Original article Appl. Chem. Eng., Vol. 24, No. 1, February 2013, 31-37 31 태양전지용 다결정실리콘 웨이퍼의 표면 처리용 텍스쳐링제 임대우 † ⋅이창준⋅서상혁* 호서대학교 화학공학과, *호서대학교 글로벌창업대학원 (2012년 9월 19일 접수, 2012년 11월 8일 심사, 2012년 11월 9일 채택) Texturing Multi-crystalline Silicon for Solar Cell DaeWoo Ihm † , Chang Joon Lee, and SangHyuk Suh* Department of Chemical Engineering, Hoseo University, Asan 336-795, Korea *Graduate School of Global Entrepreneurship, Hoseo University, Asan 336-795, Korea (Received September 19, 2012; Revised November 8, 2012; Accepted November 9, 2012) 텍스쳐링에 의해 실리콘 웨이퍼의 표면반사율을 감소시키는 것은 실리콘 태양전지의 효율향상을 위해 매우 중요한 공정이다. 본 연구에서는 에칭속도 제어를 위해 촉매제를 포함한 산 용액으로 텍스쳐링 처리한 웨이퍼의 표면효과와 그 태양전지 특성을 평가 고찰하였다. 텍스쳐링 전 HNO3-H2O2-H2O 용액의 전처리는 표면반사율의 초기 저감효과를 가져왔다. 이는 산화특성에 의해 유기 불순물이 제거되고 텍스쳐링을 위한 핵의 생성에 기인한다고 할 수 있다. 이후 공정에서 불산/질산 용액에 인산 및 초산과 같은 완충제를 첨가한 혼합용액을 제조하고, 적정 농도 조합과 그 처리시 간의 최적화를 통해 개선된 텍스쳐링 효과를 얻을 수 있었으며 이 효과는 표면반사율 감소를 통해 확인할 수 있었다. 이렇게 제조된 실리콘 웨이퍼에 반사방지막 코팅 후 태양전지를 제작하여 그 변환효율을 측정한 결과 16.4%의 양호 한 특성을 나타냈다. 이는 개선된 텍스쳐링 처리에 의해 저감된 표면특성에 의한 단락전류의 증가에 기인한 것으로 추정된다. Lowering surface reflectance of Si wafers by texturization is one of the most important processes for improving the efficiency of Si solar cells. This paper presents the results on the effect of texturing using acidic solution mixtures containing the cata- lytic agents to moderate etching rates on the surface morphology of mc-Si wafer as well as on the performance parameters of solar cell. It was found that the treatment of contaminated crystalline silicon wafer with HNO3-H2O2-H2O solution before the texturing helps the removal of organic contaminants due to its oxidizing properties and thereby allows the formation of nucleation centers for texturing. This treatment combined with the use of a catalytic agent such as phosphoric acid improved the effects of the texturing effects. This reduced the reflectance of the surface, thereby increased the short circuit current and the conversion efficiency of the solar cell. Employing this technique, we were able to fabricate mc-Si solar cell of 16.4% conversion efficiency with anti-reflective (AR) coating of silicon nitride film using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and Si wafers can be texturized in a short time. Keywords: texturing, multi-crystalline silicon, acid, catalytic agent, solar cell 1. 서 론 1) 고효율의 태양전지를 구현하기 위해서 실리콘 웨이퍼의 태양전지 표면에서의 입사광 반사에 의한 광학적 손실을 줄이는 것은 매우 중요하다. 이 광학적 손실을 줄이는 방법으로는 기판 텍스쳐링 방법이 있으며, 이 텍스쳐링은 전면의 반사율을 감소시키며, 태양전지 내 에서 빛의 통과 길이를 길게 하고, 후면으로부터의 내부반사를 이용 하여 흡수된 빛의 양을 증가 시킬 수가 있다. † Corresponding Author: Hoseo University Department of Chemical Engineering 165 Saechul-ri, Baebang-eub, Asan 336-795, Korea Tel: +82-41-540-5890 e-mail: [email protected]pISSN: 1225-0112 @ 2013 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 단결정 실리콘의 텍스쳐링은 KOH, NaOH, Tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH)와 같은 염기성 용액을 사용한다[1,2]. 이러한 식 각 용액 내에서는 수산기 이온(OH - )과 실리콘의 화학 반응을 통하여 식각이 이루어지는데 결정 방향에 따라 식각 속도가 다르다는 특 징이 있다. 따라서 단결정 실리콘 태양전지의 표면에 피라미드 구 조가 형성되며 이에 따라 표면 반사율이 감소된다. 일반적으로 (100) 면에서의 식각 속도가 가장 빠르며, (111) 면에서는 1/100배 정도로 그 속도가 감소하는데 이로 인하여 피라미드 구조가 만들 어진다[3]. 그러나 이 기술은 다결정 실리콘에 대해서는 효과적으로 표면 반사율을 감소시키기 어렵다. 그 이유는 다결정 실리콘의 경우에는 염기성 용액으로 표면 조직화할 경우 결정립마다 결정 방향이 다르 므로 식각 속도의 차이로 인해 표면 형상이 불균일하게 되기 때문 이다. 따라서 다결정 실리콘 웨이퍼에 대해서는 결정 방향과 상관
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Original article
Appl. Chem. Eng., Vol. 24, No. 1, February 2013, 31-37
31
태양전지용 다결정실리콘 웨이퍼의 표면 처리용 텍스쳐링제
임대우†⋅이창준⋅서상혁*
호서대학교 화학공학과, *호서대학교 글로벌창업대학원
(2012년 9월 19일 접수, 2012년 11월 8일 심사, 2012년 11월 9일 채택)
Texturing Multi-crystalline Silicon for Solar Cell
DaeWoo Ihm†
, Chang Joon Lee, and SangHyuk Suh*
Department of Chemical Engineering, Hoseo University, Asan 336-795, Korea
*Graduate School of Global Entrepreneurship, Hoseo University, Asan 336-795, Korea
(Received September 19, 2012; Revised November 8, 2012; Accepted November 9, 2012)
텍스쳐링에 의해 실리콘 웨이퍼의 표면반사율을 감소시키는 것은 실리콘 태양전지의 효율향상을 위해 매우 중요한
공정이다. 본 연구에서는 에칭속도 제어를 위해 촉매제를 포함한 산 용액으로 텍스쳐링 처리한 웨이퍼의 표면효과와
그 태양전지 특성을 평가 고찰하였다. 텍스쳐링 전 HNO3-H2O2-H2O 용액의 전처리는 표면반사율의 초기 저감효과를
가져왔다. 이는 산화특성에 의해 유기 불순물이 제거되고 텍스쳐링을 위한 핵의 생성에 기인한다고 할 수 있다. 이후
공정에서 불산/질산 용액에 인산 및 초산과 같은 완충제를 첨가한 혼합용액을 제조하고, 적정 농도 조합과 그 처리시
간의 최적화를 통해 개선된 텍스쳐링 효과를 얻을 수 있었으며 이 효과는 표면반사율 감소를 통해 확인할 수 있었다.
이렇게 제조된 실리콘 웨이퍼에 반사방지막 코팅 후 태양전지를 제작하여 그 변환효율을 측정한 결과 16.4%의 양호
한 특성을 나타냈다. 이는 개선된 텍스쳐링 처리에 의해 저감된 표면특성에 의한 단락전류의 증가에 기인한 것으로
추정된다.
Lowering surface reflectance of Si wafers by texturization is one of the most important processes for improving the efficiency
of Si solar cells. This paper presents the results on the effect of texturing using acidic solution mixtures containing the cata-
lytic agents to moderate etching rates on the surface morphology of mc-Si wafer as well as on the performance parameters
of solar cell. It was found that the treatment of contaminated crystalline silicon wafer with HNO3-H2O2-H2O solution before
the texturing helps the removal of organic contaminants due to its oxidizing properties and thereby allows the formation of
nucleation centers for texturing. This treatment combined with the use of a catalytic agent such as phosphoric acid improved
the effects of the texturing effects. This reduced the reflectance of the surface, thereby increased the short circuit current
and the conversion efficiency of the solar cell. Employing this technique, we were able to fabricate mc-Si solar cell of 16.4%
conversion efficiency with anti-reflective (AR) coating of silicon nitride film using plasma-enhanced chemical vapor deposition
(PECVD) and Si wafers can be texturized in a short time.
Keywords: texturing, multi-crystalline silicon, acid, catalytic agent, solar cell
Voc : open-circuit voltage, Isc : short-circuit voltage, Vm : voltage at maximum power point, Im : current at maximum power point, Pm : maximum power, FF : fill factor,
Samples 1, 2, 3, 4, and 5 correspond to one prepared with ultrasonic cleaning only(without texturing); one textured for 30 s with 38%-HF : 56%-HNO3 : 8%-H3PO4 solution;
one textured for 60 s with 38%-HF : 56%-HNO3 : 13%-H3PO4 solution; one textured for 60 s with 38%-HF : 56%-HNO3 : 16%-H3PO4 solution; one textured for 60 s with
38%-HF : 56%-HNO3 : 21%-CH3COOH solution after ultrasonic cleaning, respectively.
락전류밀도(Isc) 값은 SiNx AR 코팅 후의 매우 낮은 평균 반사율에
기인하며, 이 웨이퍼의 대부분의 전기 파라미터도 나머지 비교 시료와
비교할 때 높은 수치를 나타내고 있다(Table 5). 38%-HF : 56%-HNO3
: 13%-H3PO4로 1 min간 텍스쳐링한 웨이퍼로 제작한 태양전지의
효율이 8%-H3PO4 텍스쳐링, 21%-CH3COOH 텍스쳐링 한 것에 비해
우수한 효율을 나타낸 것도 이 양호한 파라미터에 기인한 것이라
할 수 있다. 또한 본 실험에서 측정된 충실도(fill factor) 78.9% 및
16.4%의 변환 효율은 Yi et al.[8]의 HF : HNO3 : CH3COOH 산 텍스
쳐링 처리에 의해 보고된 수치인 77%, 14.94% 수준보다 훨씬 개선
된 값을 나타내고 있다. 따라서 텍스쳐링시 세정제 전처리와 불산/
질산 용액에 인산, 초산 등의 완충제를 포함한 혼합 용액으로 적정
농도 조합과 처리시간의 최적화를 통해 광전변화효율이 개선됨을
확인할 수 있었다.
37태양전지용 다결정실리콘 웨이퍼의 표면 처리용 텍스쳐링제
Appl. Chem. Eng., Vol. 24, No. 1, 2013
4. 결 론
세정제 전처리와 에칭속도 제어를 위해 촉매제를 포함한 산 용액을
사용한 다결정실리콘의 등방성 식각 공정에 대해 연구하였다. 본
연구의 목적은 표면 텍스쳐를 제어하여 빛의 포획능력을 향상시키
는데 있다. 본 실험결과로부터 텍스쳐링 전 세정처리가 표면 반사
율의 초기 저감에 기여함을 알 수 있었으며, HF/HNO3 텍스쳐링제에
인산과 초산과 같은 촉매제의 적정 농도 및 적정비율(HF : HNO3 :
H3PO4 = 1 : 2 : 2)의 첨가는 조개표면과 같은 둥근 표면 형상의 안정된
형성에 기여하여 태양전지 제작 후 충실도(fill factor)와 open circuit
voltage를 향상시켜 전체적인 효율 향상에 효과적임을 알 수 있었다.
즉 13%-H3PO4의 첨가후 텍스쳐링 시, 21%-CH3COOH 첨가 후
텍스쳐링시 각각 표면반사율 18% (텍스쳐링 및 AR coating 후 반
사율은 태양 빛 에너지 파장의 가장 근접한 600 nm에서 약 2%,
400∼900 nm의 평균 반사율은 6%), 22%를 나타냈고, 이들 대면적
기판(156 × 156 mm)의 상업용 웨이퍼를 사용하여 태양전지 제작
후 각각 16.4%, 15.4%의 효율결과를 얻을 수 있었다.
감 사
이 논문은 2011년도 호서대학교의 재원(과제번호 : 2011-0254)으로
학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임
참 고 문 헌 1. D. Iencinella, E. Centurioni, R. Rizzoli, and F. Zignani, Sol.
Energy Mater. Sol. Cells, 87, 725 (2005).
2. G. T. Loacs, N. L. Maluf, and K. E. Petersen, Proc. IEEE, 86
(1998).
3. A. M. Jeffery, Solar cells: An Introduction to Crystalline