” 이를 위해 LEXT가 도입되었고, Chancerel은 이와 관련하여 다음과 같이 말했습니다. “광현미경으로 이러한 이미지 품질을 얻을 수 있는 것은 새로운 경험이었고, 그 품질은 전자 현미경과 비교할 수 있는 수준이었습니다. 저희는 LEXT의 성능에 큰 인상을 받았습니다.” 최적화된 표면 텍스처와 반사 방지 레이어를 조합한 것으로, 반사율을 5~10% 감소시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있습니다.

5. 엔그레이빙

그림 7: 레이저 엔그레이빙 이후 웰 형체 및 표면 무결성 검사. DSX500을 사용한 고해상도 3D 이미징은 웰 형체 및 표면 무결성 검사를 가능하게 해줌과 동시에 레이저 엔그레이빙 매개변수 최적화와 표면 손상 방지를 가능하게 해줍니다.

MoonSi 표면 오버레이 전극 네트워크를 형성하기 위해 레이저 스크라이빙은 은으로 채워질 홈을 실리콘에 형성합니다. 이 공정을 검사하기 위해 다양한 측면에 대한 정보를 수집하는 것이 중요합니다. 웰 형체와 깊이는 전극 형체를 결정하며, 이에 따라 저항도 결정하게 됩니다. 폭과 깊이를 변경하기 위해 파장 및 강도 등의 다양한 매개변수는 레이저 스크라이빙으로 제어하는 것이 가능합니다. “2D 현미경의 경우, 3D 이미지를 생성하는 것이 불가능했습니다. 웰의 깊이를 검사하는 것은 가능했지만, DSX500을 사용했을 때처럼 완전한 그림을 얻는 것은 불가능했습니다. [그림 7].” 표면 무결성을 검사하는 것도 중요합니다. 서브셀 사이의 인터커넥트는 매끄러운 표면을 필요로 합니다. 레이저 매개변수를 제어하여 매끄러운 표면을 형성하는 것이 가능하기 때문에 레이저가 실리콘을 손상시키는지 여부를 파악하는 것이 중요합니다. 만약 표면이 손상된 경우, DSX500으로 빠르게 직접 손상 부분을 관찰하는 것이 가능합니다.

6. 금속화 및 파이어링

그림 8: 전극 그리드 형체 검사. 핑거 그리드의 높이와 폭은 저항 및 광학 손실을 최소화하는데 최적화된 스크린 인쇄를 통해 조율하는 것이 가능합니다. 100x 배율의 DSX500 3D 분석 소프트웨어를 이용하는 금속화 검사는 이 공정을 유도하는데 도움을 줍니다.

엔그레이브된 채널에 은을 추가하는 금속화 공정은 스크린 프린팅을 통해 실행되며, 전극의 형태는 태양 전지 효율에 큰 영향을 미칩니다. Chancerel은 다음과 같이 설명합니다. “표면적이 넓을수록 저항 손실이 감소하지만, 얇은 스트립은 광자 수집 실리콘의 표면적을 증가시킵니다.” 스크린 프린팅의 경우 제어해야 하는 매개변수가 많으며, 공정 최적화를 유도하기 위해 은 전극의 3D 이미지를 Olympus DSX500으로 캡처 및 분석했습니다. (그림 8) “높이 매핑 기능은 매우 정확하여 개별 위치의 특징이 아닌 전체적인 그림을 제공합니다. 이를 통해 저희는 부피, 평균 면적, 최소 면적을 계측하여 금속화 프로토콜의 품질을 판단할 수 있습니다." “DSX는 저희의 금속화 공정을 발전시키는데 큰 도움이 되엇습니다. 이전까지는 단면을 분석해야 했기 때문에 최종 샘플 테스트로 제한되어 있었습니다. 그래서 최적의 프린팅 및 파이어링 조합만을 찾을 수 있었습니다. 인쇄 샘플의 3D 분석을 통해 지금은 각 단계를 구분할 수 있으며, 나아가 각 단계를 쉽게 최적화할 수 있게 되었습니다.”

요약

태양 전지 기술은 높은 수준으로 확립되어 있으며, 현재 제조 비용을 절감하는 동시에 효율성을 높이고 재생 가능한 에너지원을 더 쉽게 만드는 것이 현재 목표입니다. S'Tile의 i-Cell 설계는 이러한 측면에서 중요한 역할을 수행하고 있으며, S'Tile은 시장에 출시가 가능한 설계를 빠르게 완성시키고 있습니다. “20% 효율과 함께 두번째 목표는 기존 설계대비 제조 비용을 30% 낮추는 것입니다. 현재 저희는 이러한 목표 달성을 위한 협력 체계 구성에 큰 관심을 가지고 있습니다.” DSX500 및 LEXT OLS4100를 조합한 디지털 광현미경은 전문 방식들과 함께 각 공정의 빠르고 효율적인 검사를 가능하게 합니다. Chancerel은 다음과 같이 말합니다. “이제는 왜 특정 프로토콜이 더 좋은 결과를 얻는지 이해할 수 있으며, 저희가 가진 다양한 계측 도구들은 완전한 공정 최적화를 유도할 수 있게 되었습니다.”

연구자 정보

François Chancerel은 프랑스 푸아티에에 위치한 태양 전지 전문 연구 전문 기업인 S'Tile에서 R&D 엔지니어로 활동하고 있습니다.
이메일: contact@silicontile.fr