[논문]텍스쳐링을 이용한 결정질 실리콘 태양전지의 표면 반사율 감소에 대한 연구

최준영; 김범호; 이은주; 이수홍

텍스쳐링을 이용한 결정질 실리콘 태양전지의 표면 반사율 감소에 대한 연구
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최준영 (세종대학교 전략에너지개발사업단) , 김범호 (세종대학교 전략에너지개발사업단) , 이은주 (세종대학교 전략에너지개발사업단) , 이수홍 (세종대학교 전략에너지개발사업단)

표면 수정에 의한 결정질 실리콘 태양전지의 표면 반사율의 감소는 실리콘 태양전지에 있어서 가장 중요한 문제들 중 하나다. 결정질 실리콘 기판 표면에 텍스쳐링을 이용하여 반사방지막을 형성하는 것은 태양전지의 표면 반사율을 줄이는 측면에서 주목할 만한 것이다. 이 논문에서는 단결정 실리콘과 다결정 실리콘에 텍스쳐링을 이용하여 표면 반사율을 감소할 수 있는 방안에 대해서 연구한다.

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문제 정의

본 연구에서는 결정질 실리콘 태양전지의 광학적 손실을줄이기 위하여 표면 구조를 개선하는 방법으로서 단결정기판 texturing을 위해 표면에 조밀한 random pyramid를형성하는 방법과, 다결정 기판 위에 acid texturing을 형성함으로써 이와 같은 방법들이 태양전지에 적용할 경우 기대되는 성능 향상 효과에 대해 논의하였다.
본 연구에서는 결정질 실리콘 태양전지의 광학적 손실을줄이기 위한 방법으로서 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에는 random pyramid를 형성하고, 다결정에는 미세공을 형성하여 그 구조적 광학적 특성을 평가하였다. 단결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 최소 12% 까지 낮출 수 있었으며, 다결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 8% 까지 표면 반사율을 낮추었다.

제안 방법

그림 2. Texturing 조건에 따른 표면 반사율 측정. Etching 온도에 따른 반사율 비교.
실험 조건은 90-100℃ 온도에서 5~30분 동안 진행하였다. 각 온도와 시간에 따라 texturing 한 silicon 표면 pyramid 구조를 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 관찰하고, 400'-1000nm 파장 영역에서 반사율을 측정하였다.
단결정 실리콘 표면에 sodium carbonate 용액을 이용하여 온도 및 시간을 변수로 하고 random pyramid를 형성하였고, 각 조건에 따른 표면 특성 및 반사율을 평가하였다. 그림 1.
수용액(solvent)에 담가 식각하였다. 실험 조건은상온에서 HNQ의 농도와 식각 시간을 달리 하여 5~60초동안 진행되었고, 이 역시 SEM 을 이용하여 관찰하고, 400~1000nm 파장 영역에서 반사율을 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 단결정 실리콘 웨이퍼는 붕소(Boron) 가 도핑된 CZ p-type, (100)으로 비저항이 0.4~ 1.0 Qcm이고, 3.3 X 3.3 cm의 크기를 가진다' 다결정 실리콘 웨이퍼역시 boron이 도핑된 pType으로, 저항률이 1 Qcm이고, 2 X 2 cm² 크기를 가진타. 기판은 saw damage를 제거하기위해 80℃의 30% 수산화칼륨(K0H) 용액에서 7분간 식각하였다.

성능/효과

단결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 최소 12% 까지 낮출 수 있었으며, 다결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 8% 까지 표면 반사율을 낮추었다. 400~1000nm 파장 영역에서반사율이 고르게 낮아지는 효과를 볼 수 있었으며, 실리콘태양전지에 일반적으로 사용하는 ARC 막에 비교하여도우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서 향후결정질 실리콘 태양전지에 적용하여 광 흡수를 최대화함으로써 변환효율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
그 구조적 광학적 특성을 평가하였다. 단결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 최소 12% 까지 낮출 수 있었으며, 다결정 실리콘 texturing으로 표면 반사율을 8% 까지 표면 반사율을 낮추었다. 400~1000nm 파장 영역에서반사율이 고르게 낮아지는 효과를 볼 수 있었으며, 실리콘태양전지에 일반적으로 사용하는 ARC 막에 비교하여도우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
조밀하게 형성되었음을 알 수 있었다. 또한 식각 온도가 10CTC에 가까운 경우, 약 95℃에서 식각한 경우에 비해 pyramid의 형성 밀도가 높았고, 상대적으로 pyramid 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
일반적인 alkaline solution을 이용한 식각에 비해 pyramid 크기가작고 조밀하게 형성되었음을 알 수 있었다. 또한 식각 온도가 10CTC에 가까운 경우, 약 95℃에서 식각한 경우에 비해 pyramid의 형성 밀도가 높았고, 상대적으로 pyramid 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

400~1000nm 파장 영역에서반사율이 고르게 낮아지는 효과를 볼 수 있었으며, 실리콘태양전지에 일반적으로 사용하는 ARC 막에 비교하여도우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서 향후결정질 실리콘 태양전지에 적용하여 광 흡수를 최대화함으로써 변환효율 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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