실리콘계 태양전지 제조과정에서 발생하는 불량품에서 실리콘웨이퍼를 회수하는 연구를 수행하였다. 상온($25^{\circ}C$)에서 인산용액 농도, 산성불화암모늄 농도, 킬레이트제 종류 및 농도를 변화시키면서 폐태양전지의 반사방지막 및 N층의 제거 효율을 조사하였다. 10 wt% 인산, 2.0 wt% 산성불화암모늄, 1.5 wt% Hydantoin 사용 시 제거 효율이 가장 우수 하였다. 인산농도가 증가할수록 미세입자의 표면전위가 (+)로 변하여 정전기적 인력에 의해 실리콘웨이퍼 표면에 재흡착하여 표면처리 전보다 두께가 두꺼워졌으며, 표면의 오염도도 증가하였다. 인산-산성불화암모늄-킬레이트제 용액에 의한 표면처리방법은 모든 공정이 상온에서 수행되며, 공정이 단순하고, 폐수 발생량이 적고, 표면제거 효율이 우수한 방법으로 폐 태양전지의 재활용 및 기존 RCA 세정법의 대안으로 가능성이 매우 클 것으로 판단되었다.
실리콘계 태양전지 제조과정에서 발생하는 불량품에서 실리콘웨이퍼를 회수하는 연구를 수행하였다. 상온($25^{\circ}C$)에서 인산용액 농도, 산성불화암모늄 농도, 킬레이트제 종류 및 농도를 변화시키면서 폐태양전지의 반사방지막 및 N층의 제거 효율을 조사하였다. 10 wt% 인산, 2.0 wt% 산성불화암모늄, 1.5 wt% Hydantoin 사용 시 제거 효율이 가장 우수 하였다. 인산농도가 증가할수록 미세입자의 표면전위가 (+)로 변하여 정전기적 인력에 의해 실리콘웨이퍼 표면에 재흡착하여 표면처리 전보다 두께가 두꺼워졌으며, 표면의 오염도도 증가하였다. 인산-산성불화암모늄-킬레이트제 용액에 의한 표면처리방법은 모든 공정이 상온에서 수행되며, 공정이 단순하고, 폐수 발생량이 적고, 표면제거 효율이 우수한 방법으로 폐 태양전지의 재활용 및 기존 RCA 세정법의 대안으로 가능성이 매우 클 것으로 판단되었다.
Recovery method of silicon wafer from defective products generated from manufacturing process of silicon solar cells was studied. The removal effect of the N layer and antireflection coating (ARC) of the waste solar cell were investigated at room temperature ($25^{\circ}C$) by variation o...
Recovery method of silicon wafer from defective products generated from manufacturing process of silicon solar cells was studied. The removal effect of the N layer and antireflection coating (ARC) of the waste solar cell were investigated at room temperature ($25^{\circ}C$) by variation of concentration of $H_3PO_4$, $NH_4HF_2$, and concentration and types of chelating agent. Removal efficiency was the best in the conditions; 10 wt% $H_3PO_4$ 2.0 wt% $NH_4HF_2$, 1.5 wt% Hydantoin. Increasing the concentration of $H_3PO_4$, the surface contamination degree was increased and the thickness of the silicon wafe became thicker than the thickness before surface treatment because of re-adsorption on the silicon wafer surface by electrostatic attraction of the fine particles changed to (+). The etching method by mixed solution of $H_3PO_4$-$NH_4HF_2$-chelating agents was expected to be great as an alternative to conventional RCA cleaning methods and as the recycle method of waste solar cells, because all processes are performed at room temperature, the process is simple, and less wastewater, the removal efficiency of the surface of the solar cell was excellent.
Recovery method of silicon wafer from defective products generated from manufacturing process of silicon solar cells was studied. The removal effect of the N layer and antireflection coating (ARC) of the waste solar cell were investigated at room temperature ($25^{\circ}C$) by variation of concentration of $H_3PO_4$, $NH_4HF_2$, and concentration and types of chelating agent. Removal efficiency was the best in the conditions; 10 wt% $H_3PO_4$ 2.0 wt% $NH_4HF_2$, 1.5 wt% Hydantoin. Increasing the concentration of $H_3PO_4$, the surface contamination degree was increased and the thickness of the silicon wafe became thicker than the thickness before surface treatment because of re-adsorption on the silicon wafer surface by electrostatic attraction of the fine particles changed to (+). The etching method by mixed solution of $H_3PO_4$-$NH_4HF_2$-chelating agents was expected to be great as an alternative to conventional RCA cleaning methods and as the recycle method of waste solar cells, because all processes are performed at room temperature, the process is simple, and less wastewater, the removal efficiency of the surface of the solar cell was excellent.
Fig. 1에 나타낸 것처럼 본 연구에서는 실리콘계 태양전지 생산 공정(Doaping & AR Coating)에서 발생하는 폐 태양전지로부터 실리 콘웨이퍼를 회수하기 위하여 기존의 불산 베이스 에칭용액 대신 인산용액(H3PO4)과 산성불화암모늄(NH4HF2)을 사용하여 폐태양전지의 표면층을 구성하는 반사방지막(Si3N4)과 N층(Phosphorous)을 제거하였고, 제거된 표면층 및 기타 금속이온의 재흡착을 방지하기 위하여 킬레이트제를 첨가하였다.
3에 나타낸 바와 같이 500 ml PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene) Beaker에 guide를 장착하여 사용하였다. Guide 내에 폐 태양전지를 장착하고, 혼합용액(H3PO4-NH4HF2-Chelate)을 투입하여 교반하면서 표면층제거를 진행하였다. 표면층 제거 후 초순수를 사용하여 세척하고 건조기(80~100°C)에서 약 1시간 건조 후, 표면층 제거 전후의 태양전지 두께를 주사전자현미경(SEM, S-2400, HITACHI, Japan)을 사용하여 측정하였으며, 순도(Purity) 분석은 유도결합 플라즈마 분광기(ICP-OES,Optima 5300DV, Perkin Elrner, USA)를 사용하여 분석하였다.
그리고 상기 혼합용액(H3PO4-NH4HF2 Chelate)을 이용하여 상온(25 °C)에서 폐태양전지의 표면층 제거 최적 조건을 확립하였다.
본 연구에서는 에칭용액의 주성분인 HF 용액 대신 10 wt% 인산 용액과 불소계 화합물인 산성불화암모늄(NH4HF2)을 완충용액으로 사용하여 농도를 0.5, 1.0, 2.0 wt%로 변화시켜 폐태양전지 표면층 제거속도를 비교하여 Fig. 4에 나타내었다. 폐태양전지 표면 제거속도(µm/min)는 처리 전 두께에서 인산과 산성불화암모늄에 의해 표면층이 제거된 두께를 측정하여 식 (6)과 같이 폐태양전지의 표면제거 속도를 계산하였다.
표면 제거 온도는 열효율과 경제성을 고려하여 상온(25 ℃)으로 동일하게 유지하였다. 인산용액, 산성불화암모늄, 킬레이트제의 농도를 변화시키면서 반사방지막 및 N층 제거속도를 측정하였고, 시간에 따른 표면층 제거율(Etching Rate)을 비교하였다.
폐태양전지 표면으로부터 리프트-오프된 금속이온 및 미세입자의 재흡착을 방지하기 위하여 킬레이트제를 첨가하여 표면층 제거속도를 비교 하였다. 킬레이트제는 폐태양전지의 표면층으로부터 분리된 반사방지막과 N층을 킬레이트제에 의해 강하게 결합하여 폐태양전지의 표면층으로부터 완전히 제거하게 된다.
표면층 제거 후 초순수를 사용하여 세척하고 건조기(80~100°C)에서 약 1시간 건조 후, 표면층 제거 전후의 태양전지 두께를 주사전자현미경(SEM, S-2400, HITACHI, Japan)을 사용하여 측정하였으며, 순도(Purity) 분석은 유도결합 플라즈마 분광기(ICP-OES,Optima 5300DV, Perkin Elrner, USA)를 사용하여 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 킬레이트제는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 분자내에 한 개 이상의 환원성 라디칼(-NH)과 카르복실기(-COOH) 및 옥살레이트(C2O42−)를 갖는 물질을 사용하였다.
본 연구에서는 태양전지 제조 공정 중 발생한 불량품(K사, Doaping, AR Coating, 두께 180~230 µm)을 사용하였다.
폐태양전지 표면에 묻어 있는 유기물 및 먼지, 오일 성분 등은 표면층 제거속도를 방해하거나 재흡착에 의해 표면을 오염시킬 수 있으므로 표면층 제거 전 알카리 용액(3%KOH)으로 탈지 후 사용하였다. 표면층을 구성하는 반사방지막 및 N층 제거에는 인산용액(85%, Aldrich Co.)과 산성불화암모늄(98%, Merk Co.)을 각각 사용하였고, 킬레이트제는 Hydantoin (98%, Aldrich Co.), Oxalic acid (99%, Aldrich Co.)를 사용하였다 (Fig. 2). 그리고 모든 실험에 사용한 용매는 초순수를 사용하였다.
성능/효과
(1) 에칭용액으로 인산용액과 산성불화암모늄을 사용하면 산성불화암모늄 농도가 0.5 wt%에서는 표면층이 제거되지 않았으며, 1.0 wt% 이상에서 표면층이 제거되기 시작하였고 2.0 wt%에서 표면 제거속도가 가장 우수하였다.
(2) 에칭시간이 증가할수록 재흡착에 의한 표면제거속도는 감소하였으나, 킬레이트제를 첨가하면 표면 제거속도 감소율은 줄어들었다.
(3) 에칭용액의 조성이 10 wt% 인산용액, 2.0 wt% 산성불화암모늄, 1.5 wt% 킬레이트제일 때 표면제거 효율이 가장 우수하였으며, 킬레이트제는 Oxalic acid 보다 Hydantoin이 우수하였다. 이때, 회수된 실리콘 웨이퍼의 순도는 99.
(4) 인산용액의 농도가 증가하면 재흡착량이 증가하여 표면 제거속도가 감소하였으며, 표면 오염도 증가하였다. 또한, 회수된 실리콘 웨이퍼의 순도는 98~98.
9%로 처리시간이 증가할수록 순도는 감소하는 경향을 보였다. 또한, 인산용액의 농도를 20%로 증가 시 98%, 30% 증가 시 97.5%로 나타났다. 이러한 결과는 재흡착에 의한 표면오염으로 추정된다(Fig.
산성불화암모늄의 농도가 0.5 wt% 는 반사방지막 층이 제거되지 않았고, 1.0 wt% 이상에서는 표면층이 모두 제거되었으며, 2.0 wt%에서는 0.71 µm/min으로 표면층 제거속도가 가장 우수하였다.
71 µm/min으로 표면층 제거속도가 가장 우수하였다. 인산과 산성불화암모늄의 혼합용액에 의한 폐태양전지의 표면층을 제거하는데 필요한 농도는 각각 10 wt%, 2.0 wt% 정도면 충분한 농도였다.
6, 7을 보면 Hydantoin, Oxalic acid 모두 유사한 결과를 나타내고 있다. 킬레이트제의 사용량이 증가할수록 표면층 제거속도는 증가하는 경향을 보이며, 처리시간이 길어지면 재흡착에 의해 표면층 제거속도가 다소 감소되었다. 그러나, 킬레이트제를 사용하지 않은 경우와 비교하면 Hydantoin을 첨가시 30 min 경과하면 0.
이와 같은 결과는 폐태양전지로부터 분리된 반사방지막 및 N층이 킬레이트제와 강한 결합에 의해 금속-착화합물을 형성하여 폐태양전지의 표면층으로부터 제거된다는 것을 알 수 있다. 킬레이트제의 성능은 환원성 아민기를 가진 Hydantoin이 옥살레이트이온을 가진 Oxalic acid 보다 조금 우수한 결과를 보였다.
9% 이었다. 혼합용액의 조성을 10 wt% 인산, 2.0 wt% 산성불화암모늄, 1.5 wt% 킬레이트 조절한 경우는 10 min 처리시 99.999%, 20 min 99.99%, 30 min 99.9%로 처리시간이 증가할수록 순도는 감소하는 경향을 보였다. 또한, 인산용액의 농도를 20%로 증가 시 98%, 30% 증가 시 97.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양전지는 어떻게 전기에너지를 생산하는가?
태양광 발전은 태양전지를 핵심소재로 이용하는 발전시스템인데, 태양전지는 반도체의 p-n 접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 금지 대폭(Band Gap) 보다 큰 에너지를 갖는 태양광이 입사되면, 전자-정공 쌍이 형성되어 기전력이 발생하는 광전기전력 (Photo Voltaic Effect)를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자이다[2].
폐태양전지 표면층 제거속도는 에칭용액의 조성이 어떨 때 가장 효율이 높았는가?
(3) 에칭용액의 조성이 10 wt% 인산용액, 2.0 wt% 산성불화암모늄, 1.5 wt% 킬레이트제일 때 표면제거 효율이 가장 우수하였으며, 킬레이트제는 Oxalic acid 보다 Hydantoin이 우수하였다. 이때, 회수된 실리콘 웨이퍼의 순도는 99.
신재생 에너지란 무엇인가?
최근 화석연료 고갈, 지구온난화에 기인한 기후변화, 원전의 안정성 문제 등으로 새롭게 각광 받고 있는 것이 신재생 에너지이다. 신재생 에너지는 화력이나 원자력 등 기존의 에너지와는 달리 무한정 재생산이 가능하면서도 환경에 영향을 주지 않는 에너지이다[1].
참고문헌 (15)
Oleg Chevaleevski and Lioudmila Larina, "New Trends in Solar Photovoltaics: form Physics to Chemistry," Korean J. Chem. Eng., 18(4), 403-407(2001).
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Kang, D. G., Kim, J. B. and Kim, H. T., "Manufacturing of Ultra Thin Glass and Its Application to Flexible Display Subtrate," Appl. Chem., 14(2), 25-28(2010).
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"Composition for Wet Etchng of Silicon Dioxide," US20120070998A1(2012).
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Lee, G. H. and Bae, S. I., "Particle Removal on Silicon Wafer Surface by Ozone-HF- $NH_4OH$ Squence," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 45(2), 203-207(2007).
"Selective Cilicon Oxide Etchant Formulation Including Fluoride Salt Chelating Agent and Glycol Solvent," US2020043644A1(2002).
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