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문제 정의
- 5-7) 후면 전극 형성은 주로 알루미늄 페이스트를 스크린 프린팅하여 인쇄한 후 소성 공정을 통하여 이루어지는데, 이 때 실리콘과 알루미늄 합금(alloy)층의 형성과 함께 알루미늄 후면전계가 형성된다.8,9) 본 연구에서는 태양전지 후면 형상에 따른 후면전계 형성의 차이를 비교하기 위하여 후면의 평평한 구조와 텍스쳐링된 구조에서 온도상승률 변화에 따라 형성되는 후면전계의 형상 및 특성을 비교하였다. 평평한 후면(flat back surface)과 텍스쳐링된 후면(textured back surface)에 스크린 프린터로 알루미늄을 인쇄 후 RTP (rapid thermal processing) 장비를 이용하여 온도상승률 (Ramp up rates)을 18, 39, 58, 89℃/s로 달리하여 후면전계를 형성하였다.
제안 방법
- )을 증착 시킨 웨이퍼와 ii)후면이 절삭 손상층 식각 상태인 웨이퍼를 20wt.% 사메틸수산화암모늄(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH) 용액을 사용하여 80℃에서 80분간 텍스쳐링을 실시하였다. 후면에 식각 방지용 실리콘 질화막을 증착 시킨 웨이퍼는 전면부분만 텍스쳐링 되어 후면이 평평한 구조이며, 다른 웨이퍼는 전면과 후면 모두 텍스쳐링이 되었다.
- 후면 전계의 포화전류밀도(saturation current density, J0)를 측정할 때, 전면에서 발생하는 표면 재결합의 영향을 최소화 하기 위하여 전면에 패시베이션 층인 실리콘 질화막(SiNx)를 증착시켰다. 10,11) 후면전계를 형성하기 위하여, 스크린 프린터를 이용하여 알루미늄 페이스트(FX35-120, Ferro)를 인쇄 한 후 RTP로 건조 (drying) 및 소성 (firing) 공정을 실시하였다. 소성 공정 시, Fig.
- 7와 Table 6에 나타내었다. QSSPC로 포화전류밀도를 측정할 때, 전면에서의 표면 재결합의 영향을 줄이기 위하여 전면에 PECVD로 실리콘 질화막으로 패시베이션 하였다.8,9) 온도 상승률이 18℃/s에서 89℃/s로 증가 시, 평평한 후면에서는 포화전류밀도 값이 1.
- 결정질 실리콘 태양전지에서 후면 구조에 따른 후면전계 형상 및 특성을 비교하기 위하여 Fig. 1과 같이 공정을 진행하였다.
-
4. 결론
결정질 실리콘 태양전지의 후면전계 형성 시 온도상승률을 18, 39, 58, 89℃/s로 변화시키며 후면전계 특성을 관찰하였다. 온도 상승률이 높을수록 실리콘과 알루미늄 계면의 온도 균일성으로 인해, 후면구조에 상관없이 온도상승률이 증가할수록 두껍고 균일한 후면전계를 형성하였다.
- 3의 (a), (e)와 같이 후면구조에 상관없이 후면전계가 불균일하게 형성되었지만, 온도상승률이 증가할수록 알루미늄과 실리콘의 합금 층이 얇아지고 Table 2와 같이 두꺼운 후면전계 층이 형성되었다. 그리고 후면전계 층의 균일도를 측정하기 위해, 염산을 이용하여 알루미늄 층을 제거하였다. Fig.
- 또한 후면전계의 형상 및 특성을 분석하기 위하여, 염산을 이용하여 후면 알루미늄 층 만을 제거한 후, 3차원 미세형상측정기(3D optical profiler)로 후면전계의 표면 형상을 비교하였으며, 후면전계의 전기적 특성을 관찰하기 위해 4-point probe와 홀효과 측정기(hall measurement system)를 이용하여 면 저항(sheet resistance) 및 캐리어 농도를 측정하였다. 포화전류밀도 측정에는 QSSPC(quasisteady-state photoconductance)를 사용하였다.
- 10,11) 후면전계를 형성하기 위하여, 스크린 프린터를 이용하여 알루미늄 페이스트(FX35-120, Ferro)를 인쇄 한 후 RTP로 건조 (drying) 및 소성 (firing) 공정을 실시하였다. 소성 공정 시, Fig. 2와 같이 번-아웃(burn-out) 공정을 통해 알루미늄 페이스트 내 유기물 접착제 (organic binder)를 태운 후, 온도 상승률를 18, 39, 58, 89℃/s로 달리 하여 후면전계를 형성하였고 Peak 온도는 Table 1과 같다. 후면전계의 형성을 확인하기 위하여, 후면전계층과 실리콘 간의 식각 차이를 이용하여 HF : HNO3 : CH3COOH = 1 : 3 : 6 으로 10초간 식각한 후,12) 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였다.
- 염산을 이용하여 알루미늄 층을 제거한 후, 후면전계 층의 면 저항과 캐리어 농도를 측정하여 후면전계에 도핑된 알루미늄 양을 비교해보고자 하였다. Fig.
- 평평한 후면(flat back surface)과 텍스쳐링된 후면(textured back surface)에 스크린 프린터로 알루미늄을 인쇄 후 RTP (rapid thermal processing) 장비를 이용하여 온도상승률 (Ramp up rates)을 18, 39, 58, 89℃/s로 달리하여 후면전계를 형성하였다. 염산을 이용하여 후면전계를 제외한 알루미늄 층과 실리콘-알루미늄 합금 층을 제거하여 후면전계의 형상을 관찰하고, 면 저항 및 포화전류밀도를 측정하여 후면전계의 특성을 분석하였다.
- % 수산화칼륨(potassium hydroxide solution, KOH) 용액으로 80℃에서 10분간 절삭손상 식각(saw damage etching, SDE)을 실시하였다. 웨이퍼 표면에 남아있는 알칼리 이온 제거를 위해 염산/과산화수소 혼합 용액(hydrochloric peroxide mixture, HPM)으로 세정 후 초순수(de-ionized water, DIW)를 이용하여 세척하였다.
- 평평한 후면(flat back surface)과 텍스쳐링된 후면(textured back surface)에 스크린 프린터로 알루미늄을 인쇄 후 RTP (rapid thermal processing) 장비를 이용하여 온도상승률 (Ramp up rates)을 18, 39, 58, 89℃/s로 달리하여 후면전계를 형성하였다.
- 후면이 텍스쳐링된 웨이퍼와 텍스쳐링 되지 않은 평평한 웨이퍼를 BOE 용액(buffered oxide etchant)를 이용하여 후면에 남아있는 식각 방지용 실리콘 질화막과 자연 산화막을 제거한 뒤, 초순수로 세척 후 건조하였다. 후면 전계의 포화전류밀도(saturation current density, J0)를 측정할 때, 전면에서 발생하는 표면 재결합의 영향을 최소화 하기 위하여 전면에 패시베이션 층인 실리콘 질화막(SiNx)를 증착시켰다. 10,11) 후면전계를 형성하기 위하여, 스크린 프린터를 이용하여 알루미늄 페이스트(FX35-120, Ferro)를 인쇄 한 후 RTP로 건조 (drying) 및 소성 (firing) 공정을 실시하였다.
- 후면전계의 특성을 분석하기 위해 후면전계에서 발생되는 포화전류밀도를 QSSPC로 측정11,12)하여 Fig. 7와 Table 6에 나타내었다. QSSPC로 포화전류밀도를 측정할 때, 전면에서의 표면 재결합의 영향을 줄이기 위하여 전면에 PECVD로 실리콘 질화막으로 패시베이션 하였다.
- 2와 같이 번-아웃(burn-out) 공정을 통해 알루미늄 페이스트 내 유기물 접착제 (organic binder)를 태운 후, 온도 상승률를 18, 39, 58, 89℃/s로 달리 하여 후면전계를 형성하였고 Peak 온도는 Table 1과 같다. 후면전계의 형성을 확인하기 위하여, 후면전계층과 실리콘 간의 식각 차이를 이용하여 HF : HNO3 : CH3COOH = 1 : 3 : 6 으로 10초간 식각한 후,12) 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 쵸크랄스키(Czochralski, Cz) 방법에 의해 성장된 두께 약 220 µm, 5인치 p-type, (100) 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
이론/모형
- 또한 후면전계의 형상 및 특성을 분석하기 위하여, 염산을 이용하여 후면 알루미늄 층 만을 제거한 후, 3차원 미세형상측정기(3D optical profiler)로 후면전계의 표면 형상을 비교하였으며, 후면전계의 전기적 특성을 관찰하기 위해 4-point probe와 홀효과 측정기(hall measurement system)를 이용하여 면 저항(sheet resistance) 및 캐리어 농도를 측정하였다. 포화전류밀도 측정에는 QSSPC(quasisteady-state photoconductance)를 사용하였다.13,14)
성능/효과
- 8,9) 온도 상승률이 18℃/s에서 89℃/s로 증가 시, 평평한 후면에서는 포화전류밀도 값이 1.3E-11 A/cm2에서 3.3E-12 A/cm2로 9.7E-12 A/cm2 감소하였고, 텍스쳐링된 후면에서 5.1E-11 A/cm2에서 3.1E-12 A/cm2로 4.8E-11 A/cm2 감소하였다.
- 실리콘의 결정방향 (100)면과 (111)면에서 온도상승률에 따라 후면전계 형성에 차이가 있으며, 평평한 후면인 (100)면 보다 텍스쳐링된 후면인 (111)면에서 후면전계 형성 시 온도상승률에 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다. 따라서 텍스쳐링된 후면에서 89℃/s 이상 온도상승률 조건으로 후면전계 형성함으로써 포화전류밀도 값이 줄어들어 후면의 누설전류 감소로 인하여 개방전압이 상승 할 것으로 사료된다.
- 따라서 후면전계 형성 시, 온도상승률이 증가할수록 알루미늄이 도핑되는 양이 증가하면서 후면전계의 특성이 향상될 수 있다는 것을 보여준다. 또한 평평한 후면보다 텍스쳐링된 후면에서 온도상승률에 따라 알루미늄이 도핑되는 양의 변화폭이 크기 때문에, 텍스쳐링된 후면에서 온도상승률을 높여 후면전계를 형성하면 후면전계의 특성이 우수할 것으로 판단된다.
- 따라서 후면전계 형성 시, 온도상승률이 증가할수록 알루미늄이 도핑되는 양이 증가하면서 후면전계의 특성이 향상될 수 있다는 것을 보여준다. 또한 평평한 후면보다 텍스쳐링된 후면에서 온도상승률에 따라 알루미늄이 도핑되는 양의 변화폭이 크기 때문에, 텍스쳐링된 후면에서 온도상승률을 높여 후면전계를 형성하면 후면전계의 특성이 우수할 것으로 판단된다. 이러한 현상은 알루미늄이 실리콘과 접촉하는 면적과 면 방향의 차이에 의한 것으로 사료된다.
- 온도상승률이 18℃/s에서 89℃/s 증가 시, 후면전계 층의 중심선 평균 거칠기 감소량이 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면에서 각각 0.45 µm, 0.46 µm로 후면전계의 균일도가 상승하였다.
- 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면에서의 특성 차이는 알루미늄과 실리콘 웨이퍼의 접촉 면적 차이와 표면에서의 wetting 차이, (100) 면과 (111) 면에서의 알루미늄과 실리콘의 확산 거동에 차이가 있을 것이라 사료된다. 이 연구를 통해 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면의 온도 상승률에 따른 후면전계 형상과 특성 변화를 관찰하였으며, 텍스쳐링된 후면의 경우가 온도 상승률에 보다 큰 특성 향상을 보인다는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 온도 상승률이 전면전극 형성에 미치는 영향을 고려하여 최적의 조건을 찾는 연구가 필요하다.
- 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면에서 형성된 후면전계의 면 저항은 온도상승률이 18℃/s에서 89℃/s로 증가 시 각각 54%, 71% 감소하였고, 캐리어 농도는 각각 1.0E + 17 cm−3, 1.7E + 17 cm−3만큼 증가하였다.
- 후면전계 형성 시 온도상승률이 증가할수록 후면 전계의 형상 및 특성이 우수하였다. 평평한 후면보다 텍스쳐링된 후면에서 두껍고 균일한 후면전계가 형성되었으며, 면 저항 및 캐리어 농도, 포화전류밀도 값 역시 보다 우수한 특성을 보였다. 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면에서의 특성 차이는 알루미늄과 실리콘 웨이퍼의 접촉 면적 차이와 표면에서의 wetting 차이, (100) 면과 (111) 면에서의 알루미늄과 실리콘의 확산 거동에 차이가 있을 것이라 사료된다.
- 8E-11 A/cm2 감소하였다. 평평한 후면보다 텍스쳐링된 후면에서 형성된 후면전계의 포화전류밀도 값이 온도상승률의 증가에 따라 큰 폭으로 감소한 것을 볼 수 있다. 이러한 포화전류밀도의 변화는 알루미늄 후면전계 층의 재결합 전류와 후면전계의 표면 패시베이션 능력과 밀접한 연관이 있는데 온도 상승률이 빠른 경우 포화전류밀도가 낮은 결과를 보여준다.
후속연구
- 이 연구를 통해 평평한 후면과 텍스쳐링된 후면의 온도 상승률에 따른 후면전계 형상과 특성 변화를 관찰하였으며, 텍스쳐링된 후면의 경우가 온도 상승률에 보다 큰 특성 향상을 보인다는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 온도 상승률이 전면전극 형성에 미치는 영향을 고려하여 최적의 조건을 찾는 연구가 필요하다.
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