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문제 정의
- 본 연구에서는 SF6/O2 혼합가스를 사용하는 RIE 기법을 적용하여 maskless 15.6×15.6 cm2 대면적 다결정 실리콘 웨이퍼 표면 texturing 공정에 따른 표면형상, 평균반사율 분포, 소수운반자수명 분포 등의 변화와 제조된 태양전지의 특성변화를 연계하여 효율변화에 영향을 미치는 거시적인 핵심원인 등을 규명하고자 하였다.
- 지금까지의 선행연구에서 건식 texturing 공정 후 광 흡수율이 개선된 경우에도 제작된 태양전지들에서 광전변환 효율은 오히려 감소하는 것이 잘 알려져 있으며 [4], 그 원인의 규명은 중요한 연구이슈가 되고 있다 [4,13,14]. 본 연구에서는 반사율의 차이를 나타내는 각 위치에 대한 전하운반자들의 특성을 살펴보기 위하여 동일한 시료에 대해 소수 운반자수명의 위치별 분포를 측정하여 평균치를 도출하고 위치별 평균반사율과의 상관관계를 검토하고자 하였다. Fig.
제안 방법
- RIE texturing 공정조건의 최적화와 로드락 시스템을 통한 시료의 반입과 반출을 위해 상 · 하부 전극간격은 75∼160 mm까지 조절이 가능하고, Mass-flow controller (MFC)를 프로그램으로 제어함으로 가스 주입 양 및 혼합비율 등을 세밀하게 조절할 수 있도록 제작되었다.
- 6 cm2인 boron이 도핑된 p-type solar grade (SOG) 다결정 실리콘 웨이퍼이다. 공정 진행시 각각의 실험 조건별 신뢰성을 향상시키기 위해서 같은 잉곳에서 제작되어 같은 grain 그룹을 가지는 이웃한 웨이퍼를 가지고 공정을 진행하였다. 표면 texturing이 완료된 다결정 실리콘은 RADITECH사의 D/8 intergration sphere spectroscopic reflectometer 장비를 이용하여 AM 1.
- 다결정 실리콘 표면에 대한 RIE texturing 공정은 RIE power, 총 가스 유량, 가스비율, 식각시간, 동작압력, 상 · 하부 전극간의 간격 등의 RIE 공정 변수를 조합하여 수행하였으며 310∼1,100 nm 파장대역에 대한 반사율의 평균이 최저가 되는 공정조건 확보를 목표로 하였다.
- 동일 웨이퍼 내에서 위치에 따른 평균반사율 차이가 발생하는 texturing 표면형상 및 구조와의 상관관계를 규명하기 위하여 FE-SE,M을 통한 미세표면 형상을 관찰하였으며 Fig. 3은 반사율이 측정된 부분의 단면 이미지와 30° 기울인 이미지를 보여주고 있다.
- 6 cm2 대면적 전면에 대한 소수운반자수명은 SEMILAB 사의 WT-2000PV 장비를 이용하여 측정하였으며, 반사율과 소수운반자수명과의 상관관계를 규명하고 간접적으로 표면결함밀도에 대한 상대적인 영향을 분석하였다. 또한 FESEM으로 위치에 따른 표면형상과 구조를 관찰하여, texturing 형상과 반사율의 관계 및 표면구조가 태양전지 제조공정과 동작특성 등에 미치는 영향을 분석하였다.
- 후면전극과 전면전극을 screen printing 법으로 형성하고 소성공정을 통해서 전극을 완성하였다. 완성된 태양전지의 가장자리는 단락의 요인이 될 수 있어 레이저 절단에 의한 edge isolation을 수행하여 p-n접합을 확보함으로 표면에 texture 구조를 가진 태양전지 제작을 완료하였다. 제작된 태양전지는 I-V 특성으로부터 광전변환효율과 태양전지의 소자변수에 대한 분석과 동시에 외부양자효율을 측정하였으며, 위치에 따른 분석은 샘플을 위치별로 3×9 cm2 크기로 레이저 절단 후 효율 및 EQE 측정을 실시하였다.
- 위치에 따른 평균반사율과 소수운반자수명 등과의 비교를 위하여 제작된 태양전지를 중앙부분을 기준으로 왼쪽가장자리부터 오른쪽 가장자리까지 3×9 cm2크기로 각각 자른 다음 5개 샘플을 위치별로 측정하였다.
- 제작된 태양전지는 I-V 특성으로부터 광전변환효율과 태양전지의 소자변수에 대한 분석과 동시에 외부양자효율을 측정하였으며, 위치에 따른 분석은 샘플을 위치별로 3×9 cm2 크기로 레이저 절단 후 효율 및 EQE 측정을 실시하였다.
- 6 V 이상의 개방전압, 34 mA/ cm2 이상의 단락전류밀도 등과 비교하면 매우 열악한 특성을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 지나치게 뾰족한 표면구조에 기인하는 공정상의 영향을 확인하기 위하여 태양전지 해석모델에 기반하여 참고문헌 [15]에 제시된 방법으로 shunt 저항과 series 저항도 분석하였다. Shunt 저항과 series 저항은 각각 15.
- 최저 반사율을 목표로 표면 texturing 공정이 수행된 다결정실리콘 웨이퍼에 대해 위치에 따라 반사율, 소수운반자수명 및 표면구조 분석을 실시하였고 texturing 공정 후 제작된 15.6×15.6 cm2 태양전지 전체 동작특성과 더불어 특정부위를 포함하는 3×9 cm 2로 절단된 태양전지의 동작 특성을 분석하여 광전변환효율에 영향을 미치는 핵심적인 원인을 규명하고자 하였다.
- 태양전지 제작 과정은 Texturing 공정 후 n-형 불순물 확산공정에 의해서 에미터 층을 형성하고 phosphorous silica glass (PSG)를 제거한 다음, 태양광이 입사되는 공기층과 실리콘 표면 사이의 굴절률 차이를 감소시키기 위해 표면에 SiNx막을 증착하여 표면반사율을 감소시킴과 동시에 전하운반자의 재결합 센터로 작용하는 표면 결함에 대한 passivation을 진행하였다. 후면전극과 전면전극을 screen printing 법으로 형성하고 소성공정을 통해서 전극을 완성하였다.
- 6 cm2 대면적 다결정 실리콘 웨이퍼 표면 texturing 공정에 따른 표면형상, 평균반사율 분포, 소수운반자수명 분포 등의 변화와 제조된 태양전지의 특성변화를 연계하여 효율변화에 영향을 미치는 거시적인 핵심원인 등을 규명하고자 하였다. 태양전지용 다결정 실리콘 웨이퍼에 대한 Maskless RIE texturing 공정변수를 제어하면서 최저 평균반사율을 모니터링하였으며, 표면 texturing된 다결정 실리콘 태양전지를 제작하여 광전변환 효율, 외부양자효율 등을 측정하고 동시에 series저항과 shunt저항 등을 도출하여 반사율과 광전변환효율의 상관관계에 대해서 고찰하였다.
- 표면 texturing이 완료된 다결정 실리콘은 RADITECH사의 D/8 intergration sphere spectroscopic reflectometer 장비를 이용하여 AM 1.5 기준 광원에 대한 위치에 따른 반사율을 측정하였으며, 15.6×15.6 cm2 대면적 전면에 대한 소수운반자수명은 SEMILAB 사의 WT-2000PV 장비를 이용하여 측정하였으며, 반사율과 소수운반자수명과의 상관관계를 규명하고 간접적으로 표면결함밀도에 대한 상대적인 영향을 분석하였다.
- 태양전지 제작 과정은 Texturing 공정 후 n-형 불순물 확산공정에 의해서 에미터 층을 형성하고 phosphorous silica glass (PSG)를 제거한 다음, 태양광이 입사되는 공기층과 실리콘 표면 사이의 굴절률 차이를 감소시키기 위해 표면에 SiNx막을 증착하여 표면반사율을 감소시킴과 동시에 전하운반자의 재결합 센터로 작용하는 표면 결함에 대한 passivation을 진행하였다. 후면전극과 전면전극을 screen printing 법으로 형성하고 소성공정을 통해서 전극을 완성하였다. 완성된 태양전지의 가장자리는 단락의 요인이 될 수 있어 레이저 절단에 의한 edge isolation을 수행하여 p-n접합을 확보함으로 표면에 texture 구조를 가진 태양전지 제작을 완료하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 장비는 Inductively Coupled Plasma(ICP)-RIE 시스템이며 개략적인 모식도는 Fig. 1과 같다. RIE texturing 공정조건의 최적화와 로드락 시스템을 통한 시료의 반입과 반출을 위해 상 · 하부 전극간격은 75∼160 mm까지 조절이 가능하고, Mass-flow controller (MFC)를 프로그램으로 제어함으로 가스 주입 양 및 혼합비율 등을 세밀하게 조절할 수 있도록 제작되었다.
성능/효과
- 본 연구에서 310∼1,100 nm 파장대역의 평균 반사율이 4%대이고 전체 웨이퍼에 걸쳐±1% 내외의 위치에 따른 평균반사율 분포를 갖는 SF6/O2기반의 RIE texturing 공정을 실시하였으며, 평균반사율의 차이는 바로 표면구조의 깊이가 중앙에서 양쪽 edge로 갈수록 깊어져 다중산란확률의 증가에 기인하는 것으로 밝혀졌다. ARC 증착으로 평균반사율은 1%대로 더욱 낮아질 것으로 분석되었으며 동시에 RIE texturing에 따른 표면 결함의 passivation 효과와 에미터 층 형성에 의해 소수운반자 수명은 2배 이상 증가되는 것으로 밝혀졌다. 제작된 태양전지의 위치에 따른 광전변환효율은 center 부분이 8%, 양쪽 edge가 10%대의 효율을 보였으며 양쪽 middle은 9%대의 중간값을 보여 소수운반자수명과 반사율 분포결과와 잘 부합되는 것으로 밝혀졌다.
- 동일 웨이퍼내 위치에 따른 광전변환효율 변화의 원인을 규명하고자 측정된 외부양자효율은 고효율 태양전지에 비해 15% 이상 감소된 양자효율을 나타내었다. 결론적으로 평균반사율을 낮추어 더 많은 광선속의 투과와 그에 따른 흡수율의 증가를 통해 고효율 태양전지를 제조하기 위해서는 일부 반사율의 손실이 발생하더라도 RIE 공정조건의 제어를 통해 소수운반자수명이 충분히 긴 표면 texture 구조제작이 필요한 것으로 판단된다.
- 태양전지에서 series 저항은 태양전지의 개방전압과 FF값에 연동된 광전 변환효율에 영향을 미치기 때문에 16%대의 변환효율을 갖는 상용 다결절 실리콘 태양전지에서 도출되는 1∼3×10-3Ω과 비교하면 10∼30배 정도 더 높은 것으로 밝혀져 오옴성 접촉이 매우 불량한 것으로 해석할 수 있다. 더불어 shunt 저항은 폐회로 전류밀도의 크기에 영향을 미침으로 실제 태양전지의 출력과 더불어 장기 안정성 등에 영향을 미치는 중요한 인자로서 상용 태양전지의 100 Ω대와 비교할 때 유사하거나 약간 낮은 정도로 밝혀져 pn접합은 양호한 것으로 밝혀졌다. 특히 중앙에 비해서 가장자리로 갈수록 2% 이상 효율이 증가되는 원인은 95%에서 97%로 개선된 광흡수율과 1.
- 예상한 바와 같이 3×9 cm2로 절단된 조각 태양전지 중 양쪽 edge에서 최고 양자 효율 86% 범위를 나타내었으나 양산 태양전지의 90%대에 5% 정도 낮은 결과를 나타내었고 특히 가시광선대역에서의 더 뚜렷하게 열화된 특성을 나타내었다. 더하여 위치별 결과를 살펴보면 중앙 부분에서 측정된 외부양자효율은 최대값이 70%대로 양쪽 edge에 비해서 15% 이상 저하된 것을 확인하였고 중간 부분은 중앙과 edge의 중간에 해당하는 양자효율을 나타냄을 볼 수 있다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때 RIE texturing을 적용하여 고효율의 다결정 실리콘 태양전지양산을 위해서는 충분히 긴 소수운반자수명의 확보가 필수적이므로 texturing 공정조건의 적절한 제어를 통해 적절한 반치폭과 동시에 최저 반사율을 나타낼 수 있도록 표면형상구조가 최적화 되어야 한다.
- 제작된 태양전지의 위치에 따른 광전변환효율은 center 부분이 8%, 양쪽 edge가 10%대의 효율을 보였으며 양쪽 middle은 9%대의 중간값을 보여 소수운반자수명과 반사율 분포결과와 잘 부합되는 것으로 밝혀졌다. 동일 웨이퍼내 위치에 따른 광전변환효율 변화의 원인을 규명하고자 측정된 외부양자효율은 고효율 태양전지에 비해 15% 이상 감소된 양자효율을 나타내었다. 결론적으로 평균반사율을 낮추어 더 많은 광선속의 투과와 그에 따른 흡수율의 증가를 통해 고효율 태양전지를 제조하기 위해서는 일부 반사율의 손실이 발생하더라도 RIE 공정조건의 제어를 통해 소수운반자수명이 충분히 긴 표면 texture 구조제작이 필요한 것으로 판단된다.
- 따라서 대략 10%대의 반사율과 깊이와 폭의 비 즉 aspect ratio가 대략 1∼1.5 정도인 표면구조가 최적일 것으로 예상된다.
- 따라서 웨이퍼 중앙부분의 표면형상은 뾰족한 needle-like 구조에 가깝고, 가장자리로 갈수록 뾰족한 끝을 가지면서 피라미드 형태를 유지하는 grass-like 구조가 관찰되었고, 결과적으로 반사율이 가장 높은 중앙 부분의 texture 구조는 needle 구조로 인하여 상대적인 texture 밀도가 높았으며 30° 기울인 이미지에서도 이런 결과를 잘 보여주고 있다.
- (a)는 중앙(center) 부분의 이미지를 보여주고 있으며, (b)는 중앙과 왼쪽 가장자리의 중간(left middle) 부분, (c)는 왼쪽 가장자리 (left edge) 부분의 이미지를 보여주고 있다. 마스크 없이 처리되는 RIE 공정조건에서 전반적인 표면 형태는 grass-like 구조를 나타내었으며, 위치별 각각의 구조에 대한 분석결과 중앙 부분의 깊이는 평균 약 274 nm, 반치폭 67.5 nm였으며, 중앙과 왼쪽 가장자리 중간 부분의 깊이는 평균 약 322.5 nm, 반치폭 174.5 nm였고 왼쪽 가장자리의 깊이는 560.5 nm, 반치폭 213.7 nm로 가장자리로 갈수록 grasslike 구조의 깊이와 폭이 증가하는 경향을 나타내어 평균반사율의 위치별 변화원인은 texturing 구조 내 입사광의 다중반사 확율의 증가에 기인한 것으로 이해된다. 표면 구조의 깊이와 반치폭은 가장자리로 갈수록 증가하지만 모든 위치에서 관찰된 식각면의 기울기는 약 70∼80°를 유지하는 동일한 형상을 갖는 것으로 관찰되어 전체적으로 식각면의 기울기는 유사하며 식각 깊이만 달라지는 것으로 확인할 수 있었다.
- 반사율 측정은 15.6×15.6 cm2 대면적 다결정실리콘의 중앙 부분을 기준으로 한쪽 가장자리에서 반대쪽 가장자리 방향으로 5곳에서 측정되었으며 위치에 따른 평균반사율을 비교해 보면 3.49, 4.65, 4.82, 3.81, 3.05% 순으로 중앙 부분의 반사율이 가장 높고 가장자리로 갈수록 반사율이 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.
- 본 시료에 대한 전체 평균 반사율은 3.96%로 블랙실리콘 표면을 나타내었으며 위치에 따라 대략 ±1% 내외의 평균반사율 차이가 존재하는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서 310∼1,100 nm 파장대역의 평균 반사율이 4%대이고 전체 웨이퍼에 걸쳐±1% 내외의 위치에 따른 평균반사율 분포를 갖는 SF6/O2기반의 RIE texturing 공정을 실시하였으며, 평균반사율의 차이는 바로 표면구조의 깊이가 중앙에서 양쪽 edge로 갈수록 깊어져 다중산란확률의 증가에 기인하는 것으로 밝혀졌다.
- 소수운반자 수명분포도를 보면, RIE 공정 후에는 중앙부분과 가장자리의 소수운반자수명은 왼쪽 가장자리를 제외하고 급격하게 큰 변화가 발생하지 않는 반면, 에미터 층 형성 후 ARC를 증착한 후의 결과는 중앙 부분에서 1.82 μs의 수명을 가지나 가장자리에서는 약 2.6 μs의 보다 더 높은 수명을 보이고 있다.
- 예상한 바와 같이 3×9 cm2로 절단된 조각 태양전지 중 양쪽 edge에서 최고 양자 효율 86% 범위를 나타내었으나 양산 태양전지의 90%대에 5% 정도 낮은 결과를 나타내었고 특히 가시광선대역에서의 더 뚜렷하게 열화된 특성을 나타내었다.
- 평균 약 95% 이상의 높은 광 흡수율에도 불구하고, 16%대의 효율을 나타내는 상용 다결정 실리콘 태양전지와 비교했을 때, 약 6% 정도 저하된 효율을 나타내는 원인은 소수운반자수명 측정결과에서 밝혀졌듯이 비록 ARC 증착으로 일부 표면결함의 passivation이 가능하지만 표면구조의 최적화가 이루어지지 않은 경우에는 전하운반자의 행로에 표면과의 산란횟수가 증가됨에 따라 재결합률이 급격하게 높아져서 단락전류밀도가 12∼15% 이상 감소하는 중요원인인 것으로 판단되며 그 외 RIE공정에서 생성된 표면결함과 표면 구조로 인한 불완전한 에미터 층 형성과 ARC막의 불균일한 증착으로 인한 두께 불균형이 태양전지의 동작특성에 영향을 미치는 것으로 예상된다. 입사되는 각 파장대역의 광자에 의해 생성되는 전자-정공쌍 중 전극으로 포집되는 비율을 나타내는 외부양자효율은 이러한 특성을 극명히 보여줄 수 있으므로 각 위치에 따른 결과를 측정하였으며 예상된 특성을 잘 나타내는 것으로 밝혀졌다. Fig.
- ARC 증착으로 평균반사율은 1%대로 더욱 낮아질 것으로 분석되었으며 동시에 RIE texturing에 따른 표면 결함의 passivation 효과와 에미터 층 형성에 의해 소수운반자 수명은 2배 이상 증가되는 것으로 밝혀졌다. 제작된 태양전지의 위치에 따른 광전변환효율은 center 부분이 8%, 양쪽 edge가 10%대의 효율을 보였으며 양쪽 middle은 9%대의 중간값을 보여 소수운반자수명과 반사율 분포결과와 잘 부합되는 것으로 밝혀졌다. 동일 웨이퍼내 위치에 따른 광전변환효율 변화의 원인을 규명하고자 측정된 외부양자효율은 고효율 태양전지에 비해 15% 이상 감소된 양자효율을 나타내었다.
- 따라서 웨이퍼 중앙부분의 표면형상은 뾰족한 needle-like 구조에 가깝고, 가장자리로 갈수록 뾰족한 끝을 가지면서 피라미드 형태를 유지하는 grass-like 구조가 관찰되었고, 결과적으로 반사율이 가장 높은 중앙 부분의 texture 구조는 needle 구조로 인하여 상대적인 texture 밀도가 높았으며 30° 기울인 이미지에서도 이런 결과를 잘 보여주고 있다. 최소 반사율을 갖는 구조를 얻기 위해서는 입사된 광이 texture 구조들 사이를 잘 침투할 수 있는 적절한 간격과 다중 반사가 일어날 수 있는 적절한 깊이의 구조가 필요함을 알 수 있었다.
- 위치에 따른 평균반사율과 소수운반자수명 등과의 비교를 위하여 제작된 태양전지를 중앙부분을 기준으로 왼쪽가장자리부터 오른쪽 가장자리까지 3×9 cm2크기로 각각 자른 다음 5개 샘플을 위치별로 측정하였다. 측정된 특성치는 왼쪽 가장자리부터 오른쪽 가장자리까지 10.6, 8.8, 8.1, 9.1, 10.7%의 광전변환효율을 나타내어 일반적으로 예상할 수 있는 바와 같이 반사율이 낮고 소수운반자수명이 길수록 상대적으로 높은 효율을 나타내었다. 위치에 따른 반사율과 소수운반자수명 및 효율과의 상관관계는 Fig.
- 특히 중앙에 비해서 가장자리로 갈수록 2% 이상 효율이 증가되는 원인은 95%에서 97%로 개선된 광흡수율과 1.8 μs에서 2.6 μs로 길어진 소수운반자수명이 효율을 개선하는 원인으로 작용하지만 36 mΩ에서 90 mΩ으로 증가된 series 저항은 전체적인 효율을 저하시키는 원인으로 판단된다.
- 5에 나타내었다. 평균반사율이 4% 이하로 낮음에도 불구하고 제작된 태양전지의 동작특성은 습식기법으로 texture된 태양전지에서 도출되는 16%대의 변환효율, 78%대의 FF값과 0.6 V 이상의 개방전압, 34 mA/ cm2 이상의 단락전류밀도 등과 비교하면 매우 열악한 특성을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 지나치게 뾰족한 표면구조에 기인하는 공정상의 영향을 확인하기 위하여 태양전지 해석모델에 기반하여 참고문헌 [15]에 제시된 방법으로 shunt 저항과 series 저항도 분석하였다.
- 91로 측정되었다. 표면 texturing구조의 차이가 ARC 증착시 막성장에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 소수운반자 수명분포도를 보면, RIE 공정 후에는 중앙부분과 가장자리의 소수운반자수명은 왼쪽 가장자리를 제외하고 급격하게 큰 변화가 발생하지 않는 반면, 에미터 층 형성 후 ARC를 증착한 후의 결과는 중앙 부분에서 1.
- 표면 구조의 깊이와 반치폭은 가장자리로 갈수록 증가하지만 모든 위치에서 관찰된 식각면의 기울기는 약 70∼80°를 유지하는 동일한 형상을 갖는 것으로 관찰되어 전체적으로 식각면의 기울기는 유사하며 식각 깊이만 달라지는 것으로 확인할 수 있었다.
후속연구
- 더하여 위치별 결과를 살펴보면 중앙 부분에서 측정된 외부양자효율은 최대값이 70%대로 양쪽 edge에 비해서 15% 이상 저하된 것을 확인하였고 중간 부분은 중앙과 edge의 중간에 해당하는 양자효율을 나타냄을 볼 수 있다. 이러한 결과들을 종합해 볼 때 RIE texturing을 적용하여 고효율의 다결정 실리콘 태양전지양산을 위해서는 충분히 긴 소수운반자수명의 확보가 필수적이므로 texturing 공정조건의 적절한 제어를 통해 적절한 반치폭과 동시에 최저 반사율을 나타낼 수 있도록 표면형상구조가 최적화 되어야 한다. 즉 최적화된 형상을 얻기 위해서는 표면 구조의 side wall 각도를 조절하여 반사율은 조금 높이더라도 도핑 공정 생성된 전자-정공쌍의 이동을 원활히 제어할 수 있는 적절한 표면 구조가 요구된다.
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