대기압 플라즈마를 이용한 결정질 태양전지 표면 식각 공정연구

Surface texturing process of crystalline silicon solar cells with atmospheric plasma

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2017

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저자정보황상혁광운대학교광운대학교 대학원
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2017

대기압 플라즈마를 이용한 결정질 태양전지 표면 식각 공정
황상혁 ,  권희태 ,  김우재 외 4명 한국재료학회지 2017.01 학술저널대기압 플라즈마를 이용한 결정질 태양전지 표면 식각 공정연구
황상혁 전자바이오물리 2017 학위논문




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태양전지는 태양 빛을 전력으로 변환하는 반도체 소자이다, 태양광 발전은 무한하고 청정한 태양광에너지를 전력으로 변환시켜준다는 장점을 갖고 있어, 20세기중반부터 화석에너지 고갈 및 지구온난화 등의 환경문제의 해결책으로 각광받고있다. 수십 년의 태양광 발전의 지속적인 연구에도 불구하고 아직까지 태양광 발전시스템은 낮은 전력생산효율 및 넓은 설치면적, 제조단가 등으로 인해 화력,원자력 등의 기존 발전방식과 경쟁하기에는 미흡한 수준이다.
태양전지의 광전변환효율을 높이기 위한 매우 기본적인 방법은 태양전지 표면에 입사하는 광량(光量)을 높이는 것이다. 이를 위해 실리콘 태양전지 표면을 피라미드 모양 또는 임의의 광흡수에 최적화된 모양으로 식각하는 방식을 사용한다. 일반적으로 실리콘 태양전지의 경우 수산화나트륨, 수산화칼륨 등 알칼리 용액을 이용한 습식 식각 방식을 사용한다. 하지만 다결정 실리콘의 경우 불균일한결정방향으로 인해 습식 식각 방식으로 표면조직화 공정을 수행할 경우 낮은 반사율을 얻기 어려우며 위치별로 다른 반응성으로 인해 균일한 표면을 얻기 어렵다. 이를 해결하기 위해 다결정 실리콘 태양전지의 경우 반응성 이온 식각 방식을 사용한다. 반응성 이온 식각은 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법 중에 하나로 일반적으로 반도체소자 내 회로패턴 형성공정에 적용되지만 실리콘 태양전지에 사용될 경우, 표면을 식각하여 광 흡수율을 높이는 목적이 있다. 하지만 광전변환효율과 생산단가가 핵심인 태양광 발전에서 수십억에 이르는 반응성이온식각 장치와 부수적인 진공장비 및 유지비용은 태양광 발전의 상용화에 악영향을초래할 수 밖에 없다. 이를 해결하기위해 본 연구에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 결정질 실리콘 태양전지 표면을 식각하는 방식을 제안하였다. RF전력을 사용하는 유전체 장벽 방전 형태의 대기압 플라즈마를 이용하여 실리콘 표면을 식각하였다. 대기압 플라즈마로 식각시 반응성이온식각과 동일한 원리로 실리콘 표면이 식각됨을 확인할 수 있었다. RF전력, 가스 유량 등을 변수로 대기압 플라즈마 식각시 식각된 실리콘 웨이퍼의 특성을 비교하였다. 식각된 실리콘 웨이퍼는태양전지를 제작하여 반사율, 전류 전압 특성곡선 등 전기적 특성을 확인하여 대기압 플라즈마를 이용한 결정질 실리콘 표면 식각 및 태양전지 제조공정에 적용가능성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 대기압 플라즈마가 앞으로 태양전지 등반도체 제조공정에 적용될 수 있을 것을 기대한다.

Solar cells are semiconductor devices that convert solar light into electricity. Solar power has the advantage that it converts infinite and clean solar energy into electricity. It has been used since the middle of the 20th century for the environmental problems such as depletion of fossil energy and global warming. Despite continuous research on decades of solar power generation, solar power generation systems are still insufficient to compete with existing power generation methods such as thermal power and nuclear power due to low power production efficiency, wide installation area, and manufacturing cost.
A very basic method for increasing the power conversion efficiency of a solar cell is to increase the amount of light incident on the surface of the solar cell (amount of light).For this purpose, the silicon solar cell surface is etched in a pyramid shape or a shape optimized for any light absorption. Generally, in the case of silicon solar cells, a wet etching method using an alkali solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide is used. However, in the case of polycrystalline silicon wafers, it is difficult to obtain a low reflectance when a surface texturing process is performed by a wet etching method due to a non-uniform crystal orientation, and it is difficult to obtain a uniform surface due to different reactivity at each position. In order to solve this problem, a reactive ion etching method is used for a polycrystalline silicon solar cell. Reactive ion etching is one of the dry etching methods using plasma, and is generally applied to a circuit pattern forming process in a semiconductor device. However, when used in a silicon solar cell, the reactive ion etching is intended to increase the light absorption rate by etching the surface. However, the photovoltaic conversion efficiency and the production cost of photovoltaic power generation, which are billions of times, have a negative impact on the commercialization of photovoltaic power generation. To solve this problem, this study proposed a method of etching the surface of crystalline silicon solar cell by using atmospheric pressure plasma. The silicon surface was etched using atmospheric plasma in the form of a dielectric barrier discharge using RF power. It was confirmed that the silicon surface was etched by the same principle as reactive ion etching when etching with atmospheric pressure plasma. The characteristics of etched silicon wafers were compared at atmospheric pressure plasma etching using RF power and gas flow rate. The etched silicon wafers were fabricated to confirm the electrical properties such as reflectance and current - voltage characteristic curves, and confirmed the possibility of applying them to the crystalline silicon surface etching and solar cell manufacturing process using atmospheric plasma. It is expected that atmospheric plasma will be applied to semiconductor manufacturing process such as solar cell in the future.접어두기목차

제 1장 서론 1
제 2장 관련이론 4
2.1 태양전지 기본원리와 종류 4
2.1.1 태양전지 기본원리 4
2.1.2 태양전지의 종류 7
2.2 태양전지 성능평가 9
2.2.1 AM 스펙트럼 및 태양광 인공광원 9
2.2.2 단락전류 (Short-circuit current)12
2.2.3 개방전압 (Open-circuit voltage)13
2.2.4 충진율 (Fill factor, FF) 13
2.2.5 광전 변환 효율(Power conversion efficiency) 14
2.2.6 분광 응답 특성 및 양자 효율 15
2.3 결정질 실리콘 태양전지 제조공정 17
2.3.1 웨이퍼 세정 공정 17
2.3.2 SDR (Saw demage removal) 공정 17
2.3.3 표면조직화(Texturing) 공정 19
2.3.4 불순물 확산 공정 및 PSG 제거 공정 23
2.2.5 반사방지막 형성 공정 24
2.2.6 금속전극 형성 공정 25
2.2.7 측면 분리 공정 26
제 3장 실험 27
3.1 연구의 필요성 및 목적 27
3.2 실험 방법 28
3.3 실험 결과 32
3.3.1 공정변수 제어에 따른 식각률 32
3.3.2 대기압 플라즈마로 표면조직화된 웨이퍼 표면 형상 분석 41
3.3.3 태양전지의 광학 및 전기적 특성 52
제 4장 결론 56
참고문헌 58

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