[논문]등방성 에칭용액을 이용한 다결정 실리콘의 표면조직화

음정현; 최관영; 남산; 최균

doi:10.4191/kcers.2009.46.6.685

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Surface Texturing is very important process for high cell efficiency in crystalline silicon solar cell. Anisotropic texturing with an alkali etchant was known not to be able to produce uniform surface morphology in multi-crystalline silicon (mc-Si), because of its different etching rate with random ...

Surface Texturing is very important process for high cell efficiency in crystalline silicon solar cell. Anisotropic texturing with an alkali etchant was known not to be able to produce uniform surface morphology in multi-crystalline silicon (mc-Si), because of its different etching rate with random crystal orientation. In order to reduce surface reflectance of mc-Si wafer, the general etching tendency was studied with HF/HN$O_3$/De-ionized Water acidic solution. And the surface structures of textured mc-Si in various HF/HN$O_3$ ratios were compared. The surface morphology and reflectance of textured silicon wafers were measured by FE-SEM and UVvisible spectrophotometer, respectively. We obtained average reflectance of $16{\sim}19$% for wavelength between 400 nm and 900 nm depending on different etching conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 결정질 실리콘 태양전지의 광학적 손실감소를 위하여 이방성 및 등방성 표면조직화의 일반적인 특징과 등방성 식각에서 산의 비율에 따른 표면조직화 효과에 대하여 알아보았다. 표면조직화 시 식각 시간에 따라 반사율이 감소하는 경향을 보이지만 일정한 시간을 초과할 경우 반대로 반사율이 증가하는 결과를 보였다.
따라서 다결정 실리콘 웨이퍼는 결정 방향과 상관없이 균일한 식각 속도를 갖는 등방성 식각 용액인 HF/HNQ의 혼합 용액을 사용한다. 본 연구에서는 다결정 실리콘의 등방성 표면 조직화의 일반적인 특징을 관찰함과 동시에 불산과 질산의 농도와 비율에 따른 표면 형상과 반사율의 변화를 살펴보았다.

제안 방법

실험에 사용된 각 조건을 Table 1에 요약하였다. 日와 C의 산을 이용한 표면 조직화의 경우, 식각 깊이가 큰 편이므로 별도의 표면 결함 제거 (SDR, surface damage removal) 과정 없이 표면 조직화 실험을 진행하였다. 또한 각 조건에서 식각 속도에 따라 반응 시간을 최적으로 조절하였다.
cm으로 절단하여 사용하였다. 다결정 실리콘의 이방성에칭의 특징을 알아보기 위해 염기성 용액에서 80℃, 10 분 동안 표면조직화 실험을 하였다. 식각 용액으로는 불산(49%, J.
日와 C의 산을 이용한 표면 조직화의 경우, 식각 깊이가 큰 편이므로 별도의 표면 결함 제거 (SDR, surface damage removal) 과정 없이 표면 조직화 실험을 진행하였다. 또한 각 조건에서 식각 속도에 따라 반응 시간을 최적으로 조절하였다.
산의 비율에 따른 표면조직화 효과를 알아보기 위하여 A, B, C의 세 가지 에칭액에 대하여 표면조직화 실험 후 결과를 비교하였다. 산 용액에서 불산의 비율이 증가할수록 웨이퍼 표면에 미세기공(micro-porous)을 갖는 표면이 나타났는데 이러한 형태는 반사율은 감소하게 하지만 직렬저항이 증가하게 되므로 NaOH solution에 수 초 간 반응 시켜 제거되었다.
다결정 실리콘의 이방성에칭의 특징을 알아보기 위해 염기성 용액에서 80℃, 10 분 동안 표면조직화 실험을 하였다. 식각 용액으로는 불산(49%, J.T. Baker)과 질산(60%, Samchun Chem.)을 탈이 온수(DIW, de-ionized water)에 희석한 혼합 용액이 사용되었으며 불산과 질산의 몰비에 따라 세 가지 용액을 이용하여 식각 결과를 비교하였다. 실험에 사용된 각 조건을 Table 1에 요약하였다.
표면조직화 후 탈이온수로 세정하고 질소가스로 수분을 제거하여 시편을 건조시킨 후 FE-SEM(JEOL, JSM-Spectro-670]F)과 UV-visible Spectrophotometer(Varian, Caiy 100 Cone)를 이용하여 표면 형상 및 반사율을 각각 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 다결정 실리콘 웨이퍼는 두께가 200 μm, 비저 항(p) 1~3 Qcm의 p-type이 며 면적은 2cmx 2 cm으로 절단하여 사용하였다. 다결정 실리콘의 이방성에칭의 특징을 알아보기 위해 염기성 용액에서 80℃, 10 분 동안 표면조직화 실험을 하였다.

성능/효과

반응 초기에는 가느다란 물결의 형태로 무질서하게 표면 식각이 이루어지며(Fig. 3(a)), 반응이 진행될수록 물결 무늬의 폭과 길이가 커지는 경향을 보였다(Fig. 3(b, c)).
다결정 실리콘 웨이퍼의 에칭 속도는 질산의 비율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고 불산의 양에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 각 조건에 대하여 얻어진 평균 반사율은 최소 16%에서 20%까지로 표면조직화 전에 비해 약 50% 전후의 감소를 나타내었다.
표면조직화 시 식각 시간에 따라 반사율이 감소하는 경향을 보이지만 일정한 시간을 초과할 경우 반대로 반사율이 증가하는 결과를 보였다. 다결정 실리콘 웨이퍼의 에칭 속도는 질산의 비율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고 불산의 양에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 각 조건에 대하여 얻어진 평균 반사율은 최소 16%에서 20%까지로 표면조직화 전에 비해 약 50% 전후의 감소를 나타내었다.
5(a)). 이를 통하여 질산 비율이 클수록 식각 속도가 빠르다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 질산과 실리콘 간의 산화 반응이 우선적으로 빠르게 진행되어야 불산과의 두 번째 반응이 일어날 수 있기 때문인 것으로 보인다.
대하여 알아보았다. 표면조직화 시 식각 시간에 따라 반사율이 감소하는 경향을 보이지만 일정한 시간을 초과할 경우 반대로 반사율이 증가하는 결과를 보였다. 다결정 실리콘 웨이퍼의 에칭 속도는 질산의 비율이 증가할수록 증가하는 경향을 보였고 불산의 양에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.

후속연구

현재, 추가적인 질화 실리콘 반사 방지막과의 최적화를 통하여 태양전지의 광학적 손실을 크게 줄일 수 있으며 이에 대한 연구를 진행 중이다.

참고문헌 (7)

W. Lang, “Silicon Microstructuring Technology,” Mater. Sci. Eng. R, 17 1-55 (1996)

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G. T. A. Kovacs, N. I. Maluf, and K. E. Petersen, “Bulk Micromachining of Silicon,” Proc. of the IEEE, 86 1536-51 (1998)

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E. Vazsonyi, K. D. Clercq, R. Einhaus, E. V. Kerschaver, K. Said, J. Poortmans, J. Szlufcik, and J. Nijs, “Improved Anisotropic Etching Process for Industrial Texturing of Silicon Solar Cells,” Solar Energy Mater. Solar Cells, 57 179-88 (1999)

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I. Zubel and M. Kramkowska, “The Effect of Isopropyl Alcohol on Teching Rate and Toughness of (100) Si Surface Etched in KOH and TMAH Solutions,” Sensors & Actuators A, 93 138-47 (2001)

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U. Gangopadhyay, K. H. Kim, S. K. Dhungel, U. Manna, P. K. Basu, M. Banerjee, H. Saha, and J. Yi, “A Novel Low Cost Texturization Method for Large Area Commercial Mono-crystalline Sililcon Solar Cells,” Solar Energy Mater. Solar Cells, 90 3557-67 (2006)

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Z. Xi, D. Tang, W. Dan, C. Jun, X. Li, and D. Que, “Texturization of Cast Multicrystalline Silicon for Solar Cells,” Semicond. Sci. Tech., 19 485-89 (2004)

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K. Tsujino, M. Matsumura, and T. Nishimoto, “Texturization of Multicrystalline Silicon Wafers for Solar Cells By Chemical Treatment Using Metallic Catalyst,” Solar Energy Mater. Solar Cells, 90 100-10 (2006)

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