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문제 정의
- 본 논문에서는 공정의 단순성과 경제성뿐만 아니라 태양전지의 효율을 개선시키기 위해 두 웨이퍼를 용액을 이용해 접착시켜 텍스쳐링하는 웨이퍼 접착 텍스쳐링 방법(wafer adhesion texturing method)을 연구하였다. 먼저 태양전지용 다결정 실리콘 웨이퍼의 산(acid) 용액을 이용한 표준 텍스쳐링 공정의 최적화를 진행하였다.
제안 방법
- PSG 제거 후 반사방지막으로써 SiNX을 양산용PECVD 장비를 이용하여 모든 웨이퍼 전면에 증착하였다. 증착된 SiNX은 두께 75nm, 굴절률 2.
- 이어서 웨이퍼 표면에 남아있는 수분을 제거하기 위하여 80℃ 고온에서 10분 동안 웨이퍼 건조를 진행하였다. 건조 공정 후, 텍스쳐링 공정으로 웨이퍼 표면에 생성된 다공성(porosity) 구조의 상태를 확인하기 위해 컬러 3D 레이저 현미경 장비(KEYENCE, VK-9700K)를 이용하여 웨이퍼 표면을 관찰하였다.
- 건조된 웨이퍼를 인(Phosphorus, P)이 함유된 POCl3 가스 및 tube furnace 장비를 이용하여 열 확산(thermal diffusion) 방식으로 웨이퍼 표면에 n형 에미터를 형성하였다. 웨이퍼 표면에 형성된 인실리케이트글라스(Phosphorus Silicate Glass, PSG)를 제거하기 위해 웨이퍼를 5% HF 용액에 3분간 처리하였다.
- %) 비율로 희석하여 제조하였다. 공정 중 발생하는 다량의 증기(fume)를 최소화시키고 식각량 및 미세공(pore) 크기의 최적화 조건을 찾기 위하여 공정 온도 7, 10, 13℃에서 100, 150, 200초 동안 텍스쳐링 공정을 진행하였으며, 혼합 용액의 온도는 칠러(chiller) 장비를 사용하여 낮은 공정 온도를 유지하였다.
- 또한 웨이퍼 접착 방식을 이용한 텍스쳐링 및 에미터 형성 공정으로 제작한 태양전지와 표준 방식으로 제작한 태양전지의 효율을 비교·분석하였다.
- 마지막으로 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비(AMAT, P-5000)를 사용하여 웨이퍼 양면에 100nm 질화막(Silicon Nitride, SiNX)을 증착하였다.
- 본 논문에서는 공정의 단순성과 경제성뿐만 아니라 태양전지의 효율을 개선시키기 위해 두 웨이퍼를 용액을 이용해 접착시켜 텍스쳐링하는 웨이퍼 접착 텍스쳐링 방법(wafer adhesion texturing method)을 연구하였다. 먼저 태양전지용 다결정 실리콘 웨이퍼의 산(acid) 용액을 이용한 표준 텍스쳐링 공정의 최적화를 진행하였다. 최적화 공정 조건을 찾기위하여, 텍스쳐링 공정의 온도 및 시간에 따른 소수캐리어 수명(minority carrier lifetime) 및 반사율(reflectivity)을 측정하여 비교·분석하였다.
- 6은 텍스쳐링 공정 시간에 따른 웨이퍼 표면의 상태를 보여주며, Table 2는 텍스쳐링 공정 시간에 따른 웨이퍼의 식각량, 반사율, pore 높이를 나타낸다. 반사율 측정은 텍스쳐링 공정 및 추가적인 SiNX 증착 후 이루어졌다.
- 본 연구에서는 다결정 실리콘 태양전지의 생산성 증가와 생산비용 감소를 위해 웨이퍼 접착 방식을 이용하여 텍스쳐링 및 n형 에미터 형성 공정을 진행하였으며, 156x156mm 태양전지를 제작한 후 웨이퍼 접착 유무에 따른 효율을 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 먼저 다결정 실리콘 웨이퍼의 표준 텍스쳐링 공정 최적화를 위한 실험을 수행하였으며, Fig. 1은 그 순서를 나타낸다.
- 소성 조건은 벨트 속도 110㎜/s, 온도 975℃ 이다. 소성 공정 후, 태양전지 측면에서의 불순물에 의한 누설전류를 방지하기 위해 다이아몬드 줄을 이용한 물리적 방식으로 p-n 접합 분리(edge isolation)를 진행하였다.
- 실험 3.1에서 표준 방식 텍스쳐링의 최적의 공정 조건은 7℃/150초이었으며, 이 공정 조건으로 웨이퍼 접착 방식 텍스쳐링 공정을 수행하였다.
- 완성된 시료들의 소수캐리어 수명과 반사율은 QSSPC (Quasi-Steady-Steady-State-Photoconductance) 장비(Sinton, VCT-120)와 UV-Vis Spectrometer (JASCO, V-670) 장비를 사용하여 측정하였다.
- 완성된 태양전지의 특성을 분석하기 위해 solar simulator 장비를 이용하여 25℃, AM1.5G 조건에서 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 곡선인자(FF), 변환효율(efficiency) 값들을 측정하였다.
- 최적화 공정 조건을 찾기위하여, 텍스쳐링 공정의 온도 및 시간에 따른 소수캐리어 수명(minority carrier lifetime) 및 반사율(reflectivity)을 측정하여 비교·분석하였다.
- 텍스쳐링 공정 시 발생하는 금속 불순물 제거를 위해 1차 세정 공정을 5% 염산(HCl) 용액을 사용하여 상온에서 60초 동안 진행하였다. 또한 웨이퍼 표면에 생성된 얇은 산화막을 제거하기 위해 2차 세정 공정을 5% HF 용액을 사용하여 상온에서 60초 동안 진행하였다.
- 텍스쳐링 공정 후, 중성화 공정, 세정 공정 등은 실험 2.1에서와 동일하게 진행하였으며, 모든 습식 공정 후에는 5분 동안의 DIW Rinse를 진행하였다.
- 텍스쳐링 공정으로 웨이퍼 표면에 생성된 화학적 불순물과 얼룩을 제거하고, n형 에미터(emitter) 형성 공정 후의 면저항(sheet resistance) 균일도 향상을 위해 중성화(neutralization) 공정을 5% 수산화칼륨(KOH) 용액을 사용하여 상온에서 70초 동안 진행하였다.
- 텍스쳐링 공정은 산 용액을 이용한 습식 방식으로 진행하였으며, 사용된 혼합 용액은 질산(HNO3), 불산(HF), 초순수(De-Ionized Water, DIW)을 각각 21 : 8 : 16 (vol. %) 비율로 희석하여 제조하였다. 공정 중 발생하는 다량의 증기(fume)를 최소화시키고 식각량 및 미세공(pore) 크기의 최적화 조건을 찾기 위하여 공정 온도 7, 10, 13℃에서 100, 150, 200초 동안 텍스쳐링 공정을 진행하였으며, 혼합 용액의 온도는 칠러(chiller) 장비를 사용하여 낮은 공정 온도를 유지하였다.
- 표준 방식 텍스쳐링 공정과 웨이퍼 접착 방식 텍스쳐링 공정을 이용하여 표준 스크린 프린트 방식으로 진행하였다.
- 1에서 검증된 최적화된 공정 조건으로 진행하였다. 표준 방식과 접착 방식으로 HNO3 : HF : DIW = 21 : 8 : 16 (vol. %) 비율의 혼합 용액을 사용하여 공정 온도 7℃에서 150초 동안 진행하였다.
대상 데이터
- 실험을 위하여 붕소(Boron, B)가 도핑된 CZ p형 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 사양은 비저항(resistivity) 1~3.0Ωcm, 두께 200±20㎛, 크기 156×156mm 였다.
- 태양전지 제작을 위하여 실험 2.1에서 사용한 것과 동일한 웨이퍼를 사용하였다.
이론/모형
- The wafer surface images of the multi-crystalline silicon wafers according to the wafer adhesion texturing method.
성능/효과
- 공정 시간 150초 조건에서 텍스쳐링 공정을 진행한 웨이퍼에 n형 에미터 형성 후 측정한 소수캐리어 수명은 7℃ 조건에서 8.75㎲로 가장 높았으며, 텍스쳐링 공정 온도가 높아짐에 따라 소수캐리어 수명이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한, SiNX 증착 후 소수캐리어 수명을 측정한 결과 역시 7℃ 조건에서 17.
- 공정 온도가 높을수록 웨이퍼 식각량 및 표면의 pore 크기가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Fig.
- 21㎲로 가장 높은 값을 보였다. 그러므로 텍스쳐링 공정 온도는 7℃ 정도가 가장 적합할 것으로 판단되며, 텍스쳐링 공정 온도를 낮게 가져가는 것이 높은 소수캐리어 수명을 보이므로 태양전지 제조 후 변환효율이 더 높을 것으로 예상된다.
- 공정 온도가 높을수록 웨이퍼 식각량 및 표면의 pore 크기가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Fig. 4의 (a)와 Table 1의 (a)를 통하여 7℃에서 150초 동안 텍스쳐링 공정을 진행한 다결정 실리콘 웨이퍼의 경우 0.65g 식각되며, 표면에도 6.37㎛ 정도의 균일한 pore 구조가 형성됨을 확인할 수 있었다. 이 결과를 토대로 양산 텍스쳐링 공정과 비슷한 웨이퍼 식각량과 균일한 pore 크기를 보이는 공정 온도 7℃가 최적 조건으로 판단된다.
- 1% 정도 효율이 향상되었다. 또한 단일 공정 진행을 통한 텍스쳐링 및 에미터 형성 공정의 생산성이 약 2배 향상될 것으로 예상된다. 따라서 기존의 표준 공정보다 효율 향상뿐만 아니라 생산성 증가에 따른 제조원가 감소를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
- 산 용액을 이용한 다결정 실리콘 웨이퍼의 최적화된 텍스쳐링 공정 조건은 7℃, 150초 이었으며, 웨이퍼 접착 방식으로 제조한 다결정 실리콘 태양전지는 Jsc 32.87㎃/㎠, Voc 0.612V, FF 78.04%, efficiency 15.71%를 얻을 수 있었으며, 기존의 표준 공정보다 0.1% 정도 효율이 향상되었다.
- 웨이퍼 접착 방식 텍스쳐링 공정을 이용한 태양전지는Jsc 32.87㎃/㎠, Voc 0.612V, FF 78.04%, efficiency 15.71%를 얻을 수 있었으며, 상대적으로 표준 방식 텍스쳐링 공정으로 제작된 태양전지 보다 변환효율이 0.1%가 높았다. Jsc 및 Voc는 비슷한 값을 보였으며, FF는 다소 증가되었다.
- 이 결과를 토대로 양산 텍스쳐링 공정과 비슷한 웨이퍼 식각량과 균일한 pore 크기를 보이는 공정 온도 7℃가 최적 조건으로 판단된다.
- 92%로 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 토대로 양산 텍스쳐링 공정의 웨이퍼 식각량과 비슷한 결과와 균일한 pore 높이를 보이는 150초가 공정 시간으로 적합할 것으로 판단된다.
- 텍스쳐링 공정 시간이 증가할수록 웨이퍼 식각량 및 반사율은 증가하였고, 표면의 pore 높이는 감소하는 것을 알 수 있었다. 텍스쳐링 공정 후 반사율은 100초 조건에서 26.
- 텍스쳐링 공정 시간이 증가할수록 웨이퍼 식각량 및 반사율은 증가하였고, 표면의 pore 높이는 감소하는 것을 알 수 있었다. 텍스쳐링 공정 후 반사율은 100초 조건에서 26.88%로 가장 낮았지만, SiNX 증착 후에는 150초 조건에서 10.92%로 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 토대로 양산 텍스쳐링 공정의 웨이퍼 식각량과 비슷한 결과와 균일한 pore 높이를 보이는 150초가 공정 시간으로 적합할 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 단일 공정 진행을 통한 텍스쳐링 및 에미터 형성 공정의 생산성이 약 2배 향상될 것으로 예상된다. 따라서 기존의 표준 공정보다 효율 향상뿐만 아니라 생산성 증가에 따른 제조원가 감소를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
- 이와 같이 전면에는 표준 방식 텍스쳐링 공정과 비슷한 크기의 pore들이 균일하게 형성되었으며, 접착면인 후면에서는 전면 보다 pore 크기가 작게 형성되었다. 후면의 작은 pore 구조로 인하여, 태양전지에서 후면 금속을 형성할 때, 보다 균일한 BSF층을 형성하는데 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
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