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문제 정의
- 이러한 표면조직화 공정 중 태양전지 양산 공정의 시간적인 면에서는 습식 식각법이 우수하지만, 표면 반사도를 낮추는 데는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 실리콘 기판의 표면 반사도를 낮추고 광흡수를 증가시키기 위하여 습식 식각법과 건식 식각법을 적용한 double texturing법에 대해 연구하고자 한다. Double texturing의 최적화를 위해서는 건식 식각 시 RF power 변화에 따른 표면 구조 형성하였고, 이를 적용한 결정질 실리콘 태양전지를 제조하여 그 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 따라서 본 논문에서는 실리콘 기판의 표면 반사도를 낮추고 광흡수를 증가시키기 위하여 습식 식각법과 건식 식각법을 적용한 double texturing법에 대해 연구하고자 한다. Double texturing의 최적화를 위해서는 건식 식각 시 RF power 변화에 따른 표면 구조 형성하였고, 이를 적용한 결정질 실리콘 태양전지를 제조하여 그 특성을 분석하였다.
- 본 실험에서는 습식 식각을 적용한 샘플로 건식 식각에서의 RF (radio frequency) power 변화 실험을 진행하였다. 사용된 기판은 boron이 도핑된 p-type 다결정 웨이퍼로서, 1∼3 Ω·cm의 비저항, 200 ㎛의 두께, 15.
- 6 cm2의 크기를 가진다. 먼저 기판 표면를 조직화하기 위해 HF(50%), HNO3(65%), CH3COOH(99%) 그리고 DI (deionized) water를 8:21:10:8 (vol)의 비율로 혼합하였다. 공정 시간 40초 동안 양쪽면이 식각되었고, 식각량은 한쪽 면을 기준으로 4.
- 시료 분석을 위해서는 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 표면을 관찰하였고, UV-VIS/NIR spectrophotometer를 사용하여 300∼1,200 nm의 파장 범위에서 반사도를 측정하였다.
- 한편, 건식 식각 공정에서는 SF6/O2 가스비 3:1, 공정 압력 250 mTorr, 공정 온도 20℃, 공정 시간 900초로 고정하고 RF power를 100, 150, 200, 250, 300W로 변화시켰다. 공정 조건은 표 1과 같다.
- 공정 조건은 표 1과 같다. 도핑공정은 POCl3 가스를 이용한 확산공정을 사용하였으며 pre-deposition 820℃에서 20분, drive-in 845℃에서 9분 동안 처리하여 50 Ω/ ⃞의 면저항을 갖는 도핑층을 얻었다.
- 이후 패시베이션 공정은 질소 (N2)가스 2,000sccm, 실란(SiH4)가스 80 sccm, 암모니아(NH3)가스 130 sccm를 혼합하여 실리콘 질화막을 증착하였고 공정 시간 93초, RF power 400 W, 공정 온도 400℃, 공정 압력 800 mTorr로 실험을 하였다. 전극 공정은 전면에 Ag paste와 후면에 Al paste를 스크린 프린팅하여 공정 온도 400-425-450-550-875℃에서 소성 공정하였다.
- )가스 130 sccm를 혼합하여 실리콘 질화막을 증착하였고 공정 시간 93초, RF power 400 W, 공정 온도 400℃, 공정 압력 800 mTorr로 실험을 하였다. 전극 공정은 전면에 Ag paste와 후면에 Al paste를 스크린 프린팅하여 공정 온도 400-425-450-550-875℃에서 소성 공정하였다. 태양전지 공정순서는 그림 2와 같다.
- 시료 분석을 위해서는 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 표면을 관찰하였고, UV-VIS/NIR spectrophotometer를 사용하여 300∼1,200 nm의 파장 범위에서 반사도를 측정하였다. 또한, WCT-120 장비를 사용하여 lifetime을 측정하였고, solar cell tester, QE (quantum efficiency)를 사용하여 I-V 및 QE를 관찰하였다.
- 하지만, 이러한 침상 형태의 표면 구조는 반사도의 감소에는 긍정적인 영향을 미치지만, 후속 공정인 PN 접합 공정에서는 불균일한 에미터층을 형성시킴으로써 반사방지막 공정에 영향을 주어 전극형성 및 소성과정 후 누설전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 이를 확인하기 위해 양면에 RIE 처리 및 실리콘 질화막을 증착하여 열처리 후의 반송자 수명을 측정하였다.
- 본 논문에서는 다결정 실리콘 태양전지의 반사도 감소를 위해 습식식각 후 RIE를 이용한 건식식각법을 적용하였다. RIE의 공정변수 중 하나인 RF power를 변화시켜 태양전지의 반사도, 표면 형상과 반송자 수명을 측정하고, 건식식각 공정이 표면의 구조와 표면에 어떠한 손상을 주는지 확인하였으며 이에 따른 태양전지의 효율변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 사용된 기판은 boron이 도핑된 p-type 다결정 웨이퍼로서, 1∼3 Ω·cm의 비저항, 200 ㎛의 두께, 15.6 × 15.6 cm2의 크기를 가진다.
이론/모형
- 본 논문에서는 다결정 실리콘 태양전지의 반사도 감소를 위해 습식식각 후 RIE를 이용한 건식식각법을 적용하였다. RIE의 공정변수 중 하나인 RF power를 변화시켜 태양전지의 반사도, 표면 형상과 반송자 수명을 측정하고, 건식식각 공정이 표면의 구조와 표면에 어떠한 손상을 주는지 확인하였으며 이에 따른 태양전지의 효율변화를 관찰하였다.
성능/효과
- 그림 4는 RF power가 증가할수록 표면 구조가 침상 형태가 된다는 사실을 보여준다. 즉, 텍스쳐된 구조의 높이가 높고 기울기가 클수록 표면 반사율이 감소하고, RF power가 250 W일 때 표면 조직화된 실리콘 웨이퍼의 평균 반사도는 6%로 가장 낮음을 확인하였다. 하지만, 이러한 침상 형태의 표면 구조는 반사도의 감소에는 긍정적인 영향을 미치지만, 후속 공정인 PN 접합 공정에서는 불균일한 에미터층을 형성시킴으로써 반사방지막 공정에 영향을 주어 전극형성 및 소성과정 후 누설전류를 발생시킬 수 있다.
- 그림 5는 RF power에 따른 RIE 공정 및 실리콘 질화막 증착 후 소수 반송자 수명과 반사도이다. 이 때, RF power가 증가함에 따라 반사도가 감소하다가 200W 이상에서는 다시 증가하는 경향을 보이며, 반송자 수명은 150 W까지는 증가하다가 200 W 이상에서 감소하는 것을 확인하였다. 즉, 그림 5와 같이 RF power150 W 이상에서는 침상 구조가 관찰되는데, 이는 RF power가 증가함에 따라 반응이 활발해져 에칭 속도가 증가한 것으로 판단되며, 이로 인해 표면 손상으로 인해 반송자 수명이 감소하는 것으로 판단된다 [10-12].
- 표 2는 태양전지의 전기적인 특성을 수치로 보여준다. 표면 조직화된 태양전지는 RF power가 100 W일 때 가장 높은 FF를 보였고, pFF 또한 가장 높은 값을 가졌다.
- 결과를 보면, 300∼400 nm의 파장에서는 100 W 조건에서 처리한 샘플의 EQE가 가장 높았는데, 이는 플라즈마에 의해 생성된 표면 손상이 적게 일어나 재결합 속도가 감소하여 가장 높은 EQE를 보였을 것이라고 판단된다.
- 하지만 350~1,100 nm의 파장에서는 RF power 150 W 조건에서 처리한 태양전지 EQE가 가장 높았고, 이는 표 2의 Isc와 그림 5의 반사도에서 알 수 있듯이 빛 흡수 증가에 따른 결과로 판단된다. 즉, RF power100 W 조건에서 표면 손상이 가장 적어 Voc가 가장 높았지만, 태양전지의 출력은 표면손상 뿐만 아니라 태양전지의 빛 흡수 또한 중요하기 때문에 RIE를 이용한 텍스쳐링의 최적화 공정 조건은 150 W임을 확인할 수 있었다.
- 결과적으로, RF power가 커짐에 따라 침상 구조가 생성되었다가 점차 사라지게 되는데 이 때, 실리콘 웨이퍼의 에칭 속도가 빨라져서 오히려 반사도가 감소하다가 증가하게 되고, 플라즈마에 의한 손상이 커져 반송자 수명이 줄어들게 된다. 이를 통해 150 W의 조건에서 가장 높은 효율 16.
- 결과적으로, RF power가 커짐에 따라 침상 구조가 생성되었다가 점차 사라지게 되는데 이 때, 실리콘 웨이퍼의 에칭 속도가 빨라져서 오히려 반사도가 감소하다가 증가하게 되고, 플라즈마에 의한 손상이 커져 반송자 수명이 줄어들게 된다. 이를 통해 150 W의 조건에서 가장 높은 효율 16.4%를 얻었고, 이 효율은 습식식각을 적용한 셀의 효율 16%에 비해 0.4%의 증가한 결과임을 확인하였다.
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