[논문]SF6/O2 혼합가스에 의한 실리콘 웨이퍼의 표면 텍스쳐링 특성

강민석; 주성재; 구상모

doi:10.4313/jkem.2012.25.5.345

SF6/O2 혼합가스에 의한 실리콘 웨이퍼의 표면 텍스쳐링 특성
Characterization of Surface Textured Silicon Substrates by SF6/O2 Gas Mixture 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.5, 2012년, pp.345 - 348

강민석 (광운대학교 전자재료공학과) , 주성재 (한국전기연구원 에너지반도체연구센터) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The optical losses associated with the reflectance of incident radiation are among the most important factors limiting the efficiency of a solar cell. Therefore, photovoltaic cells normally require special surface structures or materials, which can reduce reflectance. In this study, nano-scale textured structures with anti-reflection properties were successfully formed on silicon. The surface of sicon wafer was etched by the inductively coupled plasma process using the gaseous mixture of $SF_6+O_2$. We demonstrate that the reflection characteristic has significantly reduced by ~0% compared with the flat surface. As a result, the power efficiency $P_{max}$ of the nano-scale textured silicon solar cell were enhanced up to 20%, which can be ascribed primarily to the improved light trapping in the proposed nano-scale texturing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구를 통하여 실리콘 웨이퍼의 ICP 공정을 이용한 표면 텍스쳐링으로 태양전지의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다고 판단된다.
본 연구에서는, 실리콘 웨이퍼를 표면 처리하기 위하여 건식식각의 방법으로서 플라즈마를 이용한 ICP 식각장비를 사용하였으며, (ⅰ) 공정가스 비율에 따른 표면구조 최적화와 (ⅱ) 표면 텍스쳐링 구조에 따른 반사율 변화 및 태양전지 변환 효율에 대하여 연구하 였다.

제안 방법

혼합한 가스를 이용하여 실리콘 기판의 표면을 텍스쳐링하였다. SF₆의 유량 20 sccm에서 O₂의 유량을 공정 변수로 하였고, 텍스쳐링된 웨이퍼의 표면 형상과 반사율 특성을 조사하였다. O₂ 유량이 8 sccm 조건으로 250 nm ∼ 1,000 nm 파장 영역에서 가장 낮은 반사율을 얻을 수 있었으며, 텍스쳐링의 높이는 0.
또한 표면 텍스쳐링 공정을 이용하여 실리콘 솔라 셀의 전기적 특성 및 효율 추정을 2차원 시뮬레이션을 통하여 비교 분석을 수행하였다. 표면이 평평한 구조의 P_max는 2.
본 실험에서 사용한 웨이퍼는 (100) 방향의 3인치 P형 단결정 실리콘이며 저항은 1∼30 Ω·cm이고 두께는 380 ㎛이다. 먼저 웨이퍼의 유기물을 제거하기 위해 아세톤 , 에탄올, 증류수를 사용하여 세정한 다음, 자연산화막을 제거하기 위해 식각액 BOE (6:1)에 5분간 담근 후 증류수에 세정하였다.
본 연구에서는 ICP 플라즈마 식각 장비의 SF₆와 O₂ 혼합한 가스를 이용하여 실리콘 기판의 표면을 텍스쳐링하였다. SF₆의 유량 20 sccm에서 O₂의 유량을 공정 변수로 하였고, 텍스쳐링된 웨이퍼의 표면 형상과 반사율 특성을 조사하였다.
식각 공정 조건에서 O₂압이 광학적 특성에 미치는 영향을 샘플의 단면을 관측하여 분석하였다. 그림 3 (a), (b)는 각각 샘플 b, d의 표면 텍스쳐링 형상을 보여주는 SEM 단면도이다.
56 MHz의 RF주파수 (radio frequency)를 사용하여 RF 전력을 발생시킨다. 식각 공정 조건은 SF₆의 유량 (20 sccm), 에칭 시간 (1시간), RF 전력 (30 W), 가스 압력 (30 mTorr)을 고정시키고, O₂의 유량을 공정 변수로 하였고, 텍스쳐링된 웨이퍼의 표면 반사율 (reflectance) 특성을 조사하였다. O₂유량에 따른 에칭 공정조건을 표 1에 나타내 었다.
실리콘 웨이퍼의 표면을 텍스쳐링하기 위하여 플라즈마 식각 장비에서 SF₆와 O₂를 혼합한 가스를 사용하여 공정을 수행하였다.
표 1의 표면 식각 조건으로 텍스쳐링된 웨이퍼는 표면 구조에 따른 광학적 특성을 측정하기 위하여 자외선-가시광선 분광기 (UV/VIS/NIR spectrometer, AvaSpec-3648)를 사용하였으며, 입사된 빛에 대한 반사율은 250 nm ∼ 1,000 nm 파장범위에서 측정하였다.
텍스쳐링의 높이가 높고 기울기가 급격할수록 반사율이 감소하는 것을 알 수 있으며, 텍스쳐링 간격이 조밀할수록 반사율은 거의 0에 가까이 가는 것을 알 수 있다. 표면 텍스쳐링 공정을 이용하여 실리콘 솔라셀의 전기적 특성 및 효율 추정을 2차원 시뮬레이션을 통하여 비교 분석을 수행하였다.
표면의 단면 구조는 주사형전자현미경 (FE-SEM, Hitachi S-4800)을 사용하여 단면을 측정하였다. 표면 텍스쳐링 효과를 시뮬레이션하기 위해 Silvaco사의 Atlas 2D 모듈을 조합하여 물리적으로 설계된 소자의 특성을 분석하였다.

대상 데이터

그림 1은 본 연구에서 사용한 ICP (inductively coupled plasma) 에칭 장비의 개략도이며, 유도 결합 플라즈마는 2 MHz와 13.56 MHz의 RF주파수 (radio frequency)를 사용하여 RF 전력을 발생시킨다. 식각 공정 조건은 SF₆의 유량 (20 sccm), 에칭 시간 (1시간), RF 전력 (30 W), 가스 압력 (30 mTorr)을 고정시키고, O₂의 유량을 공정 변수로 하였고, 텍스쳐링된 웨이퍼의 표면 반사율 (reflectance) 특성을 조사하였다.
본 실험에서 사용한 웨이퍼는 (100) 방향의 3인치 P형 단결정 실리콘이며 저항은 1∼30 Ω·cm이고 두께는 380 ㎛이다.
표면 나노구조는 에칭패턴의 높이는 1 μm이고, 폭은 100 nm이다.
표 1의 표면 식각 조건으로 텍스쳐링된 웨이퍼는 표면 구조에 따른 광학적 특성을 측정하기 위하여 자외선-가시광선 분광기 (UV/VIS/NIR spectrometer, AvaSpec-3648)를 사용하였으며, 입사된 빛에 대한 반사율은 250 nm ∼ 1,000 nm 파장범위에서 측정하였다. 표면의 단면 구조는 주사형전자현미경 (FE-SEM, Hitachi S-4800)을 사용하여 단면을 측정하였다. 표면 텍스쳐링 효과를 시뮬레이션하기 위해 Silvaco사의 Atlas 2D 모듈을 조합하여 물리적으로 설계된 소자의 특성을 분석하였다.

성능/효과

O2 유량이 8 sccm 조건으로 250 nm ∼ 1,000 nm 파장 영역에서 가장 낮은 반사율을 얻을 수 있었으며, 텍스쳐링의 높이는 0.8 ∼ 1.0 μm, 폭은 5 ∼ 10 nm이고, 표면의 기울기가 급한 바늘 형태로 나타내었다.
이는 평평한 구조를 기준으로 텍스쳐링 구조에서 소자효율차이가 20% 향상됨을 확인할 수 있었다. 부피대비 표면적을 따져보면 표면 미세구조가 평평한 구조보다 높은 것을 알 수 있으며, 빛을 흡수향이 증가함에 따라서 높은 광자의 생성으로 전류는 증가하는 것으로 판단된다. 텍스쳐링 공정을 통하여 실리콘 솔라셀의 높은 power 효율을 얻을 수 있었다.
이는 평평한 구조를 기준으로 텍스쳐링 구조에서 소자효율차이가 20% 향상됨을 확인하였다.
이는 평평한 구조를 기준으로 텍스쳐링 구조에서 소자효율차이가 20% 향상됨을 확인할 수 있었다. 부피대비 표면적을 따져보면 표면 미세구조가 평평한 구조보다 높은 것을 알 수 있으며, 빛을 흡수향이 증가함에 따라서 높은 광자의 생성으로 전류는 증가하는 것으로 판단된다.
부피대비 표면적을 따져보면 표면 미세구조가 평평한 구조보다 높은 것을 알 수 있으며, 빛을 흡수향이 증가함에 따라서 높은 광자의 생성으로 전류는 증가하는 것으로 판단된다. 텍스쳐링 공정을 통하여 실리콘 솔라셀의 높은 power 효율을 얻을 수 있었다.
0 μm, 폭은 5∼10 nm이고, 텍스쳐링의 모양은 표면의 기울 기가 급한 바늘 형태를 보여주고 있다. 텍스쳐링의 높이가 높고 기울기가 급격할수록 반사율이 감소하는 것을 알 수 있으며, 텍스쳐링 간격이 조밀할수록 반사율은 거의 0에 가까이 가는 것을 알 수 있다. 표면 텍스쳐링 공정을 이용하여 실리콘 솔라셀의 전기적 특성 및 효율 추정을 2차원 시뮬레이션을 통하여 비교 분석을 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 효율을 감소시키는 요인은?	태양전지의 효율을 감소시키는 요인에는 표면에서 빛이 반사되어 생기는 광학적 손실, 전극부분에서의 캐리어의 재결합에 따른 전기적 손실, 저항 성분에 의한 손실 등이 있다. 태양전지의 변환효율을 증가시 키기 위한 개선방법으로 표면에서의 빛의 반사에 의한 광학적 손실을 줄이는 것이다.
	표면 텍스쳐링 공정은 어떤 공정인가?	광학적 손실을 줄이기 위한 방법으로는 반사방지막 (anti-reflective coating), 표면 텍스쳐링 (texturing), 서로 다른 에너지갭을 가진 다층구조 태양전지 등이 있다 [3,4]. 그중 표면 텍스쳐링 공정은 표면을 식각 (etching)하여 표면으로 입사하는 광을 포획 (light trapping)하고 빛이 통과하는 경로를 증가시키는 것으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 텍스 쳐링 공정은 습식식각과 건식식각 방식이 존재한다 [5,6].
	결정질 실리콘 표면에 습식식각을 사용할 경우 다결정 실리콘에서 어떤 문제가 생기는가?	기존의 결정질 실리콘 표면은 습식식각을 많이 사용하였다. 하지만 다결정 실리콘에서는 표면의 텍스쳐링 패턴이 균일도가 많이 떨어지게 된다.

참고문헌 (6)

P. Berdahla, H. Akbaria, J. Jacobsb, and F. Klinkb, Sol. Energ. Mater. Sol. Cells, 92, 482 (2008).

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E. Manea, E. Budianu, M. Purika, D. Cristea, I. Cernica, R. Muller, and V. M. Poladian, Sol. Energ. Mater. Sol. Cells, 87, 423 (2005).

상세보기
C. L. Lin, P. H. Chen, C. H. Chan, C. C. Lee, C. C. Chen, J. Y. Chang, and C. Y. Liu, Appl. Phys. Lett., 90, 242106 (2007).

상세보기
J. I. Larruquert and RAM Keski-Kuha, Appl. Opt., 39, 2772 (2000).

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S. J. Joo, M. S. Kang, W. Bahng, and S. M. Koo, Thin Solid Films, 519, 3728 (2011).

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S. Koynov, M. S. Brandt, and M. Stutzmann, Appl. Phys. Lett., 88, 203107 (2006).

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