[논문]실리콘 웨이퍼의 표면조직화에 따른 광학적 특성분석

오데레사

doi:10.6109/jkiice.2011.15.11.2439

실리콘 웨이퍼의 표면조직화에 따른 광학적 특성분석
Analysis of Optical Process Depending On Texturing Process of Si Wafer 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.15 no.11, 2011년, pp.2439 - 2443

오데레사 (청주대학교)

초록
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태양전지를 제작하는데 실리콘기판 표면에서의 광 흡수를 증가시키기 위한 표면조직화를 위해서 염기 용액을 이용한 습식방법을 이용하여 샘플을 제작하였다. 이렇게 준비된 염기성 에칭용액을 이용한 실리콘 웨이퍼의 표면 상태를 관찰하여 광학적 특성과의 연관성을 조사하였다. 표면조직화가 표면 전체적으로 고르게 이루어진 샘플에서 반사도가 낮았으며, 광학적 특성이 좋게 나타났다. 에칭이 과도하게 일어난 샘플에서는 오히려 반사도가 증가하여 광학적 특성이 떨어지는 것을 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To obtain the effect of texturing process in Solar cells, the Si-wafers were textured by using the IPA+DI water mixed etching solution with KOH alkaline. All samples were analyzed by the scanning electron microscopy for the surface images, and it was researched the correlation between the efficiency of optical properties and the effect of texturing. From the results of the surface images obtained by SEM, mc-Si wafer shows a isotropic surface but sc-Si wafers displays the unisotropic surface. The reflectance was improved at the sc-Si wafer textured uniformly, and the reflectance of over etched-samples increased.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

0.5~1.7Ω·cm의 저항을 갖는 p-type(100) Si 기판은 산업 표준 습식 세정인 RCA (SC-1, SC-2) Cleaning 방법을 실시하였으며, 확산공정은 890℃에서 12분간 증착이 이루어졌으며, 열처리 온도는 역시 각각 890℃에서 5분동안 Annealing하여 N+ 층을 형성하는 방법을 택하였다.
Annealing은 3-Zone 전기로 방식의 Funace를 이용하였다. Scanning Electronic Microscopy (Scanning Electron Microscopy, S-4200, Hitachi Ltd.)를 이용하여 표면의 물리적인 특성을 조사하였으며, 샘플의 반사도는 Spectrophotometer(Likaku,)를 이용하였다.
직렬저항은 셀을 구성하는 물질에 영향을 받는다고 알려져 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼에서의 표면조직화의 변화를 살펴보기 위해서 KOH 에칭용액 속에 단결정 웨이퍼를 넣고 바닥면을 향한 면을 앞면으로 정하고 표면을 관찰하였다.
본 연구에서는 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼를 염기성용액에 의하여 표면조직화를 수행하였으며, 표면에서 일어나는 변화를 조사하였다. 확산공정이나 금속공정은 같은 조건에서 이루어졌으며, texturing이 끝난 뒤 표면의 거칠기는 SEM (scanning electron microscopy)으로 확인하였다.
7Ω·cm의 저항을 갖는 p-type(100) Si 기판은 산업 표준 습식 세정인 RCA (SC-1, SC-2) Cleaning 방법을 실시하였으며, 확산공정은 890℃에서 12분간 증착이 이루어졌으며, 열처리 온도는 역시 각각 890℃에서 5분동안 Annealing하여 N⁺층을 형성하는 방법을 택하였다. 셀효율을 측정하기 위하여 Screen Printer를 사용하여 전면 전극은 Ag, 후면전극은 Al을 사용하여 금속공정을 수행하였다. Annealing은 3-Zone 전기로 방식의 Funace를 이용하였다.
Ⅱ. 실험

실리콘 태양전지 셀을 만드는 순서는, 광흡수를 높게하기 위해서 Si-표면을 거칠게 texturing하기 위해서 KOH용액을 IPA와 DI water (KOH:IPA:DI=4ml:8ml:240ml)를 혼합한 용액을 핫플레이트 위에서 80도로 온도를 높여 온도를 유지하였으며, 각각 1분-40분간 표면을 여러 시간대 별로 다르게 에칭하였다. 실리콘 태양전지 셀을 만들기 위해서, 태양전지의 p-n 접합은 POCl3 프리커서와 산호의 혼합기체를 사용한 전기로에서 이루어졌다.
실리콘 태양전지 셀을 만드는 순서는, 광흡수를 높게하기 위해서 Si-표면을 거칠게 texturing하기 위해서 KOH용액을 IPA와 DI water (KOH:IPA:DI=4ml:8ml:240ml)를 혼합한 용액을 핫플레이트 위에서 80도로 온도를 높여 온도를 유지하였으며, 각각 1분-40분간 표면을 여러 시간대 별로 다르게 에칭하였다. 실리콘 태양전지 셀을 만들기 위해서, 태양전지의 p-n 접합은 POCl3 프리커서와 산호의 혼합기체를 사용한 전기로에서 이루어졌다. 기체 라인에서 응축을 방지하기위해서 기체라인은 항상 25℃를 유지하였으며, POCl3 프리커서는 N2기체를 사용한 버블 시스템을 이용하였다.
본 연구에서는 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼를 염기성용액에 의하여 표면조직화를 수행하였으며, 표면에서 일어나는 변화를 조사하였다. 확산공정이나 금속공정은 같은 조건에서 이루어졌으며, texturing이 끝난 뒤 표면의 거칠기는 SEM (scanning electron microscopy)으로 확인하였다.

이론/모형

셀효율을 측정하기 위하여 Screen Printer를 사용하여 전면 전극은 Ag, 후면전극은 Al을 사용하여 금속공정을 수행하였다. Annealing은 3-Zone 전기로 방식의 Funace를 이용하였다. Scanning Electronic Microscopy (Scanning Electron Microscopy, S-4200, Hitachi Ltd.

성능/효과

염기성 KOH 에칭용액을 사용하여 표면조직화를 수행한 결과 다결정실리콘웨이퍼에서는 다수의 기공이 형성된 등방성의 표면특성을 관측할 수 있었고, 단결정실리콘 웨이퍼에서는 결정방향에 따라서 화학적 반응속도가 다름으로 인하여 피라미드 모양이 형성되는 이방성의 표면특성을 확인하였다. 단결정 실리콘 웨이퍼에서 에칭시간이 25분이었을 때 피라미드 형의 구조가 전체적으로 표면에 골고루 형성 되어있는 것을 확인하였다. 또한 표면 전체적으로 고르게 분포되어 있는 경우에 효율도 높게 나타났다.
단결정 실리콘 웨이퍼에서 에칭시간이 25분이었을 때 피라미드 형의 구조가 전체적으로 표면에 골고루 형성 되어있는 것을 확인하였다. 또한 표면 전체적으로 고르게 분포되어 있는 경우에 효율도 높게 나타났다.
에칭을 하지 않은 실리콘을 사용한 셀의 효율은 가장 낮았다. 솔라시뮬레이터를 이용하여 측정한 I-V 특성 역시 표면에칭을 수행하여 반사도가 가장 낮은 셀에서 효율이 가장 높게 나타났다.
실리콘 태양전지에서 효율을 높이기 위한 필수 과정으로 표면조직화 공정이 있다. 염기성 KOH 에칭용액을 사용하여 표면조직화를 수행한 결과 다결정실리콘웨이퍼에서는 다수의 기공이 형성된 등방성의 표면특성을 관측할 수 있었고, 단결정실리콘 웨이퍼에서는 결정방향에 따라서 화학적 반응속도가 다름으로 인하여 피라미드 모양이 형성되는 이방성의 표면특성을 확인하였다. 단결정 실리콘 웨이퍼에서 에칭시간이 25분이었을 때 피라미드 형의 구조가 전체적으로 표면에 골고루 형성 되어있는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면조직화의 기능은?	결정질 실리콘 태양전지에서 반사손실을 줄이기 위한 표면조직화 과정은 반드시 필요한 부분에 속한다. 일반적으로 표면조직화라고 하면 웨이퍼 표면을 거칠게 만들어 광포획에 유리한 형태로 만들어 태양광이 입사하면 굴절된 빛이 반사되는 것을 방지하기 위해 빛의 2차, 3차흡수를 도와주는 기능을 갖고 있다[5-7]. 표면조직화에 의한 광포획 기술은 표면에서의 반사율을 감소시켜서 태양전지의 단락전류를 증가시키게 된다.
	실리콘 태양전지의 기본 원리는?	실리콘 태양전지는 태양복사 에너지 중에서 에너지상호작용이 일어나는 실리콘 혹은 칼륨비소와 같은 반도체 상에서 전자 혹은 정공의 발생에 의하여 기인한다. 광자가 실리콘 표면에 입사 후 확산공정을 통한 pn 접합계면에서 전자로 되면서 전기에너지를 얻어내기까지 효율을 증대시키기 위한 여러 가지 방법을 거치면서 비로소 실용성 있는 전기에너지를 얻을 수 있다[1-4].
	실리콘 태양전지의 표면조직화 공정 중 습식법에서는 어떤 용액을 주로 사용하는가?	실리콘 태양전지의 표면조직화 공정은 건식법과 습식법이 있으며, 플라즈마를 이용한 비등방성 식각방법인 RIE(reactive ion etching), laser texturing 등이 건식법에 속하며, 일반적으로 사용되는 alkaline etching과 acid etching이 습식법에 속한다. 습식법으로 웨이퍼 표면을 조직화할 때는 KOH, NaOH와 같은 염기성 용액 혹은 HNO3의 산성용액을 주로한다[8]. 산:DI-water:HF 혹은IPA 를 일정비율로 혼합 하여 만들고 혼합비율에 따라서 에칭속도와 에칭된 표면의 모양이 달라지게 된다.

참고문헌 (8)

H. Jin, S. K. Oh, H. J. Kang and J. C. Lee, "Chemical states and band gap energy for plasma nitrided ultrathin Si oxynitride film," J. Korean Phys. Soc. Vol. 51, pp. 1042-1045, 2007.

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C. Ornaghi, M. Stoger, G. Beaucarne, J. Poortmans and P. Schattschneider, "Thin film polycrystalline silicon solar cell on ceramics with a seeding layer formed via aluminium induced crystallisation of amorphous silicon," IEE Proc-Circuits Devices Syst., Vol. 150, pp. 287-291, (2003)

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Yeon Keon Moon, Dae Young Moon, Sih Lee and Jong Wan Park, "Effects of high dose proton Irradiation on ZnO thin film transistors," J. Korean Phys. Soc. Vol. 54, pp. 1059-1063, 2009.

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Peter Woditsch et al, "Solar Grade Silicon Feedstock Supply for PV Industry", Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 72, pp. 1-26, 2002.

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M. S. Jeon, S. Yoshiba and Koichi Kamisako, "Intrinsic amorphous silicon (a-Si:H) thin film prepared by using remote plasma chemical vapor depositeion method and used as a passivation layer for a heterojunction solar cell," J. Korean Phys. Soc. 54, 194-199, (2009).

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C. Li, G. Fang, Y. Ren, Q. Fu and X. Zhao, "Silver nanoisland induced synthesis of ZnO nanostructures by vapor phase transport," J. Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 6, pp. 1467-1473, 2006.

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A. Bolonkin, "New concept of high speed AB solar sail," IEEE. Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 44, pp. 1538-1542, (2008)

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Jeong Kim, "Formation of porous silicon anti reflection layer for silicon solar cell," J. Korean Phys. Soc. Vol. 50, pp. 1168-1171, 2007.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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