[논문]와이어 소잉 데미지 층이 단결정 실리콘 태양전지 셀 특성에 미치는 영향

김일환; 박준성; 박재근

doi:10.21218/cpr.2018.6.1.027

와이어 소잉 데미지 층이 단결정 실리콘 태양전지 셀 특성에 미치는 영향
Relation Between Wire Sawing-damage and Characteristics of Single Crystalline Silicon Solar-cells 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.6 no.1, 2018년, pp.27 - 30

김일환 (전자컴퓨터통신공학과, 한양대학교) , 박준성 (전자컴퓨터통신공학과, 한양대학교) , 박재근 (전자컴퓨터통신공학과, 한양대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The dependency of the electrical characteristics of silicon solar-cells on the depth of damaged layer induced by wire-sawing process was investigated. To compare cell efficiency with residual sawing damage, silicon solar-cells were fabricated by using as-sawn wafers having different depth of saw damage without any damaged etching process. The damaged layer induced by wire-sawing process in silicon bulk intensely influenced the value of fill factor on solar cells, degrading fill factor to 57.20%. In addition, the photovoltaic characteristics of solar cells applying texturing process shows that although the initial depth of saw-damage induced by wire-sawing process was different, the value of short-circuit current, fill-factor, and power-conversion-efficiency have an almost same, showing ~17.4% of cell efficiency. It indicated that the degradation of solar-cell efficiency induced by wire-sawing process could be prevented by eliminating all damaged layer through sufficient pyramid-surface texturing process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 와이어 소잉 공정으로 발생하는 데미지 층이 태양전지 셀의 전기적 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 분석을 수행하였다. 와이어 소잉 데미지가 셀 효율에 직접적으로 미치는 영향을 검증하기 위하여, 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다른 3종류의 실리콘 웨이퍼들을 데미지 에칭을 하지 않고 태양전지 셀을 제작하여 개방 전압(open-circuit voltage, V_oc ), 단락 전류(short-circuit current, J_sc), 곡선인자(fill factor, FF), 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)과 같은 셀의 전기적 특성을 비교하였다.
우리는 와이어 소잉 공정으로 인해 생성되는 실리콘 내 데미지 층에 대한 실리콘 태양전지 셀의 전기적 특성의 의존성에 대해 연구를 수행하였다. 초기 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 깊을수록 와이어 소잉 데미지 층을 제거하지 않고 제조한 태양전지 셀의 J_SC 및 FF 값이 감소하어 셀 효율의 저하를 야기하였다.

제안 방법

Ag 및 Al 페이스트를 사용하여 스크린프린터를 통해 상부 및 하부 금속 전극을 형성한 뒤 680°C에서 2초간 급속 열처리(rapid thermal anneal, RTA)를 진행하여 태양전지 셀을 제조하였다.
Boron으로 도핑된 200 µm두께의 쵸크랄스키(Czchralski) 실리콘 웨이퍼(1-3 Ω·cm)를 사용하였으며, 두 종류의 태양전지 셀을 제작하여 실리콘 벌크 내 데미지가 태양전지 셀 특성에 미치는 영향을 비교하였다.
2와 같이 소수 캐리어 재결합 수명을 측정하였다. KOH 용액을 통한 에칭과 소수 캐리어 재결합 수명 측정을 반복적으로 수행하여 와이어 소잉 웨이퍼의 에칭 깊이에 따른 재결합 수명의 프로파일을 통해 와이어 소잉 데미지 층의 깊이를 검증하였다. 반복적인 에칭 수행 시, 와이어 소잉 데미지에 의해 저하된 재결합 수명이 급격하게 상승하다가 유지되는 구간까지의 깊이를 와이어 소잉 데미지 층으로 정의하였다^12,14) .
와이어 소잉 데미지가 셀 효율에 직접적으로 미치는 영향을 검증하기 위하여, 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다른 3종류의 실리콘 웨이퍼들을 데미지 에칭을 하지 않고 태양전지 셀을 제작하여 개방 전압(open-circuit voltage, V_oc ), 단락 전류(short-circuit current, J_sc), 곡선인자(fill factor, FF), 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)과 같은 셀의 전기적 특성을 비교하였다. 또한 초기 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다른 실리콘 웨이퍼들을 텍스쳐링 공정을 통해 데미지 층을 충분히 제거한 뒤 각 웨이퍼들의 전기적 특성을 비교 하여 와이어 소잉 데미지가 태양전지 셀에 어떠한 영향을 끼치는지 검증하였다.
따라서 본 연구에서는 와이어 소잉 공정으로 발생하는 데미지 층이 태양전지 셀의 전기적 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 분석을 수행하였다. 와이어 소잉 데미지가 셀 효율에 직접적으로 미치는 영향을 검증하기 위하여, 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다른 3종류의 실리콘 웨이퍼들을 데미지 에칭을 하지 않고 태양전지 셀을 제작하여 개방 전압(open-circuit voltage, V_oc ), 단락 전류(short-circuit current, J_sc), 곡선인자(fill factor, FF), 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)과 같은 셀의 전기적 특성을 비교하였다. 또한 초기 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다른 실리콘 웨이퍼들을 텍스쳐링 공정을 통해 데미지 층을 충분히 제거한 뒤 각 웨이퍼들의 전기적 특성을 비교 하여 와이어 소잉 데미지가 태양전지 셀에 어떠한 영향을 끼치는지 검증하였다.
첫 번째 그룹의 웨이퍼들은 와이어 소잉 후 에칭 혹은 텍스쳐링 공정 없이 태양전지 셀을 제작하였다. 이는 태양전지 제조 후에 웨이퍼 표면 및 벌크에 결함이 남아 있음을 의미한다.
첫째로 태양전지 셀을 제작하기 전에 각 웨이퍼의 와이어 소잉 데미지 층 깊이를 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 소수 캐리어 재결합 수명을 측정하였다. KOH 용액을 통한 에칭과 소수 캐리어 재결합 수명 측정을 반복적으로 수행하여 와이어 소잉 웨이퍼의 에칭 깊이에 따른 재결합 수명의 프로파일을 통해 와이어 소잉 데미지 층의 깊이를 검증하였다.
텍스쳐링 공정은 KOH 및 IPA 기반의 알칼리 용액을 사용하여 80°C에서 1시간동안 진행하였으며 방향성 에칭을 통해 실리콘 표면을 충분히 덮는 피라미드 구조를 생성하였다.

이론/모형

두 웨이퍼 그룹은 모두 790°C에서 15분 동안 POCl₃ 확산 공정을 통해 도펀트를 증착한 뒤 860°C에서 5분 동안 열처리 공정을 통해 60 Ω/□의 저항 값을 갖는 n⁺도핑 층을 형성하였다. HF를 통해 phosphorous silicate glass (PSG) 막을 제거한 뒤 반사 방지 코팅층(anti-reflection coating, ARC)을 형성하기 위하여 플라즈마 화학기상 증착법 (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 95 nm 두께의 SiN_x 막을 형성하였다. Ag 및 Al 페이스트를 사용하여 스크린프린터를 통해 상부 및 하부 금속 전극을 형성한 뒤 680°C에서 2초간 급속 열처리(rapid thermal anneal, RTA)를 진행하여 태양전지 셀을 제조하였다.

성능/효과

이러한 수치는 일반적인 실리콘 태양전지 셀과 비교하였을 때 매우 낮은 수치며, 실리콘 웨이퍼 벌크 및 표면 내에 존재하는 미세결함에 의해 셀 특성이 저하되었다. DDW 및 SDW를 통해 제조한 태양전지 셀의 FF는 각각 57.20% 및 69.62%, PCE는 각각 3.93% 및 4.97%로 매우 낮은 셀 효율을 보이고 있다. SDW는 DDW에 비해 실리콘 웨이퍼의 PN 접합 영역 내에 결함 층의 두께가 상대적으로 얕아 FF 값이 다소 향상되었지만 일반적인 실리콘 태양전지 셀에 비해서는 매우 낮은 값을 보이고 있다.
이는 실리콘에 잔재되어있는 와이어 소잉 데미지 층 및 결함으로 인해 태양전지의 J_SC 및 FF 값에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 또한, 초기 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다르더라도 충분한 텍스쳐링을 적용하여 제조한 태양전지 셀들은 모두 동일한 수준의 전기적 특성을 보유하였다. 이를 통해, 실리콘 표면 및 벌크 내에 생성되는 데미지 층은 와이어 소잉 공정에 의해 필연적으로 발생하지만 후속 에칭 공정을 통해 소잉 데미지를 완벽하게 제거하여 셀 효율의 저하를 막을 수 있음을 확인하였다.
4(b)와 Table 1은 각 웨이퍼 조건에 따른 J-V curve 및 J_SC, V_OC, FF, PCE와 같은 태양전지 셀의 전기적 특성을 나타내었다. 우선 텍스쳐링 공정을 적용하지 않아 피라미드 구조를 가지지 않으며 잔여 데미지 층이 있는 DDW 및 SDW를 통해 제조한 태양전지 셀은 각각 11.99, 12.48 mA/cm² 의 J_SC특성을 보이고 있다. 이러한 수치는 일반적인 실리콘 태양전지 셀과 비교하였을 때 매우 낮은 수치며, 실리콘 웨이퍼 벌크 및 표면 내에 존재하는 미세결함에 의해 셀 특성이 저하되었다.
이는 피라미드 표면 구조를 가지지 않아 높은 표면 반사율에 의해 일반적인 실리콘 태양전지 셀에 비해 낮은 J_SC를 보이지만, FF는 유사한 수준의 값을 보이고 있다. 이를 통해 실리콘 벌크에서 와이어 소잉 공정에 의해 생성되는 데미지 층이 태양전지 셀의 FF에 크게 영향을 미침을 검증하였다.
또한, 초기 와이어 소잉 데미지 층의 깊이가 다르더라도 충분한 텍스쳐링을 적용하여 제조한 태양전지 셀들은 모두 동일한 수준의 전기적 특성을 보유하였다. 이를 통해, 실리콘 표면 및 벌크 내에 생성되는 데미지 층은 와이어 소잉 공정에 의해 필연적으로 발생하지만 후속 에칭 공정을 통해 소잉 데미지를 완벽하게 제거하여 셀 효율의 저하를 막을 수 있음을 확인하였다.
35%로 초기 데미지 층의 깊이와는 무관하게 동일 수준의 J_SC , FF 및 PCE를 보이고 있다. 이를 통해, 와이어 소잉 공정에 의해 결함을 포함한 데미지 층이 실리콘 벌크 내에 생성되더라도 충분한 에칭 및 텍스쳐링 공정을 통해 모든 데미지 층을 제거함으로써 와이어 소잉 공정으로부터 기인되는 태양전지 셀 효율의 저하를 방지할 수 있음을 검증하였다.
이에 비해 텍스쳐링을 통해 피라미드 구조를 형성한 태양전지 셀의 전기적 특성은 Fig.4(b) 및 Table 1에서 확인할 수 있듯이, 텍스쳐링을 적용한 DDW, SDW 및 PW를 통해 제조한 태양 전지 셀의 J SC 는 각각 39.27, 39.46, 39.60 mA/cm² 이며, FF의 경우 78.05, 77.35, 76.66%, PCE의 경우 17.53, 17.46 및 17.35%로 초기 데미지 층의 깊이와는 무관하게 동일 수준의 J_SC , FF 및 PCE를 보이고 있다. 이를 통해, 와이어 소잉 공정에 의해 결함을 포함한 데미지 층이 실리콘 벌크 내에 생성되더라도 충분한 에칭 및 텍스쳐링 공정을 통해 모든 데미지 층을 제거함으로써 와이어 소잉 공정으로부터 기인되는 태양전지 셀 효율의 저하를 방지할 수 있음을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 제조비용중 셀 제작에서 가장 높은 비율을 차지하는 것은?	신재생 에너지가 각광받게 되면서 많은 연구자들은 태양전지의 셀 효율을 높이며 동시에 태양전지의 제조비용을 줄이기 위해 집중적으로 연구하고 있다 1,2) . 특히 태양전지의 제조비용중 셀 제작에서 가장 높은 비율을 차지하는 것이 실리콘 웨이퍼이다. 실리콘 웨이퍼 가격이 차지하는 비율은 셀 단위에서는 70% 이상, 모듈 단위에서도 40% 이상으로 매우 높은 비중을 차지한다 3) .
	태양광 웨이퍼를 제조할때 얇은 다이아몬드 와이어가 필수적인 이유는?	최근에는 하나의 잉곳에서 더 많은 웨이퍼를 생산하기 위하여 더욱 얇은 다이아몬드 와이어를 적용하고 있다. 얇은 다이아몬드 와이어는 웨이퍼의 생산성과 품질을 향상시키며 실리콘 절단 손실(Si kerf)을 줄일 수 있다 4-8) . 또한 현재 180 µm 수준인 웨이퍼 두께가 Si kerfloss를 줄이기 위하여 점차 감소되는 추세에서 얇은 다이아몬드 와이어가 필수적이다.
	어떤 물질이 웨이퍼의 생산성과 품질을 향상시키며 실리콘 절단 손실을 줄일 수 있는가?	최근에는 하나의 잉곳에서 더 많은 웨이퍼를 생산하기 위하여 더욱 얇은 다이아몬드 와이어를 적용하고 있다. 얇은 다이아몬드 와이어는 웨이퍼의 생산성과 품질을 향상시키며 실리콘 절단 손실(Si kerf)을 줄일 수 있다 4-8) . 또한 현재 180 µm 수준인 웨이퍼 두께가 Si kerfloss를 줄이기 위하여 점차 감소되는 추세에서 얇은 다이아몬드 와이어가 필수적이다.

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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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