[논문]단결정 실리콘에서 산소농도에 따른 산소석출결함 변화와 태양전지 효율에 미치는 영향

이송희; 김성태; 오병진; 조용래; 백성선; 육영진

doi:10.6111/jkcgct.2014.24.6.246

단결정 실리콘에서 산소농도에 따른 산소석출결함 변화와 태양전지 효율에 미치는 영향
Effect of oxygen concentration and oxygen precipitation of the single crystalline wafer on solar cell efficiency 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.24 no.6, 2014년, pp.246 - 251

이송희 (웅진에너지(주)) , 김성태 (웅진에너지(주)) , 오병진 (웅진에너지(주)) , 조용래 (웅진에너지(주)) , 백성선 (웅진에너지(주)) , 육영진 (웅진에너지(주))

초록
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최근 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 특히 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우 높은 효율을 낼 수 있는 소재로써 고효율 태양전지연구에 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 단결정으로 Czochralski(Cz)-Si 성장 시 산소농도를 다르게 하여 산소석출결함의 변화와 그에 따른 셀효율과의 관계를 비교하였다. 산소불순물은 Cz법으로 성장시킨 실리콘의 주된 불순물이다. 산소불순물 존재 시 태양전지 공정에서 산소석출결함이 생성되며 발생된 산소석출결함은 셀효율에 악영향을 미치게 된다. 그러므로 고효율 태양전지를 위한 웨이퍼를 생산하기 위한 산소석출결함 밀도와 셀효율의 상관성을 연구하였다. 또한 산소농도에 따른 산소석출결함을 분석하여 산소석출결함이 발생되지 않는 잉곳 내 산소농도 범위를 연구하여 14.5 ppma 이하에서 Bulk Micro Defect(BMD)가 발생하지 않음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent studies have shown methods of improving solar cell efficiency. Especially on single crystalline silicon wafer which is high-efficiency solar cell material that has been widely studied. Interstitial oxygen (Oi) is the main impurity in the Czochralski (Cz) growing method, and excess of this can form precipitates during cell fabrication. We have demonstrated the effect of Oi impurity and oxygen precipitation concentration of the wafer on Cz-silicon solar cell efficiency. The result showed a decrease in cell efficiency as Oi and oxygen precipitation increase. Moreover, we have found that the critical point of [Oi] to bring higher cell efficiency is at 14.5 ppma in non-existent Bulk Micro Defect (BMD).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 산소석출물이 발생하지 않는 초기산소농도조건을 찾기 위하여 초기 산소농도에 따른 Δ[Oi]와 BMD 변화를 연구하였다.
본 연구에서는, 산소석출결함과 셀효율의 상관 관계에 대한 이해를 위하여, 산소석출 결함의 농도가 다른 두 개의 잉곳을 양산라인에서 태양전지 제작을 수행하여 셀 효율을 비교해 보았다. 또한 다양한 산소농도에서 산소석출결함을 발생시켜 산소적출결함이 발생하지 않는 산소 농도지점을 찾고자 하였다.
본 연구에서는, 산소석출결함과 셀효율의 상관 관계에 대한 이해를 위하여, 산소석출 결함의 농도가 다른 두 개의 잉곳을 양산라인에서 태양전지 제작을 수행하여 셀 효율을 비교해 보았다. 또한 다양한 산소농도에서 산소석출결함을 발생시켜 산소적출결함이 발생하지 않는 산소 농도지점을 찾고자 하였다.
초기 산소농도를 다르게 한, 두 개 잉곳의 산소석출결함 농도를 분석하였고, 그에 따른 셀효율의 영향을 확인하고자 하였다. 연구결과, 동일 저항간 비교했을 때 산소석출결함이 많은 잉곳의 셀효율이 0.

제안 방법

열처리 후 Oi 농도를 측정하여 열처리 전 후 Oi 농도 값을 비교함으로써 ΔOi를 측정하고, Wright 에칭하여 광학현미경 관찰을 통하여 BMD(Bulk Micro Defects)를 측정하였다. BMD 측정 이미지는 이미지분석프로그램(Image J 1.41n, NIH, USA)을 사용하여 밀도를 분석하였다.
High [Oi], Low [Oi] 각각의 잉곳에서 세 개 블록(0~400, 800~1200, 1600~2000 mm)을 와이어쏘(wire saw)로 슬라이싱하여 190 μm 두께의 웨이퍼(wafer)를 제작하였으며, 양산라인에서 태양전지를 제작하였다.
Oi 농도와 산소석출물 분석을 했던 세 개부분(바디초반, 중반, 후반)의 400 mm 블록으로 각각 웨이퍼를 제작하고, 태양전지 제작업체의 양산라인에서 태양전지를 제작하였다. Fig.
상용화되어 사용되고 있는 Cz-Si 결정성장로를 이용하여 210 mm 직경의 Boron 도핑 된 P형 실리콘 단결정을 [100] 방향으로 성장시켰다. 두 개의 잉곳성장 방법을 달리하여 Oi(Interstitial oxygen) 농도를 다르게 성장시켰다. Oi 농도가 높은 High[Oi] 잉곳의 초기 산소농도는 20 ppma 이하이며, 잉곳 전반의 산소농도는 15~20 ppma이다.
Oi 농도가 낮은 Low[Oi] 잉곳의 초기 산소농도는 15 ppma 이하이며, 잉곳 전반의 산소농도는 15~10 ppma이다. 산소농도는 FT-IR(QS1200, Nanometrics, USA)을 이용하여 측정하였다.
상용화되어 사용되고 있는 Cz-Si 결정성장로를 이용하여 210 mm 직경의 Boron 도핑 된 P형 실리콘 단결정을 [100] 방향으로 성장시켰다. 두 개의 잉곳성장 방법을 달리하여 Oi(Interstitial oxygen) 농도를 다르게 성장시켰다.
성장시킨 두 개의 잉곳을 숄더(Shoulder)위치에서부터 잉곳 길이 방향으로 각각 0, 1000, 2000 mm 세 부분에서 2 mm 두께의 웨이퍼를 슬라이싱(Slicing)하였고, 슬라이싱된 웨이퍼는 손상 층(Saw Damage)을 혼산(HF, HNO₃, CH₃COOH)을 이용하여 에칭(Etching)하였다.
열처리 후 Oi 농도를 측정하여 열처리 전 후 Oi 농도 값을 비교함으로써 ΔOi를 측정하고, Wright 에칭하여 광학현미경 관찰을 통하여 BMD(Bulk Micro Defects)를 측정하였다.
마지막으로 전후면 전극을 스크린 프린팅으로 형성하고, 레이저를 이용하여 가장자리 부분에 잔존하는 이미터층을 제거한다. 제작된 태양전지의 셀효율은 Berger사의 셀효율 측정장비를 사용하여 측정하였다.

성능/효과

Δ[Oi] 값이 증가할수록 셀효율이 감소됨을 확인할 수 있으며, Low[Oi] 잉곳이 전반적으로 High[Oi] 잉곳에 비하여 셀효율이 약 0.2 % 높게 나타났고, 동일저항간 비교했을 때에도 Δ[Oi]의 값이 낮을수록 높은 셀효율을 나타냈다.
BMD는 산소석출물이 50개 이상 응집되어 형성된 마이크로미터 수준의 실리콘 결함을 말한다[7]. High[Oi] 잉곳의 바디 초반은 약 4000 ea/mm²의 높은 BMD 밀도를 나타냈으나 바디 중반, 후반으로 갈수록 감소하는 경향을 보였고, Low[Oi] 잉곳은 바디 초반 약 300 ea/mm², 중반 이후는 20 ea/mm² 이하로 High[Oi] 잉곳에 비해 현저히 낮은 BMD 밀도를 나타냈다. BMD 밀도는 Δ[Oi]와는 다르게 일정 [Oi] 이상에서 현저하게 높아지는 경향을 나타냈다.
Oi 농도를 다르게 하기 위하여 잉곳 성장방법을 달리한 두 개의 잉곳의 Oi 농도를 확인하기 위하여 FT-IR을 측정하였다(Fig. 1) 측정결과 High[Oi] 잉곳은 바디(Body) 초반(0 mm) 20 ppma에서 Tail 방향으로 갈수록 점점 감소하여 2000 mm에서 14.8 ppma를 나타냈다. 이러한 현상은 실리콘에 비해 높은 산소의 편석계수와 잉곳 성장에 따른 석영도가니와 실리콘 멜트(Melt) 간의 접촉면적 변화에 기인한다[6].
7 ppma 감소한 값을 나타냈다. 바디중반과 후반 또한 High[Oi] 대비 낮은 농도를 나타냈고, High[Oi]와 같이 웨이퍼 가장자리에서 Oi 농도가 감소하는 경향을 나타났다.
초기산소농도에 따른 Δ[Oi] 그래프는 “S”자형으로[14] 초기농도 15 ppma이하에서 급격하게 Δ[Oi]가 감소하는 경향을 보이고, 초기농도 11 ppma 이하에서는 Δ[Oi]가 0 ppma에 가깝게 나타났다. 반면 산소석출물이 50개 이상 응집되어 형성된 마이크로미터 수준의 실리콘 결함인 BMD는 초기산소농도가 감소함에 따라 급격하게 BMD 값이 감소하는 경향을 보였고, 14.5 ppma 이하에서 0 ea/mm²에 가깝게 나타났다. 이러한 결과로 봤을 때, BMD는 초기 14.
셀효율 저하를 유발하는 산소석출결함을 최소화하기 위하여 산소석출결함이 발생하지 않는 최적의 초기산소농도를 찾고자 하였고, 실험결과 11 ppma 이하에서 Δ[Oi],14.5 ppma 이하에서 BMD를 제어할 수 있음을 확인하였다.
초기 산소농도를 다르게 한, 두 개 잉곳의 산소석출결함 농도를 분석하였고, 그에 따른 셀효율의 영향을 확인하고자 하였다. 연구결과, 동일 저항간 비교했을 때 산소석출결함이 많은 잉곳의 셀효율이 0.1~0.2 %가량 하락함을 확인하였다. 이는 산소석출결함이 양전하와 재결합하여 P형 실리콘에서 lifetime을 감소시키고, 이에 따라 Jsc와 Voc가 감소하여 셀효율에 악영향을 주는 것으로 판단된다.
이러한 결과로 봤을 때 산소석출물은 양전하와 재결합하여 P형 실리콘에서 lifetime을 감소시키고[5, 11-13],이에 따라 Jsc와 Voc가 감소하여 셀효율에 악영향을 주는 것으로 판단된다. 따라서 높은 효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 낮은 [Oi]를 가진 잉곳의 웨이퍼를 사용하거나 잉곳성장과정 또는 셀 공정 중에서 산소석출물이 생기지 않도록 하는 노력이 필요할 것이다.
5 ppma 이하에서 0 ea/mm²에 가깝게 나타났다. 이러한 결과로 봤을 때, BMD는 초기 14.5 ppma의 웨이퍼를 사용했을 때 제어될 수 있으며 11 ppma 이하의 웨이퍼를 사용했을 때는 마이크로미터 이하의 산소석출물까지 제어할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 사용한 산화온도조건은 1000℃에서 16시간으로 오랜 시간 열처리를 하였기 때문에, 실제 셀 공정에 따라 다른 결과가 나타날 수도 있다.

후속연구

5 ppma 이하에서 BMD를 제어할 수 있음을 확인하였다. 이러한 연구결과는 향후 고품질 웨이퍼 개발에 있어 산소농도 스펙에 대한 근거로 활용될 수 있을 것이며 고효율 태양전지 개발에도 기여하게 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산소석출결함은 어떤 문제를 야기하는가?	산소불순물은 실리콘 결정 내에 Interstitial 자리에서 실리콘원자 두 개와 공유결합을 이루고 있으며,산소불순물의 농도가 일정치 이상이 되면 잉곳 성장과정이나 태양전지 공정에서 산소석출결함을 생성한다[2-4]. 일반적으로 산소석출결함은 양전하와 재결합하여 P형실리콘에서 lifetime을 감소시켜 셀효율에도 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다[5]. 그러나 산소석출결함과 셀효율의 상관성을 양산 공정 스케일에서 더욱 명확하게 밝힐 필요가 있으며, 산소석출결함이 발생하는 산소농도의 critical point를 찾을 필요성이 있다.
	산소불순물은 무엇을 생성하는가?	산소는 단결정 실리콘 성장법인 Cz(Czochralski) 법으로 성장시킨 실리콘의 주된 불순물로 Quartz 도가니로부터 발생된다. 산소불순물은 실리콘 결정 내에 Interstitial 자리에서 실리콘원자 두 개와 공유결합을 이루고 있으며,산소불순물의 농도가 일정치 이상이 되면 잉곳 성장과정이나 태양전지 공정에서 산소석출결함을 생성한다[2-4]. 일반적으로 산소석출결함은 양전하와 재결합하여 P형실리콘에서 lifetime을 감소시켜 셀효율에도 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다[5].
	산소석출결함이 셀효율의 영향에 미치는 영향을 연구한 결과는 무엇인가?	초기 산소농도를 다르게 한, 두 개 잉곳의 산소석출결함 농도를 분석하였고, 그에 따른 셀효율의 영향을 확인하고자 하였다. 연구결과, 동일 저항간 비교했을 때 산소석출결함이 많은 잉곳의 셀효율이 0.1~0.2 %가량 하락함을 확인하였다. 이는 산소석출결함이 양전하와 재결합하여 P형 실리콘에서 lifetime을 감소시키고, 이에 따라Jsc와 Voc가 감소하여 셀효율에 악영향을 주는 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

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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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