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문제 정의
- 본 연구에서는 고면저항 에미터 형성을 위한 습식 etch-back 공정의 최적화를 통해 일반적인 양산 제조공정인 screen-printing법을 기반으로 제작되는 단결정 실리콘(c-Si) 태양전지의 단파장 수집 효율 향상 및 이를 통한 효율 향상을 시도하였으며 제작된 태양전지의 특성 분석을 통해 고면저항에미터의 FF 손실 원인, 특히 식각되는 dead layer 두께에 따른 접촉저항 증가 현상을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- etch-back 중 식각되는 에미터 표면 두께 증가로 증가하는 전체 기생 직렬저항에서 상기 성분들을 각각 추출해 내고자 하였다 이는 단락 상태에서 빛(~ 0.9 sun)을 조사하며 위치 별 표면 전위를 측정하는 Corescan(SunLab BV 社)을 통해 수행하였다.
- 효율 개선 폭 증가를 위해서는 더 높은 Jsc, Voc를 보이는 높은 Rs에서, 대응되는 FF의 감소 폭을 줄여야 하며 이를 위해서는 높은 Rs에서의 FF 감소원인 파악이 선행되어야 한다. 높은 Rs에서의 FF 감소는 알려진 바와 같이 rs lateral 및 rs contact 증가가 원인이며 두 성분 중 더 큰 영향을 미치는 성분을 파악하기 위해 2.2절에서 소개한 분석 방법을 이용하여 두 기생 직렬저항 성분을 분석하였다.
- 본 연구에서는 Corescan 및 4-point probe를 통해 Vpeak 및 Rs를 측정하고 식 (2), (3), (4)를 이용하여 각각의 정규화 된 기생 직렬저항 성분들을 추출하였다.
- Etch-back 중 식각되는 에미터 표면 두께는 수십 nm 수준의 매우 얇은 두께로 SDE 후 수 μm 수준의 요철을 보이는 웨이퍼 표면에서 직접 측정해내는 것은 매우 어렵다. 본 연구에서는 etch-back 후 증가하는 Rs를 통해 식각된 두께를 간접적으로 추출하였다.
- 본 연구에서는 상기와 같은 계산을 통해 얻은 Fig. 1(b)를 근거로 etch-back 후 측정을 통해 획득한 증가된 Rs 값에 대응되는 식각 두께를 확인하여 간접적으로 식각 두께를 추출하였다.
- 본 연구에서는 양산공정인 screen printing을 기반으로 한 결정질 실리콘 태양전지의 표면 재결합손실 축소에 의한 효율 향상을 위해 습식 Etch-back으로 구현되는 고면저항 에미터를 적용하였으며 0.3%의 절대 효율 향상을 달성하였다. Etch-back 시간에 따른 급격한 FF 감소는 이 방식으로 획득되는 효율 향상을 제한하며 이는 dead layer두께 감소로 인한 급격한 접촉저항 증가 때문임을 정량적 접촉저항 분석을 통해 확인 할 수 있었다.
- Etch-back 후 에미터 Rs를 4-point probe를 이용하여 측정하였다. 본 연구에서는 측정된 Rs 변화를 통해 etch-back중 식각된 두께를 간접적으로 추출하였다(2.1 절).
- 한편, 고체 용해도 이상의 불순물이 존재하는 두께 ~ 500Å까지를 높은 재결합 손실을 유발하는 에미터 dead layer라 정의했다. 상기와 같이 가정된 활성화된 불순물 농도를 근거로 식각 두께에 따른 Rs 변화를 계산하였다 (Fig. 1(b)).
- 5 100 mW/cm2 표준 조건에서 수행하였다. 정확한 효율 평가를 위해 NREL(National Renewable Energy Lab)에서 검증된 2차 기준 태양전지를 이용하여 태양광 모사기의 광원 세기를 조정하였다. FF 감소를 유발하는 기생 직렬 저항 추출을 위해 Sun’s Voc(4) 법을 이용하였고, 기생 직렬 저항의 한 요소인 전면 전극의 접촉저항 평가를 위해 Corescan(5) 을 통해 빛 조사 중 위치별 전면 표면전위를 측정 분석하였다(2.
- 제작된 태양전지 특성 평가는 태양광 모사기를 통해 Global AM1.5 100 mW/cm2 표준 조건에서 수행하였다. 정확한 효율 평가를 위해 NREL(National Renewable Energy Lab)에서 검증된 2차 기준 태양전지를 이용하여 태양광 모사기의 광원 세기를 조정하였다.
- 0 Ωcm, 면적: 125×125 mm2)를 사용하였다. 현재 양산 표준인 screen printing을 기반으로 자체 개발된 제조 공정을 이용하여 태양전지를 제작 했으며, 본 제조 공정은 산을 이용한 초기 웨이퍼의 습식 표면 결함 제거(SDE), 에미터 생성을 위한 고온 확산 공정(POCl3 diffusion), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 통한 표면 결함 보상 및 반사 방지용 질화막(SiNx:H) 증착, screen printing 을 통한 전면 Ag 전극 및 후면 Al 전극 paste 전사 마지막으로 전면 전기적 접촉(Ohmic Contact) 및 후면 전계(BSF)형성을 위한 열처리(Firing) 공정으로 구성된다. 본 연구에서는 전/후면 전극 형성을 위해 일반적인 양산공정 시 사용되는 Ag 및 Al paste를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 전/후면 전극 형성을 위해 일반적인 양산공정 시 사용되는 Ag 및 Al paste를 사용하였다.
- 의 Solar grade CZ(Czochralski) 단결정 실리콘 웨이퍼 (두께: ~ 240 μm 비저항: 0.5-2.0 Ωcm, 면적: 125×125 mm2)를 사용하였다.
이론/모형
- FF 감소를 유발하는 기생 직렬 저항 추출을 위해 Sun’s Voc(4) 법을 이용하였고, 기생 직렬 저항의 한 요소인 전면 전극의 접촉저항 평가를 위해 Corescan(5) 을 통해 빛 조사 중 위치별 전면 표면전위를 측정 분석하였다(2.2 절).
성능/효과
- 한편 상기와 같은 고면저항 에미터 형성을 위해 시도될 수 있는 대안적인 기술로 에미터 에치백 (emitter etch-back)이 있으며, 이 기술은 양산 기준인 ~ 50 Ω/□ 에미터의 표면 dead layer만을 식각하여 고면저항 에미터를 형성하는 매우 단순한 공정 기술이다.(3) 이미 최적화된 에미터 및 후속 공정, 전면 전극 설계를 그대로 이용할 수 있어 양산 공정 적용이 용이한 장점이 있다.
- 3%의 절대 효율 향상을 달성하였다. Etch-back 시간에 따른 급격한 FF 감소는 이 방식으로 획득되는 효율 향상을 제한하며 이는 dead layer두께 감소로 인한 급격한 접촉저항 증가 때문임을 정량적 접촉저항 분석을 통해 확인 할 수 있었다. 또한, 이런 낮은 전면 접촉 저항을 위한 dead layer 존재의 필연성으로부터 선택적 에미터 구조와의 결합을 통해 더욱 증가된 효율 개선을 획득할 수 있음을 예상할 수 있다.
- 이로 인해 가장 큰 효율 개선이 발생하는 시간은 가장 높은 Voc, Jsc를 보이는 30초가 아니라 FF 감소가 그 시간까지 비교적 크지 않고 보다 짧은 시간인 15초에서 발생했다. 결과적으로 etch-back을 적용하지 않은 태양전지와 비교하여 절대 효율 기준 최고 0.3%의 효율 개선을 확인할 수 있다.
- Etch-back 시간에 따른 급격한 FF 감소는 이 방식으로 획득되는 효율 향상을 제한하며 이는 dead layer두께 감소로 인한 급격한 접촉저항 증가 때문임을 정량적 접촉저항 분석을 통해 확인 할 수 있었다. 또한, 이런 낮은 전면 접촉 저항을 위한 dead layer 존재의 필연성으로부터 선택적 에미터 구조와의 결합을 통해 더욱 증가된 효율 개선을 획득할 수 있음을 예상할 수 있다.
- 측정된 상기 수집효율 및 PC1D를 이용하여 대응되는 FSRV를 추출하여 보았으며,초기 ~ 105 cm/s ~ 수준에서 104 cm/s 수준으로 감소하여 확인된 태양전지 특성 개선과 잘 일치하였다. 이러한 특성 개선은 전형적인 고면저항 에미터 적용으로 나타나는 효과와 일치하며 이는 본 연구에서 선택한 etch-back 방식의 screen printing 기반 양산 제조 공정으로서의 적용 가능성을 보여 준다.
- 4의 단파장 영역의 광 수집효율 증가로 확인된다. 측정된 상기 수집효율 및 PC1D를 이용하여 대응되는 FSRV를 추출하여 보았으며,초기 ~ 105 cm/s ~ 수준에서 104 cm/s 수준으로 감소하여 확인된 태양전지 특성 개선과 잘 일치하였다. 이러한 특성 개선은 전형적인 고면저항 에미터 적용으로 나타나는 효과와 일치하며 이는 본 연구에서 선택한 etch-back 방식의 screen printing 기반 양산 제조 공정으로서의 적용 가능성을 보여 준다.
후속연구
- 위의 논의를 바탕으로 접촉저항 감소를 통한 FF 감소 축소를 유도하기 위해서는 표면 재결합 손실 축소 관점과 반대로 어느 정도 두께 이상의 dead layer가 필요함을 알 수 있다. 따라서 단순한 etch-back 공정적용보다 선택적 에미터(selective emitter)방식, 즉 금속 전극과의 접합 부분에서만 높은 도핑농도를 유지하는 방식의 결합을 통해 더욱 개선된 효율을 확보할 수 있을 것이다.
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