[논문]선택적 에미터 결정질 실리콘 태양전지 제작을 위한 할로겐 램프 장치 개발

한규민; 최성진; 이희덕; 송희은

doi:10.7836/kses.2012.32.5.102

선택적 에미터 결정질 실리콘 태양전지 제작을 위한 할로겐 램프 장치 개발
Equipment Manufacturing of Lamp Heating to Fabricate Selective Emitter Silicon Solar Cell 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.5, 2012년, pp.102 - 107

한규민 (충남대학교 대학원 전자.정보통신공학과) , 최성진 (한국에너지기술연구원) , 이희덕 (충남대학교 대학원 전자.정보통신공학과) , 송희은 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Halogen lamp was applied to fabricate the selective emitter crystalline silicon solar cell. In selective emitter structure, the recombination of minority carriers is reduced with heavily doped emitter under metal grid, consequently improving the conversion efficiency. Laser selective emitter process which is recently used the most generally induces the damage on the silicon surface. However the lamp has enough heat to form heavily doped emitter layer by diffusing phosphorus from PSG without surface damage. In this work, we have studied to find the design and the suitable condition for halogen lamp such as power, time, temperature and figured out the possibility to fabricate the selective emitter silicon solar cell by lamp heating. The sheet resistance with $100{\Omega}/{\Box}$ was lower to $50{\Omega}/{\Box}$ after halogen lamp treatment. Heat transfer to lightly doped emitter region was blocked by using the shadow mask.

주제어

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문제 정의

(4)본 논문에서 제시한 램프 방식의 선택적 에미터 공정 장치는 기존 방식과 차별화된 새로운 방법이며, 이는 대부분의 태양 전지 양산장비가 해외 업체의 장비와 기술에 의지하는 현시점에서 국내 장비를 이용한 새로운 방식의 선택적 에미터 공정을 제안함으로서 국내기술을 통한 저가·고효율 태양전지의 생산을 기대할 수있게 되었다. 본 논문에서는 새로운 기술을 적용한 선택적 에미터 구조 형성의 가능성을 확인하였으며, 추후 공정 최적화를 통해 이를 적용한 결정질 실리콘 태양전지를 제조하고 이의 특성에 대해서 연구를 진행하고자 한다.
본 연구에서는 Halogen Lamp을 이용하여 단결정 실리콘 태양전지 제조 공정 중 선택적 에미터 구조를 형성하고자 하였다. 이는 기존의 선택적 에미터 형성 방법을 벗어나 일차 도핑 공정 후에 새로운 공정방식을 적용하여 선택적 영역에서만 고농도 도핑을 진행하였으며 결론은 다음과 같다.
이 실험에서는 선택적 에미터 형성을 위해 일반적 사용되는 Laser 방식과 다른 에너지원을 활용하여 선택적 에미터 형성함으로써 앞에서 언급된 단점들을 보완하고자 하였다.

제안 방법

선택적 에미터 형성 후에는 4 point probe으로 이용하여 면저항을 측정하기 어렵기 때문에 동일한 조건으로 넓은 면적으로 확산시킨 후 면저항을 측정하여 형성될 선택적 에미터 각 부분의 면저항을 예측할 수 있었다. 고농도로 도핑된 영역인 finger 부분을 확인하기 위해 그림7에서 보여주듯이 맥사이언스의 장치를 이용하여 PL(Photo luminescence) 를 측정하였다.
기판의 표면 조직화 후 p-n 접합을 형성하기 위해 batch 타입의 확산로를 이용하여 도핑 공정을 진행하였다. 선 증착 과정은 공정 온도 780도에서 12분간 진행하였고 도핑 소스인 인(P)이 포함된 POCl₃와 O₂를 2:1의 비율로 주입하였다.
도핑 후 기판 표면에 PSG (phosphosilicate glass)층을 형성하게 되는데, 이 층은 phosphorus(P)를 포함하고 있다. 따라서 PSG층을 dopant source로 사용하였으며, Lamp의 열에너지를 이용하여 국소적으로 도펀트를 기판 안으로 확산시켜 전극 형성 부분에 deep junction을 형성하였다. 한번의 공정으로 선택적 에미터 구조를 형성할수 있는 장점이 있으며, Lamp방식의 선택적 에미터 형성을 적용하여, 장치 및 에미터 형성을 제작 및 특성을 관찰해 보았다.
본 논문의 중점인 전극이 배선되는 부위만 상대적으로 고농도의 에미터를 형성하여 인위적으로 전위계단을 만들어 주기 위해 기판 전면적에 100Ω/□의 면저항을 갖는 에미터 층을 형성한 후 PSG (phosphorus silicate glass)에 남아 있는 인(P)성분을 이용하기 위해 제거하지 않았다. 면저항은 4 point probe를 사용하여 측정하였다.
반사판으로 구성되어 열전달 파장영역인 적외선 파장을 효과적으로 반사시킬 수 있도록 표면에 gold coating 처리를 하였다.
본 논문에서는 Lamp를 이용한Micro-Lens Diffusion system을 이용하여, 기판 표면에 국부적으로 에너지를 주입하는 장치를 제작하였고, 일반적으로 POCl3 도핑 후 기판 표면에 PSG (phosphosilicate glass)층을 형성하게 되는데, 이 층은 phosphorus(P)를 포함하고 있다.
본 논문의 중점인 전극이 배선되는 부위만 상대적으로 고농도의 에미터를 형성하여 인위적으로 전위계단을 만들어 주기 위해 기판 전면적에 100Ω/□의 면저항을 갖는 에미터 층을 형성한 후 PSG (phosphorus silicate glass)에 남아 있는 인(P)성분을 이용하기 위해 제거하지 않았다. 면저항은 4 point probe를 사용하여 측정하였다.
기판의 표면 조직화 후 p-n 접합을 형성하기 위해 batch 타입의 확산로를 이용하여 도핑 공정을 진행하였다. 선 증착 과정은 공정 온도 780도에서 12분간 진행하였고 도핑 소스인 인(P)이 포함된 POCl₃와 O₂를 2:1의 비율로 주입하였다. 캐리어 가스인 질소 가스(N₂)는 일정하게 주입하였다.
웨이퍼와 램프 간의 거리는 2.6cm∼8.6cm까지 가변하였고, focal-length는 30mm이며 focal-width는 3∼4mm로 고정하였다.
본 연구에서는 Halogen Lamp을 이용하여 단결정 실리콘 태양전지 제조 공정 중 선택적 에미터 구조를 형성하고자 하였다. 이는 기존의 선택적 에미터 형성 방법을 벗어나 일차 도핑 공정 후에 새로운 공정방식을 적용하여 선택적 영역에서만 고농도 도핑을 진행하였으며 결론은 다음과 같다.
따라서 PSG층을 dopant source로 사용하였으며, Lamp의 열에너지를 이용하여 국소적으로 도펀트를 기판 안으로 확산시켜 전극 형성 부분에 deep junction을 형성하였다. 한번의 공정으로 선택적 에미터 구조를 형성할수 있는 장점이 있으며, Lamp방식의 선택적 에미터 형성을 적용하여, 장치 및 에미터 형성을 제작 및 특성을 관찰해 보았다.

대상 데이터

하지만 램프를 이용한 방식이 선택적 에미터를 형성하기에 충분한 열을 가지고 있어도 5초 내에 그 열이 주변으로 확산되어, 전극이 배선되는 부분 이외의 영역에서도 면저항이 낮아지게 되어 국부적으로 형성이 되지 않는다. 국부적인 열처리를 위해 집광 영역에 제작한 shadow mask를 이용하여 실험을 진행하였다.
실험에 사용된 기판은 p-type의 단결정 실리콘 웨이퍼에 비저항이 0.5∼3Ω·cm인 200µm 두께, 156×156mm2의 면적을 사용하였다.

성능/효과

(1) Focal-length 30mm, focal-width 3∼4mm의 조건으로 고정하여 power에 따른 focal-temperature를 측정한 결과 최대 온도는 약 1100℃까지 측정되었고, 따라서 국부적 열처리에 대한 온도가 확보되었다.
(2) 국부적으로 열을 가하여 면저항 변화를 측정한 결과, 램프파워 70%의 조건에서 시간에 따라 면저항이 비례적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 기존의 국부적 에너지를 주입하는 laser를 이용한 선택적 도핑은 laser에 의한damage를 받아 sludge가 발생하지만 램프 방식으로 형성된 선택적 에미터는 damage가 발생되지 않음을 확인할 수 있었다.
(4)본 논문에서 제시한 램프 방식의 선택적 에미터 공정 장치는 기존 방식과 차별화된 새로운 방법이며, 이는 대부분의 태양 전지 양산장비가 해외 업체의 장비와 기술에 의지하는 현시점에서 국내 장비를 이용한 새로운 방식의 선택적 에미터 공정을 제안함으로서 국내기술을 통한 저가·고효율 태양전지의 생산을 기대할 수있게 되었다.
Power에 따른 focal temperature의 측정 결과 웨이퍼와 램프의 거리가 2.6cm에서 최대 온도는 약 1100℃까지 측정되었다. 따라서 국부적 열처리에 대한 온도는 확보되었다고 여겨진다.
따라서 shadow mask를 활용해서 열이 주변으로 확대되는 문제점을 해결할 수 있었고, 전극이 배선되는 부분에서만 낮은 면저항의 에미터층을 형성할 수 있게 되었다.
램프를 이용한 선택적 에미터 형성에서는 램프 파워를 사용해서 고온 처리를 하는데 이때 기판에 추가적인 열을 공급할 수 있는 장치를 이용한다면 좀 더 적은 파워를 이용해서도 낮은 면저항을 형성할 수 있을 것으로 여겨진다. 또한 그림 11에서 보여주듯이 집광 영역 시에 웨이퍼가 국부적으로 열을 받아 웨이퍼의 휨 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 기판의 열처리와 병행된다면 열을 분산시켜 이런 휨 현상도 해결할 수 있을 것으로 여겨진다. 이는 추가 실험을 통해서 후에 보고될 예정이다.
그림 6는 국부적으로 열을 가한 후 면저항의 변화를 측정하였다. 램프 파워 70%, 웨이퍼의 면저항 100Ω/□을 사용하여 시간에 따라 면저항을 측정하였을 때 시간이 증가함에 따라 면저항이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 5초 내에 집광 온도는 1100℃ 이상이 되며, 웨이퍼 면저항은 100Ω/□에서 45Ω/□ 이하로 낮아졌다.
또한 5초 내에 집광 온도는 1100℃ 이상이 되며, 웨이퍼 면저항은 100Ω/□에서 45Ω/□ 이하로 낮아졌다. 이로써 국부 주사 방식을 활용하여 낮은 면저항 영역을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

램프를 이용한 선택적 에미터 형성에서는 램프 파워를 사용해서 고온 처리를 하는데 이때 기판에 추가적인 열을 공급할 수 있는 장치를 이용한다면 좀 더 적은 파워를 이용해서도 낮은 면저항을 형성할 수 있을 것으로 여겨진다. 또한 그림 11에서 보여주듯이 집광 영역 시에 웨이퍼가 국부적으로 열을 받아 웨이퍼의 휨 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 기판의 열처리와 병행된다면 열을 분산시켜 이런 휨 현상도 해결할 수 있을 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	결정질 태양전지 기술 개발은 주로 어떤 연구가 진행되고 있는가?	현재 결정질 실리콘 태양전지가 전체 태양전지 시장의 86%정도를 점유하고 있다1).최근 결정질 태양전지 기술 개발은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지 개발 연구가 주로 진행되고 있다.2)고효율 태양전지는 1%의 변환효율을 증가시킬 경우 6%의 생산단가를 감소시키기3) 때문에 고효율화 및 저가화를 위한 기술의 하나로서 선택적 에미터 형성 기술이 적용되고 있다.
	현재 고효율을 위해 가장 많이 적용되고 있는 선택적 에미터 구조는 무엇인가?	현재 고효율을 위해 가장 많이 적용되고 있는 선택적 에미터 구조는 균일한 에미터를 갖는 태양전지와 비교하여 deadlayer4)의 감소로 인해 재결합 확률이 낮아져 광에 의해 생성된 캐리어의 Lifetime을 증가시키고,기존 공정인 단일 Emitter와 달리 전극부위에 HeavilyDoped영역 을 형성하고 비 전극 부위에는 LightlyDoped영역을 형성하여 도핑 농도를 다르게 하는 구조이다.전극 아래 부분은 deepjunction을 형성하여 Si기판과 금속 전극 간의 ohmiccontact을 통해 직렬저항을 감소시켜 fillfactor를 향상시킬 수 있으며, 적절한 junctiondepth를 확보할 경우 전극 형성 중 발생 할 수 있는 shunt발생 확률을 줄일 수 있다.
	현재 고효율을 위해 가장 많이 적용되고 있는 선택적 에미터 구조의 전극 아래 부분은 어떤 특징을 가지는가?	현재 고효율을 위해 가장 많이 적용되고 있는 선택적 에미터 구조는 균일한 에미터를 갖는 태양전지와 비교하여 deadlayer4)의 감소로 인해 재결합 확률이 낮아져 광에 의해 생성된 캐리어의 Lifetime을 증가시키고,기존 공정인 단일 Emitter와 달리 전극부위에 HeavilyDoped영역 을 형성하고 비 전극 부위에는 LightlyDoped영역을 형성하여 도핑 농도를 다르게 하는 구조이다.전극 아래 부분은 deepjunction을 형성하여 Si기판과 금속 전극 간의 ohmiccontact을 통해 직렬저항을 감소시켜 fillfactor를 향상시킬 수 있으며, 적절한 junctiondepth를 확보할 경우 전극 형성 중 발생 할 수 있는 shunt발생 확률을 줄일 수 있다.반면,빛을 받는 부분인 shallow junction은 blueresponse향상으로 인한 단파장 영역에서의 양자효율 증가 효과를 얻을 수 있고,결과적으로 단락전류의 상승을 기대할 수 있다.

참고문헌 (8)

Solar & Energy, 차세대 고효율 결정질 Si 태양전지 기술 및 시장전망 (2008-2015), p.10, 2011
한원석, 김현수, 최병석, 오대곤 차세대 고효율 태양전지 기술 동향, 전자통신 동향분석, 22권, 5호, p.86, 2007

원문보기 상세보기
S. K. Chunduri, Photon International, November, p.108, 2009
M. A. Green, Solar Cells(Operating Principles, Technology,and System Applications), Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, p.150, 1982
CarlssonC, Esturo-Breton A, Ameto -wobla M, Kohler JR, Werner JH. 21st EU-PVSEC. p.938, 2006
Solar & Energy, 차세대 고효율 결정질 Si 태양전지 기술 및 시장전망(2008-2015), pp.166-168, 2011
Ching-HsiLin, Chien-Hua Lung, Yang-Fang Chen, Yu-WeiTai, Wei-Chih, Hsu, "Fabrication of single diffusion step selective emitter solarcells," Photovoltaics International journal 2010
Zheren Du, Natalia Palina, Jia Chen, Minghui Hong, Bram Hoex. Rear-Side Contact Opening by Laser Ablation for Industrial Screen-Printed Aluminium Local Back Surface Field Silicon Wafer Solar Cells., PV Asia Pacific Conference, p19-27, 2012

저자의 다른 논문 :

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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