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고효율 다결정 실리콘 태양전지 제작을 위한 나노크기의 피라미드 텍스쳐 제작
Nanoscale Pyramid Texture for High Efficiency Multi-Crystalline Silicon Solar Cells 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.5 no.1, 2017년, pp.25 - 27  

허종 (한국생산기술연구원 광에너지융합그룹) ,  박민준 (한국생산기술연구원 광에너지융합그룹) ,  지홍섭 (한국생산기술연구원 광에너지융합그룹) ,  김진혁 (전남대학교 신소재공학과) ,  정채환 (한국생산기술연구원 광에너지융합그룹)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Nanoscale textured black silicon has attracted intensive attention due to its great potential as applications in multicrystalline silicon-based solar cells. It absorbs sunlight over a broad range of wavelengths but introduces large recombination centers, non-uniform doping into cell. In this study, ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 5은 나노사이즈 피라미드의 유무에 따른 광학적 특성 변화를 분석한 데이터이다. 나노사이즈 피라미드를 제작하지 않은 기판과 제작한 기판에 각각 PE-CVD 공정을 이용하여 80 nm 두께의 반사방지막 코팅을 진행 한 후 반사율을 측정하였다. 그 결과, 나노사이즈 피라미드를 제작하지 않은 기판의 경우 350~1050 nm 파장대 영역에서 9.
  • 제작된 나노 피라미드 구조는 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, FEI)을 이용하여 분석하였다. 또한, 제작된 나노 피라미드의 광특성을 분석하기 위하여 Perkin Elmer Lambda 750 UV/Vis/NIR spectrophotometer를 적분구와 함께 이용하여 측정하였다.
  • 본 연구에서는 공정비용이 저렴한 무전해 식각법과 추가적인 alkali-based 식각법을 이용하여 mc-Si 기판에 나노크기의 피라미드 구조체를 성공적으로 제작하였다. 나노크기의 피라미드구조체는 장파장 영역에서의 광반사율을 크게 감소시키는 것으로 분석되었다.
  • 이에 본 연구에서는, 값비싼 진공장비 없이 wet-hood 안에서 공정이 진행되는 무전해 식각법과 추가적인 alkali-based 식각법을 통하여 mc-Si 표면에 나노사이즈의 피라미드 구조체를 제작하였다. 이를 통하여 균일한 상부전극 형성이 가능하며, mc-Si 태양전지의 단점인 낮은 광흡수율도 높일 수 있는 나노사이즈 피라미드 구조체 최적화 연구를 실행하였다.
  • 이에 본 연구에서는, 값비싼 진공장비 없이 wet-hood 안에서 공정이 진행되는 무전해 식각법과 추가적인 alkali-based 식각법을 통하여 mc-Si 표면에 나노사이즈의 피라미드 구조체를 제작하였다. 이를 통하여 균일한 상부전극 형성이 가능하며, mc-Si 태양전지의 단점인 낮은 광흡수율도 높일 수 있는 나노사이즈 피라미드 구조체 최적화 연구를 실행하였다.
  • 입사광의 흡수율을 극대화하기 위하여 plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) 을 이용하여 반사방지막 층을 증착하였다. 본 실험에 적용된 반사방지막은 80 nm 두께의 SiNX:H 박막으로 2.

대상 데이터

  • 200 μm 두께의 mc-Si 웨이퍼(ρ=0.5-3.0 Ω · cm)를 40×40 mm2 크기로 잘라 기판을 준비하였다.
  • 입사광의 흡수율을 극대화하기 위하여 plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) 을 이용하여 반사방지막 층을 증착하였다. 본 실험에 적용된 반사방지막은 80 nm 두께의 SiNX:H 박막으로 2.1의 굴절률을 가지며, 이는 최적화된 조건으로 보고되어 있다9).

데이터처리

  • 제작된 나노 피라미드 구조는 field emission scanning electron microscope (FE-SEM, FEI)을 이용하여 분석하였다. 또한, 제작된 나노 피라미드의 광특성을 분석하기 위하여 Perkin Elmer Lambda 750 UV/Vis/NIR spectrophotometer를 적분구와 함께 이용하여 측정하였다.

이론/모형

  • 표면의 나노사이즈 피라미드 구조는 wet-based 공정으로 Ag nano particle을 이용한 무전해 식각법과 KOH를 이용한 추가적인 alkali-based 식각법을 통하여 제조되었다. 200 μm 두께의 mc-Si 웨이퍼(ρ=0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
multi-crystalline silicon의 단점을 극복하기 위해 사용되는 방법은 무엇인가? 이러한 단점을 극복하기 위하여, 최근 레이저 식각법4), reactive ion 식각법5), 무전해 식각법6) 등을 이용하여 광반사율이 0%에 가까운 nano-textured black multi-crystalline silicon (Bmc-Si)이 각광받고 있다. 이러한 nano-textured Bmc-Si은 높은 광흡수율을 갖지만, 그에 따른 surface recombination center의 증가로 실질적인 태양전지 효율 증가에 크게 영향을 미치지 못한다.
multi-crystalline silicon은 광반사율이 높게 나타나는 이유는 무엇인가? 이중 multi-crystalline silicon (mc-Si) 을이용한 태양전지는 전체 실리콘 태양광 시장의 70%를 차지하고 있지만, mc-Si이 갖는 다수의 grain boundary와 상부 textured surface의 낮은 광흡수율로 인하여 single-crystalline silicon(sc-Si) 태양전지에 비해 ~2% 낮은 광전환 효율을 보인다. mc-Si의 경우, sc-Si과 달리 isotropic alkali etching을 이용한 마이크로 사이즈의 피라미드 texturing이 불가하기 때문에 광반사율이 높게 나타난다. 이로 인하여, 표면 texturing과 반사방지막 코팅을 포함한 경우, sc-Si 태양전지의 광반사율은 350~1050 nm 파장대 영역에서 ~5%정도 이지만 mc-Si 태양전지의 광반사율은 10%이상을 보인다1-3).
실리콘을 태양광 시장에 많이 사용하는 이유는 무엇인가? 실리콘 (Si)은 충분한 매장량과 낮은 유해성으로 인해 태양광산업에서 가장 각광받고 있는 물질로 전체 태양광 시장의 90%이상을 차지하고 있다. 이중 multi-crystalline silicon (mc-Si) 을이용한 태양전지는 전체 실리콘 태양광 시장의 70%를 차지하고 있지만, mc-Si이 갖는 다수의 grain boundary와 상부 textured surface의 낮은 광흡수율로 인하여 single-crystalline silicon(sc-Si) 태양전지에 비해 ~2% 낮은 광전환 효율을 보인다.
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참고문헌 (9)

  1. C. Battaglia, A. Cuevas, S. D. Wolf, "High-efficiency crystalline silicon solar cells : status and perspectives" Energy Environ, Sci., Vo1. 9, pp. 1552-1576, 2016. 

  2. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta and E. D. Dunlop, "Solar cell efficiency tables" Prog. Photovoltaics, Vol. 24, pp. 3-11, 2016. 

  3. X. Ye, S. Zou, K. Chen, J. Li, J. Huang, F. Cao, X. Wang, L. Zhang, X. F. Wang, M. Shen, X. Su, "18.45%-efficiency multi-crystalline silicon solar cells with novel nanoscale pseudo-pyramid texture" Adv. Funct. Mater., Vol. 24, pp. 6708-6716, 2014. 

  4. T. H. Her, R. J. Finlay, C. Wu, S. Deliwala, E. Mazur, "Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses" Appl. Phys. Lett., Vol. 73, pp. 1673-1675, 1998. 

  5. J. Yoo, G. Yu, J. Yi, "Large-area multicrystalline silicon solar cell fabrication using reactive ion etching (RIE)" Sol. Energy Mat. Sol. Cells, Vol. 2, pp. 2-6, 2011. 

  6. F. Toor, H. M. Branz, M. R. Page, K. M. Jones, H. C. Yuan, Appl. Phys. Lett., Vol. 99, pp. 103501-103504, 2011. 

  7. J. Oh, H. C. Yuan, H. M. Branz, "An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through control of carrier recombination in nanostructures" Nat. Nanotechnol., Vol. 7, pp. 743-748, 2012. 

  8. M. D. Kelzenberg, S. W. Boettcher, J. A. Petykiewicz, D. B. T. Evans, M. C. Putnam, E. L. Warren, J. M. Spurgeon, R. M. Briggs, N. S. Lewis, H. A. Atwater, "Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications" Nat. Mater., Vol. 9, pp. 239-244, 2010. 

  9. J. Schmidt, M. Kerr, "Highest-quality surface passivation of low-resistivity p-type silicon using stoichiometric PECVD silicom nitride" Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, Vol. 65, pp. 585-591, 2001. 

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