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문제 정의
- 본 논문에서는 태양전지의 변환 효율을 개선시키기 위해 표면 구조와 반사방지막의 열처리 공정에 대한 연구를 하였다. 피라미드 구조를 식각하여 균일한 도핑 및 전극 형성이 용이하게 하였다.
- RIE 텍스쳐링 공정된 태양전지와 태양전지의 표면 구조 및 반사방지막 열처리 공정으로 효율을 개선한 태양전지를 제작하여 특성을 비교 분석하였다. 본 논문에서는, RIE 텍스쳐링 을 이용한 태양전지 제작 공정을 보완하여 태양전지의 표면 구조 및 열처리 공정으로 효율을 개선하기 위한 연구를 하였다. RIE 텍스쳐링으로 형성된 피라미드 구조를 식각하여 균일한 도핑 및 전극 형성이 용이하게 하였다.
- 본 논문에서는, 일반적인 태양전지 제작 공정을 보완하여 태양전지의 표면구조 및 열처리 공정으로 효율을 개선하기 위한 연구를 하였다. 먼저 피라미드 구조를 형성하기 위해 SDR된 표면에 RIE로 텍스쳐링을 하였다.
제안 방법
- RIE 텍스쳐링 공정된 태양전지와 태양전지의 표면 구조 및 반사방지막 열처리 공정으로 효율을 개선한 태양전지를 제작하여 특성을 비교 분석하였다. 본 논문에서는, RIE 텍스쳐링 을 이용한 태양전지 제작 공정을 보완하여 태양전지의 표면 구조 및 열처리 공정으로 효율을 개선하기 위한 연구를 하였다.
- 2 mm2의 (100)면을 가지는 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. RIE 텍스쳐링 공정은 Table 1의 공정조건으로 진행하였으며, 태양전지의 특성을 비교하기 위하여 태양전지 제작 공정 중 RIE 텍스쳐링 공정, n+ 형성과 반사방지막 공정, 하부 전극 형성 공정은 동일하게 제작하였다.
- RIE 텍스쳐링 후 이온 충돌로 생긴 표면손상을 제거하고 부드러운 피라미드 구조를 형성하기 위해서 HND용액(HF, HNO3, D.I water의 혼합액)을 사용하여 표면을 식각하였다. HND 용액과 실리콘의 반응은 아래 식과 같다.
- 오븐에서 paste를 5분 정도 건조한 후 850℃에서 소성 공정으로 후면전계(back surface field, BSF)를 형성하였다. 그 다음 전면에 반사 방지막을 증착한 후 최적화 된 공정으로 열처리를 하였으며, Fig. 3과 같이 전면 전극을 형성하였다. 사진식각공정으로 전면 전극이 형성될 부분의 반사방지막을 노출시킨 후, RIE로 반사방지막을 식각하였다.
- 그리고 반사방지막 형성 후 열처리를 하여 소수 캐리어 수명을 증가시켰으며, 증가된 소수 캐리어 수명을 유지시키기 위해 스크린 인쇄법 대신 Au 도금 공정으로 전면 전극을 형성하였다. 그 후 위와 같은 방법으로 제작된 태양전지와 일반적인 태양전지를 비교 분석하였다.
- 먼저 피라미드 구조를 형성하기 위해 SDR된 표면에 RIE로 텍스쳐링을 하였다. 그리고 균일한 도핑과 전극 형성을 용이하게 하는 부드러운 피라미드 구조를 형성하기 위해 HND(HF : HNO3 : D.I. water = 5 : 100 : 100) 용액을 사용하여 표면을 식각하였다. 특히 도핑을 균일화하여 누설전류를 감소시킬 수 있었다.
- water = 5 : 100 : 100) 300초를 적용하였다. 그리고 반사방지막 열처리 공정은 소수 캐리어 수명과 반사율 값을 참고하여 450℃에서 30 분간 열처리공정을 적용하고 Au 도금 공정 전극을 형성하여 제작되었다. 이렇게 제작된 일반적인 태양전지와, 두 가지 공정의 변경으로 누설전류의 영향을 감소시켜 최종적으로 효율을 개선한 태양전지의 단락전류밀도, 개방전압, 곡선인자, 변환효율과 같은 태양전지 특성을 비교 분석하였다.
- 피라미드 구조를 식각하여 균일한 도핑 및 전극 형성이 용이하게 하였다. 그리고 반사방지막 형성 후 열처리를 하여 소수 캐리어 수명을 증가시켰으며, 증가된 소수 캐리어 수명을 유지시키기 위해 스크린 인쇄법 대신 Au 도금 공정으로 전면 전극을 형성하였다. 그 후 위와 같은 방법으로 제작된 태양전지와 일반적인 태양전지를 비교 분석하였다.
- 분위기의 퍼니스 장비를 이용하여 350℃~550℃의 온도구간에서 각각30분 및 45분간 열처리 실험을 하였다. 그리고 열처리 후 소수 캐리어 수명과 반사율을 측정하여 반사방지막 열처리 조건을 최적화하였다.
- Seed-layer는 e-beam evaporator를 이용하여 최적화된 조건인 Ti 20/Ni 70/Au 8 Å의 두께로 증착하였다. 그후 lift-off 공정으로 seed-layer를 형성하였으며, Au 도금 공정을 하여 전면전극을 제작하였다. Au 도금 공정은 일반적인 태양전지와 같은 두께인 15 μm로 형성하였다.
- 2에 따라 일반적인 피라미드 구조의 표면에 스크린 인쇄법으로 전극을 형성하였다. 누설전류에 대한 영향을 감소시킨 태양전지는 반사율과 직렬저항 그리고 IO 값의 결과를 토대로 부드러운 피라미드 구조 형성의 최적화된 조건인 HND(HF : HNO3 :D.I. water = 5 : 100 : 100) 300초를 적용하였다. 그리고 반사방지막 열처리 공정은 소수 캐리어 수명과 반사율 값을 참고하여 450℃에서 30 분간 열처리공정을 적용하고 Au 도금 공정 전극을 형성하여 제작되었다.
- 도핑농도는 약 1020cm−3 이상부터는 효율이 저하되므로 5 × 1020cm−3 이하의 도핑농도를 적용하였으며, 퍼니스(furnace) 에서 POCl3 가스를 이용하여 약 50 Ω/□의 면저항을 가지는 에미터 층을 형성하였다.
- 특히 도핑을 균일화하여 누설전류를 감소시킬 수 있었다. 또한, 소수 캐리어 수명을 향상 및 유지하기 위해 반사방지막을 열처리 하여 향상된 소수 캐리어 수명을 유지하기 위해 고온 소성 공정이 없는 Au 도금 공정으로 전면전극을 형성하였다. 이러한 두 가지 공정을 변경하여 누설전류의 영향을 줄이고 나아가서는 변환 효율의 증대 또한 확인할 수 있었다.
- 그리고 반사방지막 형성 후 열처리를 하여 소수 캐리어 수명을 증가시켰으며, 이렇게 증가된 소수 캐리어 수명은 누설전류를 감소시킬 수 있다. 마지막으로 증가된 소수 캐리어 수명을 유지시키기 위해 스크린 인쇄법 대신 Au 도금 공정으로 전면 전극을 형성하였다. 그 후 위와 같은 방법으로 제작된 태양전지와 일반적인 태양전지를 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는, 일반적인 태양전지 제작 공정을 보완하여 태양전지의 표면구조 및 열처리 공정으로 효율을 개선하기 위한 연구를 하였다. 먼저 피라미드 구조를 형성하기 위해 SDR된 표면에 RIE로 텍스쳐링을 하였다. 그리고 균일한 도핑과 전극 형성을 용이하게 하는 부드러운 피라미드 구조를 형성하기 위해 HND(HF : HNO3 : D.
- 반사방지막 증착 후 소수 캐리어 수명을 개선시키기 위해 열처리를 하였다. Fig.
- 반사방지막 증착 후 소수 캐리어 수명을 극대화하기 위하여 N2 분위기의 퍼니스 장비를 이용하여 350℃~550℃의 온도구간에서 각각30분 및 45분간 열처리 실험을 하였다. 그리고 열처리 후 소수 캐리어 수명과 반사율을 측정하여 반사방지막 열처리 조건을 최적화하였다.
- 하지만 고온의 소성 공정을 하게 되면 소수 캐리어 수명이 감소된다. 본 실험에서는 반사방지막 열처리를 통해 극대화된 소수 캐리어 수명을 유지시키기 위해서, 전면 전극을 도금 공정을 이용하여 형성하였고, 후면은 일반적인 태양전지와 동일하게 스크린 인쇄법을 이용하여 전극을 형성하였다.
- 부드러운 피라미드 구조 형성 및 반사방지막 열처리 후 도금 공정으로 전극을 형성하여 태양전지를 제작하였다. 먼저, Reference cell로는 Fig.
- 3과 같이 전면 전극을 형성하였다. 사진식각공정으로 전면 전극이 형성될 부분의 반사방지막을 노출시킨 후, RIE로 반사방지막을 식각하였다.
- 식각 표면의 상태에 따른 p-n 접합의 전기적 특성을 측정하기 위하여 다이오드를 제작하여 특성을 비교하였다. Fig.
- Au 도금 공정은 일반적인 태양전지와 같은 두께인 15 μm로 형성하였다. 이렇게 두 종류의 태양전지를 제작한 후 태양전지에 대한 특성을 측정 및 비교하였다.
- 그리고 반사방지막 열처리 공정은 소수 캐리어 수명과 반사율 값을 참고하여 450℃에서 30 분간 열처리공정을 적용하고 Au 도금 공정 전극을 형성하여 제작되었다. 이렇게 제작된 일반적인 태양전지와, 두 가지 공정의 변경으로 누설전류의 영향을 감소시켜 최종적으로 효율을 개선한 태양전지의 단락전류밀도, 개방전압, 곡선인자, 변환효율과 같은 태양전지 특성을 비교 분석하였다.
- 전극 공정 순서로 먼저 웨이퍼 후면 전체에 Al paste를 바른 후 스크린 인쇄법으로 전극을 형성하였다. 오븐에서 paste를 5분 정도 건조한 후 850℃에서 소성 공정으로 후면전계(back surface field, BSF)를 형성하였다.
- water는 촉매역할을 한다[16]. 표면에 형성된 피라미드의 크기를 고려하여 낮은 식각율을 가진 HND 용액이 필요하므로, Table 2의 HND 용액 비율에 따라서 실험을 진행하여, 표면을 식각하기 위한 HND 용액 조건을 최적화하였다
대상 데이터
- 다음으로 Au 도금 공정 전 seed-layer를 증착하였다. Seed-layer는 e-beam evaporator를 이용하여 최적화된 조건인 Ti 20/Ni 70/Au 8 Å의 두께로 증착하였다. 그후 lift-off 공정으로 seed-layer를 형성하였으며, Au 도금 공정을 하여 전면전극을 제작하였다.
- 기판은 p-type, 비저항 0.5 ~ 3Ω·cm, 두께 200 μm, 크기 31.2 × 31.2 mm2의 (100)면을 가지는 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
- 사용된 금속망은 SUS(stainless 304) 재질에 직경 150 μm의 원형 구멍이 형성되어 있다.
- 식각된 표면에 피라미드 구조를 형성하기 위해 Table 1의 공정조건에 따라 RIE 텍스쳐링 하였다. 실험에 사용된 RIE는 ㈜울텍에서 제작한 금속 망(metal mesh)을 사용한 장비로 Fig. 1에 개략적 구조를 나타내었다. 사용된 금속망은 SUS(stainless 304) 재질에 직경 150 μm의 원형 구멍이 형성되어 있다.
성능/효과
- IO의 영향을 감소시킨 태양전지 직렬저항이 감소되었을 뿐만 아니라 개방전압과 단락전류 특성이 증가되었기 때문에 곡선인자의 특성이 향상되었다. Reference cell이 67.
- 본 논문에서는, RIE 텍스쳐링 을 이용한 태양전지 제작 공정을 보완하여 태양전지의 표면 구조 및 열처리 공정으로 효율을 개선하기 위한 연구를 하였다. RIE 텍스쳐링으로 형성된 피라미드 구조를 식각하여 균일한 도핑 및 전극 형성이 용이하게 하였다. 그리고 반사방지막 형성 후 열처리를 하여 소수 캐리어 수명을 증가시켰으며, 이렇게 증가된 소수 캐리어 수명은 누설전류를 감소시킬 수 있다.
- 의 영향을 감소시킨 태양전지 직렬저항이 감소되었을 뿐만 아니라 개방전압과 단락전류 특성이 증가되었기 때문에 곡선인자의 특성이 향상되었다. Reference cell이 67.49%이고 누설전류의 영향을 감소시킨 태양전지는 68.88%로 약 1% 이상 증가된 것을 확인하였다. 변환 효율은 단락전류, 개방전압, 곡선인자에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었으며, 모든 요소에서 향상된 누설전류에 대한 영향을 감소시킨 태양전지가 17.
- 반사방지막을 증착했을 때의 소수 캐리어 수명은 약 12 μs였다. 그리고 30 분 열처리를 했을 때 소수 캐리어 수명이 증가하는 것을 확인하였다. 그 중에서도 450℃ 에서 30분간 열처리를 하였을 때 40 μs로 가장 높은 값을 가졌고, 이는 반사방지막의 수소기가 실리콘 dangling bond들과 결합하여 재결합확률을 감소시켰기 때문에 소수 캐리어 수명이 증가하였다.
- 하지만 소성 공정 후 결합된 수소기가 다시 빠져나가게 되면서 소수 캐리어 수명이 재 감소되므로 고온의 소성 공정의 제외하는 것이 필요하다. 그리고 450℃에서 30분간 열처리를 하였을 때 평균 반사율 또한 가장 감소하였으므로 열처리 공정을 최적화할 수 있었다.
- 58%로 반사율이 낮아졌다. 그리고 HND 300 초 후의 반사율은 9.66%로 조금 증가했지만 10% 미만의 반사율을 가졌고, HND 500초 후의 반사율은 12.14%로 상대적으로 높은 반사율 값을 가지는 것을 확인하였다.
- 이러한 두 가지 공정을 변경하여 누설전류의 영향을 줄이고 나아가서는 변환 효율의 증대 또한 확인할 수 있었다. 그리하여 일반 태양전지의 변환효율인 15.89%와 비교했을 때 17.24%의 변환효율을 가진 고효율의 태양전지를 제작할 수 있었다.
- Table 3은 일반적인 태양전지와, 효율을 개선한 태양전지의 특성을 나타내었다. 누설전류에 대한 영향을 감소시킨 태양전지의 단락전류밀도는 41.34 A/m2로 40.66 A/m2의 일반적인 태양전지에 비해 0.68 A/m2 증가된 것을 확인하였다. 이는 표면의 반사율은 증가하였지만, 직렬저항이 낮아졌을 뿐만 아니라 소수 캐리어 수명이 높아져서 수집되는 캐리어 수가 증가되었기 때문이다.
- 88%로 약 1% 이상 증가된 것을 확인하였다. 변환 효율은 단락전류, 개방전압, 곡선인자에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었으며, 모든 요소에서 향상된 누설전류에 대한 영향을 감소시킨 태양전지가 17.24%로 reference cell에 비해 1.35% 증가된 것을 확인하였다.
- water = 1 : 100 : 100의 비율로 200초와 400초 동안 식각했을 때의 표면이다. 식각 시간을 두 배 증가시켰음에도 불구하고 HF의 비율이 낮아서 표면의 상태가 크게 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 이 때의 I0값 또한 HND 300초가 2.33 × 10−5 A로 가장 낮은 값을 나타냈으며, 반사율이 증가했지만, 측정된 I0값과 직렬저항으로 미루어볼 때 HND 300 초의 표면이 다이오드, 즉 태양전지의 제작에 알맞은 표면임을 확인하였다.
- 또한, 소수 캐리어 수명을 향상 및 유지하기 위해 반사방지막을 열처리 하여 향상된 소수 캐리어 수명을 유지하기 위해 고온 소성 공정이 없는 Au 도금 공정으로 전면전극을 형성하였다. 이러한 두 가지 공정을 변경하여 누설전류의 영향을 줄이고 나아가서는 변환 효율의 증대 또한 확인할 수 있었다. 그리하여 일반 태양전지의 변환효율인 15.
- 이는 표면의 반사율은 증가하였지만, 직렬저항이 낮아졌을 뿐만 아니라 소수 캐리어 수명이 높아져서 수집되는 캐리어 수가 증가되었기 때문이다. 일반적인 태양전지의 개방전압은 0.579 V였고, 누설전류의 영향을 감소시킨 태양전지의 개방전압은 0.6055 V로 reference cell에 비해 증가된 것을 확인하였다. 개방전압은 단락전류를 포함하고 있기 때문에 단락전류가 증가하면 개방전압 또한 증가하게 된다.
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