[논문]단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구

최정호; 노시철; 서화일

단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구
A Study on Application of Ag Nano-Dots and Silicon Nitride Film for Improving the Light Trapping in Mono-crystalline Silicon Solar Cell 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.4, 2019년, pp.12 - 17

최정호 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 노시철 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 서화일 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the Ag nano-dots structure and silicon nitride film were applied to the textured wafer surface to improve the light trapping effect of mono-crystalline silicon solar cell. Ag nano-dots structure was formed by performing a heat treatment for 30 minutes at 650℃ after the deposition of 10nm Ag thin film. Ag thin film deposition was performed using a thermal evaporator. The silicon nitride film was deposited by a Hot-wire chemical vapor deposition. The effect of light trapping was compared and analyzed through light reflectance measurements. Experimental results showed that the reflectivity increased by 0.5 ~ 1% under all nitride thickness conditions when Ag nano-dots structure was formed before nitride film deposition. In addition, when the Ag nano-dots structure is formed after deposition of the silicon nitride film, the reflectance is increased in the nitride film condition of 70 nm or more. When the HF treatment was performed for 60 seconds to improve the Ag nano-dot structure, the overall reflectance was improved, and the reflectance was 0.15% lower than that of the silicon nitride film-only sample at 90 nm silicon nitride film condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 효과 개선을 위하여 Ag nano-dots 구조와 반사방지막으로써 사용되는 질화막에 의한 반사율 변화를 비교·분석하였다.
본 연구에서는 플라즈모닉 효과에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 능력을 개선하기 위하여, 텍스쳐링(Texturing)된 태양전지 웨이퍼(Wafer) 전면에 은(Ag) 박막 (Thin film)을 이용하여 나노(Nano)크기의 구조물을 적용하였으며, 적용된 Ag nano-dots 구조와 태양전지에서 반사방지막(Antireflection coating)으로 사용되는 질화막(Silicon nitride film, SiNx)에 의한 반사율 변화를 비교 분석하였다. 또한 Ag nano-dots 구조의 개선을 위하여 불산(Hydrofluoric acid, HF) 처리를 진행하였으며, 불산 처리 시간에 따른 반사율 변화를 비교분석 하였다.

가설 설정

Schematic diagram of sample. (a) SiNx deposition after Ag nano-dots structure formation, (b) SiNx deposition before Ag nano-dots structure formation.

제안 방법

3 (a)와 같은 시료를 제작하기 위하여 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조 형성 및 불산 처리를 진행하였고, 두 번째 분류는 Fig. 3 (b)와 같은 시료를 제작하기 위하여 질화막 증착 후에 Ag nano-dots 구조 형성 및 불산 처리를 진행하였다. Ag nano-dots 구조는 열증착(Thermal evaporation) 장비를 사용하여 은(Ag) 박막을 10 ㎚ 두께로 증착한 후, 가열로(Thermal furnace) 장비를 사용하여 650℃에서 30분 동안 열처리 공정으로 형성하였다[3].
그 후, 5%의 불산 용액에 20초 동안 노출시켜 세정 공정중 성장한 자연산화막(Native oxide)을 제거하였다. Ag nano-dots 구조에서 질화막의 위치에 따른 반사율 변화를 알아보기 위하여 시료들을 두 분류로 나눠 실험하였고, 질화막 증착에는 HWCVD (Hot-wire chemical vapor deposition) 장비를 사용하였다. 첫 번째 분류는 Fig.
웨이퍼 표면의 유기 및 입자성 오염물들(Particle)을 제거하기 위하여 반도체 세정 방법인 RCA (Radio Corporation of America) 세정 공정을 진행하였다[3]. 그 후, 5%의 불산 용액에 20초 동안 노출시켜 세정 공정중 성장한 자연산화막(Native oxide)을 제거하였다. Ag nano-dots 구조에서 질화막의 위치에 따른 반사율 변화를 알아보기 위하여 시료들을 두 분류로 나눠 실험하였고, 질화막 증착에는 HWCVD (Hot-wire chemical vapor deposition) 장비를 사용하였다.
두번째로 질화막 증착 후 Ag nano-dots 구조를 형성시 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다.
본 연구에서는 플라즈모닉 효과에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 능력을 개선하기 위하여, 텍스쳐링(Texturing)된 태양전지 웨이퍼(Wafer) 전면에 은(Ag) 박막 (Thin film)을 이용하여 나노(Nano)크기의 구조물을 적용하였으며, 적용된 Ag nano-dots 구조와 태양전지에서 반사방지막(Antireflection coating)으로 사용되는 질화막(Silicon nitride film, SiNx)에 의한 반사율 변화를 비교 분석하였다. 또한 Ag nano-dots 구조의 개선을 위하여 불산(Hydrofluoric acid, HF) 처리를 진행하였으며, 불산 처리 시간에 따른 반사율 변화를 비교분석 하였다.
먼저 Ag nano-dots 구조 형성후 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다.
모든 시료를 완성한 후, 360∼1100 ㎚ 파장범위의 반사율의 변화를 V-670 UV/Vis/NIR Spectrophotometer 측정 장비를 이용하여 측정하였다.
5℃에서 25분 동안 진행하였다. 열확산(Thermal diffusion) 공정 방식으로 웨이퍼에 인(Phosphorus, P) 불순물을 주입시켜 n⁺ 이미터(Emitter)를 형성한 후, 5%의 불산 용액에 3분 동안 노출시켜 인(P)을 함유한 산화막인 PSG (Phosphorus silicate glass)를 제거하였다. 웨이퍼 표면의 유기 및 입자성 오염물들(Particle)을 제거하기 위하여 반도체 세정 방법인 RCA (Radio Corporation of America) 세정 공정을 진행하였다[3].
실험에 사용된 시료는 비저항이 1~3 Ω·㎝이고, 두께가 200 ㎛인 70×70 ㎟ 크기의 (100) p형 단결정 실리콘 태양전지용 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼 표면 오염물질들을 제거하기 위하여 1%의 수산화칼륨(Potassium hydroxide, KOH) 용액에서 7분 동안 전처리(Pre-cleaning) 공정을 진행하였다. 텍스쳐링 공정은 1.

대상 데이터

실험에 사용된 시료는 비저항이 1~3 Ω·㎝이고, 두께가 200 ㎛인 70×70 ㎟ 크기의 (100) p형 단결정 실리콘 태양전지용 웨이퍼를 사용하였다.

이론/모형

열확산(Thermal diffusion) 공정 방식으로 웨이퍼에 인(Phosphorus, P) 불순물을 주입시켜 n⁺ 이미터(Emitter)를 형성한 후, 5%의 불산 용액에 3분 동안 노출시켜 인(P)을 함유한 산화막인 PSG (Phosphorus silicate glass)를 제거하였다. 웨이퍼 표면의 유기 및 입자성 오염물들(Particle)을 제거하기 위하여 반도체 세정 방법인 RCA (Radio Corporation of America) 세정 공정을 진행하였다[3]. 그 후, 5%의 불산 용액에 20초 동안 노출시켜 세정 공정중 성장한 자연산화막(Native oxide)을 제거하였다.

성능/효과

Fig. 6 (c)와 같이 (a)와 (b)의 반사율을 비교할 경우 질화막의 두께가 55 ㎚ 일 때 Ag nano-dots 구조에 의하여 반사율이 0.89% 더 감소되었지만, 질화막의 두께가 두꺼워질수록 반사율이 개선 정도가 점점 낮아지며 질화막의 두께가 70 ㎚ 일 때 0.04%로 차이가 미비해졌다. 그 이후부터는 오히려 Ag nano-dots 구조에 의하여 반사율이 더 증가하였으며, 105 ㎚ 일 때 반사율이 1.
결과적으로 Ag nano-dots 구조의 불산 처리로 가장 낮은 반사율을 보인 조건은 질화막 두께가 90 ㎚ 일 때 60초 동안 불산 처리할 경우이며, 이는 질화막만 증착한 구조의 반사율 3.14% 보다 0.19% 낮은 2.95%의 반사율을 보였다.
먼저 Ag nano-dots 구조 형성후 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조 형성으로 모든 질화막 두께 조건에서 반 사율이 오히려 0.5~1% 정도 증가하였고, 반사율 개선 정도가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 두번째로 질화막 증착 후 Ag nano-dots 구조를 형성시 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다.
두번째로 질화막 증착 후 Ag nano-dots 구조를 형성시 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막의 두께가 55 nm에서 70 nm로 증가할 때까지는 Ag nano-dots 구조 형성으로 반사율이 더 낮은 값을 보였지만, 질화막의 두께가 70 nm 이상이 되면서 오히려 Ag nano-dots 구조를 형성하지 않고 오직 질화막만 증착된 시료들보다 더 높은 반사율을 보였다. 이를 개선하기 위하여 30~75초 동안 불산 처리를 진행하였으며, 그 결과 90 nm 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성한후 60초 동안 불산 처리한 시료의 반사율이 질화막만 증착한 시료들보다 0.
그 결과 질화막의 두께가 70 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어졌지만, 질화막의 두께가 70 ㎚ 이상일 경우 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율이 증가하기 때문에 질화막의 두께가 85 ㎚가 될 때까지 반사율이 감소하는 정도가 점점 줄어들다가 90 ㎚ 이상부터는 600∼1100 ㎚ 파장범위에서 0.1∼ 0.28%로 감소하는 반사율 크기보다 360∼599 ㎚ 파장범위에서 0.58∼1.41%로 증가하는 반사율 크기가 훨씬 커져서 전체 반사율이 증가하는 것으로 판단된다.
그 결과 질화막의 두께가 75 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율의 증가로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고, 질화막의 두께가 90 ㎚ 이상부터는 3.14∼3.2%로 반사율의 변화가 미비했다.
그 결과 질화막의 두께가 90 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율 증가로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고, 질화막의 두께가 95 ㎚ 이상부터는 반사율의 변화가 미비한 것으로 판단된다.
그러므로 질화막의 두께가 80 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율 증가로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고, 질화막의 두께가 95 ㎚ 이상부터는 반사율의 변화가 미비한 것으로 판단된다.
따라서 이 실험을 통하여 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조를 형성할 경우 반사율 개선 정도가 떨어지는 것을 알 수 있었다.
그 결과 질화막의 두께가 55 nm에서 70 nm로 증가할 때까지는 Ag nano-dots 구조 형성으로 반사율이 더 낮은 값을 보였지만, 질화막의 두께가 70 nm 이상이 되면서 오히려 Ag nano-dots 구조를 형성하지 않고 오직 질화막만 증착된 시료들보다 더 높은 반사율을 보였다. 이를 개선하기 위하여 30~75초 동안 불산 처리를 진행하였으며, 그 결과 90 nm 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성한후 60초 동안 불산 처리한 시료의 반사율이 질화막만 증착한 시료들보다 0.19% 개선된 반사율을 보였다.
질화막의 두께가 증가할수록 600∼1100 ㎚ 파장범위에서는 반사율이 4.95%에서 1.89%로 감소하는 경향을 보였지만, 360∼599 ㎚ 파장범위에서는 질화막의 두께가 55 ㎚에서 70 ㎚까지 반사율이 5.50%에서 4.83%로 감소하다가 70 ㎚ 이상부터 반사율이 오히려 증가하였다.
질화막의 두께가 증가할수록 600∼1100 ㎚ 파장범위에서는 반사율이 7.04%에서 2.67%로 일정하게 감소하는 경향을 보여주지만, 360∼599 ㎚ 파장범위에서는 질화막의 두께가 55 ㎚에서 75 ㎚까지 반사율이 3.87%에서 1.25%로 감소하다가 80 ㎚ 이상부터 반사율이 오히려 증가하였다.

후속연구

실험을 통하여 Ag nano-dots 구조 및 질화막 형성으로 광포획 효과를 개선할 수 있었으며, 이를 통해 반사율을 감소시켜 태양전지 효율이 향상될 것으로 예상된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈모닉 효과란 무엇인가?	최근 구리(Copper, Cu), 알루미늄(Aluminum, Al), 은(Silver, Ag) 등과 같은 금속 나노 입자(Nanoparticle)들과 빛의 상호작용으로 발현되는 플라즈모닉 효과(Plasmonic effect)에 대한 관심이 높아 지고 있다[3-8]. 플라즈모닉 효과란, 빛이 구(Sphere)형태의 금속 나노 입자로 입사할 경우 흡수(Trapping) 및 산란(Scattering)되는 현상을 말한다[3-8]. 즉, Fig.
	결정질 실리콘 태양전지 제조에 있어 중요한 이슈는 무엇인가?	결정질 실리콘 태양전지 제조에 있어서 중요한 이슈들은 효율 개선과 생산 비용 절감이다. 태양으로부터 입사되는 빛에 의하여 태양전지 내부에는 전자-정공쌍(Electron-Hole pair, EHP)이 생성된다[1,2].
	Ag nano-dots 구조와 반사방지막으로써 사용되는 질화막에 의한 반사율 변화를 비교 분석한 결과는 어떠한가?	먼저 Ag nano-dots 구조 형성후 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조 형성으로 모든 질화막 두께 조건에서 반 사율이 오히려 0.5~1% 정도 증가하였고, 반사율 개선 정도가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 두번째로 질화막 증착 후 Ag nano-dots 구조를 형성시 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막의 두께가 55 nm에서 70 nm로 증가할 때까지는 Ag nano-dots 구조 형성으로 반사율이 더 낮은 값을 보였지만, 질화막의 두께가 70 nm 이상이 되면서 오히려 Ag nano-dots 구조를 형성하지 않고 오직 질화막만 증착된 시료들보다 더 높은 반사율을 보였다. 이를 개선하기 위하여 30~75초 동안 불산 처리를 진행하였으며, 그 결과 90 nm 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성한후 60초 동안 불산 처리한 시료의 반사율이 질화막만 증착한 시료들보다 0.19% 개선된 반사율을 보였다.

참고문헌 (8)

Jeong-Ho Choi, Si-Cheol Roh, Dong-Yeol Yu, Zhenhua Li, Yeong-Cheol Kim and Hwa-Il Seo, "A Study on HF Chemical Passivation for Crystalline Silicon Solar Cell Application", J. KSDT, 10(1), pp. 51-55, (2011).
Jeong-Hwan Kim, Si-Cheol Roh, Jeong-Ho Choi, Jong-Dae Jung, and Hwa-Il Seo, "A Study on Silicon Nitride Films by high frequency PECVD for Crystalline Silicon Solar Cells", J. KSDT, 11(2), pp. 7-11, (2012).
Jeong-Ho Choi, Si-Cheol Roh, and Hwa-Il Seo, "A Study on the Application of Ag Nano-Dots Structure to Improve the Light Trapping Effect of Crystalline Silicon Solar Cell", J. KSDT, 18(3), pp. 19-24, (2019).
Vivian E. Ferry, Luke A. Sweatlock, Domenico Pacifici and Harry A. Atwaterr, "Plasmonic Nanostructure Design for Efficient Light Coupling into Solar Cells", Nano Lett., vol. 8. pp. 4391-4397, (2008).

상세보기
Ragip A. Pala, Justin White, Edward Barnard, John Liu, Mark L. Brongersma, "Design of Plasmonic Thin-Film Solar Cells with Broadband Absorption Enhancements", Adv. Mater., vol. 21, pp. 3504-3509, (2009).

상세보기
Jaeho Choi, Bhaskar Parida, Jung Tack Lee, amd Keunjoo Kim, "Nanopatterned silicon emitters of a solar cell fabricated by anodic aluminum oxide masks", Nano Lett., vol. 11, pp. 6318-6322, (2011).
S. Pillaia, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, "Surface plasmon enhanced silicon solar cells", J. Applied Physics, 101(9), 093105, (2007).

상세보기
Wanjung Kim, Jong Hyeok Park, "Enhanced Power Conversion Efficiency in Organic Photovoltaic Devices with Plasmonic Effect", Polym. Sci. Technol., 26(1), pp. 16-24, (2015).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증