KR101510708B1 - 복합구조의 실리콘 웨이퍼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합구조의 실리콘 웨이퍼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양 전지에 관한 것으로 보다 상세하게는 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼에 있어서, 상기 피라미드 패턴 상에 실리콘의 결정방향에 따라 나노와이어가 형성되고, POCl3로 도핑된 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양 전지를 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지의 실리콘 웨이퍼에 관한 것으로 보다 상세하게는 단결정의 실리콘에 대하여 습식에칭법을 이용하여 패턴을 형성하는 실리콘 웨이퍼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양 전지에 관한 것이다.
현재 기후변화 협약에 의한 온실 가스 감축 의무가 가속화되고 있으며, 이에 따른 이산화탄소 시장의 활성화가 되고 있어 신재생에너지 분야의 관심이 고조되고 있다.
신재생에너지의 종류는 태양광, 풍력, 바이오매스, 지열, 수력, 조력 등 다양하다. 그 중 태양전지는 가장 성장이 기대되는 에너지 중 하나로 무한청정 에너지원인 태양빛을 이용하여 전기를 생산하는 시스템으로, 직접적으로 빛을 전기로 바꿔주는 태양전지가 그 핵심에 있다.
또한, 태양전지는 발전 원가가 하락하는 유일한 전력원이며, 발전소를 건설할 필요가 없고 유비 보수비용 이외의 비용이 들지 않으며, 원자력 에너지와 다르게 안전한 에너지이고, 친환경 에너지이다.
태양전지의 종류는 쉽게 볼수 있는 결정형 태양 전지부터 박막형 태양전지 CIGS, 차세대 태양전지인 DSSC까지 다양한 종류의 태양 전지들이 존재한다.
실리콘 박막 태양 전지는, 가장 처음으로 개발되어 보급되기 시작한 비정질 실리콘(amorphous, a-Si:H) 태양전지와, 광 흡수 효율을 향상시키기 위한 미세 결정 실리콘 (microcrystalline silicon, c-Si:H) 태양 전지 등을 포함한다. 또한, 실리콘 박막 태양 전지는 밴드갭이 다른 상기 두 태양전지를 적층 하여 만든 탠덤(tandem) 구조(a-Si:H/ c-Si:H)의 실리콘 박막 태양전지도 이용되고 있다.
이 중 결정형 태양전지의 경우 효율이 좋은 장점이 있다. 결정형 태양전지에 있어서 효율을 더욱 높이기 위해서 표면을 조직화하는 데, 건식에칭 또는 습식에칭을 통해 평평한 실리콘 웨이퍼 표면에 굴곡을 형성시켜 반사율을 낮추게 한다.
대한민국 공개특허 제2013-0043051호는 결정성 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭액 조성물 및 텍스쳐 에칭방법에 관한 것으로 반사율을 저감시킬 수 있는 특정 구조의 피라미드를 형성할 수 있는 결정성 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐 에칭액 조성물 및 텍스쳐 에칭방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 반사율이 저감되기는 하나 현저하게 반사율을 저감시키지는 못하는 단점이 있다.
따라서, 실리콘 웨이퍼가 태양전지로 활용시에 반사율을 현저히 감소시킬 수 있며, 캐리어 수명을 개선시킬 수 있는 실리콘 웨이퍼 및 이를 이용한 태양전지의 제조가 소망되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 습식에칭법을 기반으로 제조하면서 조성 및 공정시간의 조절을 통한 실리콘 웨이퍼 구조를 제어할 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 캐리어 수명이 긴 실리콘 웨이퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 입사되는 빛에 대한 반사도가 평판형 구조뿐만 아니라 일반 피라미드 구조보다 낮은 반사도를 보여 고효율의 태양전지 제조에 적합한 실리콘 웨이퍼를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼에 있어서, 상기 피라미드 패턴 상에 실리콘의 결정방향에 따라 나노와이어가 형성되고, POCl3로 도핑된 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 습식에칭이 NaOH 1~3중량%, 유기용매 4~8 중량% 및 DI water 90~95중량%의 에칭액으로 70~80℃의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 유기용매는 이소프로필알콜(Isopropyl alchol), 에틸알콜(ethyl alcohl), 메틸알콜(methyl alcohl), 아세톤(acetone)으로 이루어진 군에서 1 이상의 포함되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 나노와이어 형성은 피라미드 패턴 상에서 산화 식각반응에 의해 형성되되, 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water, 과산화수소(H2O2) 및 AgNO3 로 이루어진 용액에 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지함으로써 형성되며, 불산을 기준으로 혼합되는 비율은 DI water : 불산이 8:1~10:1의 부피비율로 혼합되며, 과산화수소(H2O2) : 불산이 1:6 ~ 1:10 몰비로 혼합되며, AgNO3 : 불산이 1:300~1:500몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한 본 발명은 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 준비단계; 상기 실리콘 웨이퍼 표면에 습식에칭으로 피라미드 패턴 형성단계; 상기 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시켜 나노와이어 형상을 형성하는 나노와이어 형성단계; 및 상기 실리콘 웨이퍼를 POCl3로 도핑하는 도핑단계를 포함하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 습식에칭이 NaOH 1~3중량%, 유기용매 4~8 중량% 및 DI water 90~95중량%의 에칭액으로 70~80℃의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 유기용매는 이소프로필알콜(Isopropyl alchol), 에틸알콜(ethyl alcohl), 메틸알콜(methyl alcohl), 아세톤(acetone)으로 이루어진 군에서 1 이상의 포함되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 나노와이어 형성은 피라미드 패턴 상에서 산화 식각반응에 의해 형성되되, 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water, 과산화수소(H2O2) 및 AgNO3 로 이루어진 용액에 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지함으로써 형성되며, 불산을 기준으로 혼합되는 비율은 DI water : 불산이 8:1~10:1의 부피비율로 혼합되며, 과산화수소(H2O2) : 불산이 1:6 ~ 1:10 몰비로 혼합되며, AgNO3 : 불산이 1:300~1:500몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 침지되는 시간은 45~90sec인 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 복합구조 실리콘 웨이퍼 또는 상기 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 이용하여 제조된 태양 전지를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 태양 전지에서 면저항은 50 ~ 60Ω/sq인 것을 특징으로 하는 태양 전지를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 태양 전지에서 캐리어 수명은 47~55㎲인 것을 특징으로 하는 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼 및 이를 이용한 태양전지는 캐리어 수명이 현전히 개선되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼는 입사되는 빛에 대한 반사도가 평판형 구조뿐만 아니라 일반 피라미드(텍스처)구조 보다 현저히 낮은 반사도를 보이며 결과적으로 고효율의 태양전지 제조에 적합한 구조를 나타내는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼 및 이를 이용한 태양전지는 캐리어 수명이 긴 특징이 있다.
본 발명에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼는 POCl3이 도핑되어 균일성이 확보된 태양전지 제작 공정으로 기존 텍스쳐 도핑에 비하여 빛의 경로가 증가하여 photo confinement 등 양자효과 발생으로 전류값 증가에 기여하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼의 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 도핑온도에 따른 면저항을 나타낸 자료이며, 도 5는 도핑 온도에 따른 SIMS 프로파일 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지를 이용하여 개방 회로 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 도핑온도에 따른 면저항을 나타낸 자료이며, 도 5는 도핑 온도에 따른 SIMS 프로파일 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지를 이용하여 개방 회로 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼에 있어서, 상기 피라미드 패턴 상에 실리콘의 결정방향에 따라 나노와이어가 형성되고, POCl3로 도핑된 것을 특징으로 한 복합구조의 실리콘 웨이퍼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양 전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조공정도를 나타낸 것이다.
본 발명은 (1) 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 준비단계, (2)상기 실리콘 웨이퍼 표면에 습식에칭으로 피라미드 패턴 형성단계, 및 (3) 상기 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시켜 나노와이어 형상을 형성하는 나노와이어 형성단계 및 (4)상기 실리콘 웨이퍼를 POCl3로 도핑하는 도핑단계로 이루어진다.
먼저, 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼를 준비하는 데, 이는 단일 방향성을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비한다.
본 발명의 일실시예로서 실리콘 (100) 방향의 실리콘 웨이퍼를 준비하였으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 추가적으로 에칭하고자 하는 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정액으로 세정하는 단계로 구성할 수 있다. 특히 상기 세정은 실리콘 웨이퍼 표면에 형성되는 산화막 및 오염원을 제거하는 작용을 구현할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 일 실시예로서는 세정액으로 EKC-830 용액을 사용할 수 있다. 즉, 습식에칭을 수행하기 전 단계로서, 웨이퍼 표면의 산화막을 제거하기 위하여 EKC-830 용액으로 약 10분간 세정할 수 있다. 본 실시예예서 사용한 세정액은 이에 한정되지 않으며, 예로서 에칭용으로 사용되는 BOE, HF 등의 세정액이 적용될 수도 있다.
다음으로 본 발명은 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 표면에 습식에칭으로 피라미드 패턴을 형성하는 습식에칭단계를 갖는다.
습식에칭은 알칼리성의 에칭액을 이용한 습식 에칭에 의해 실시할 수 있다. 습식에칭액으로는 NaOH 1~3중량%, 유기용매 4~8 중량% 및 DI water 90~95중량%의 에칭액으로 실시하며, 반응온도는 70~80℃의 온도로 이루어지는 것을 바람직하다.
또한, 상기 유기용매로는 이소프로필알콜(Isopropyl alchol), 에틸알콜(ethyl alcohl), 메틸알콜(methyl alcohl), 아세톤(acetone)으로 이루어진 군에서 1 이상의 포함되는 것이 바람직하며, 이소프로필알콜(Isopropyl alchol)을 이용하는 것이 더 바람직하다.
상기 습식에칭은 이하의 식(1)의 반응에 의해서 진행한다.
Si＋4 OH-＋4 H+ → Si(OH)4 ＋ 2 H2 ‥‥‥‥ (1)
상기 식(1)에서 나타내지는 것처럼 알칼리인 NaOH에 의한 습식에칭에서는, 부생성물로서 수소가 발생하게 된다. 상기 수소가 기포로서 실리콘 기판 표면에 부착하게 되면, 에칭액과 실리콘 기판과의 접촉을 방지해 에칭이 불균일이 되는 문제가 발생한다. 이 문제에 대해, 실리콘 기판 표면에의 기포의 부착을 억제하려면 에칭액의 온도를 고온으로 하는 것이 유리하다.
따라서, 온도를 고온으로 유지하되 이소프로필알콜(Isopropyl alchol)의 비점인 82.4℃을 고려하여 70~80℃로 하는 것이 바람직하다.
또한, 습식에칭시간으로는 13 ~ 17분으로 진행하는 것이 바람직하며, 15분으로 진행하는 것이 가장 바람직하다. 상기 범위내로 습식에칭을 진행할 경우 피라미드 형상이 올바르게 형성되는 데, 상기 범위를 초과하게 되면 심하게 식각이 일어나 구조가 무너지거나 상기 범위 미만으로 되면 식각이 덜되어 구조 형성이 잘 이루어지지 않는다.
고가인 동시에 많은 공정 시간이 필요한 건식 식각 방법이 아닌 저가인 동시에 작은 공정 시간이 필요한 습식 식각 방법을 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 기존의 건식 식각 장치인 ICP(Inducted Coupled Plasma) 장치 및 RIE(Reactive Ion Etching) 장치는 모두 진공 환경에서 공정을 진행하기 때문에 고가이고, 클린 룸에서 운용되기 때문에 과도한 유지 보수 비용이 소요되었으나, 본 발명에서는 통상의 습식에칭 공정이 이용됨으로써 저렴하게 태양 전지를 제조할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 습식에칭으로 인해 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 패턴을 형성할 수 있게 된다.
다음으로 본 발명은 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시킴으로써 나노와이어 형상을 형성하는 나노와이어 형성단계를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 복합구조의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
상기 나노와이어 형상은 피라미드 패턴 상에서 산화 식각반응에 의해 형성되는 데, 이 방법도 습식에칭방법이라고 볼 수 있다. 상기 식각반응에 의해 피라미드 패턴 상에 나노사이즈로 형성된다.
상기 산화 식각반응으로 나노와이어를 형성시키는 나노와이어 형성 용액으로는 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water 및 과산화수소(H2O2)이 혼합된 용액에 AgNO3 이 분산시킨 용액을 이용할 수 있다. 불산을 기준으로 혼합되는 비율은 DI water : 불산이 8:1~10:1의 부피비율로 혼합되며, 과산화수소(H2O2) : 불산은 1:6 ~ 1:10 몰비로 혼합되며, AgNO3 : 불산은 1:300~1:500몰비로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 나노와이어 형성용액은 DI water로 희석된 불산(hydrofluoric acid, HF)에 AgNO3 을 분산시켜 상기 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지시키게되면 Ag 나노 파티클이 실리콘의 계면에서 산화가 일어나 식각을 일으키게 되어 나노 와이어를 형성하게 된다.
나노와이어 형성 용액에 실리콘 웨이퍼를 침지시키는 시간은 45 ~ 90sec으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 범위내로 침지가 이루어질 때 나노와이어 형성이 적절하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 피리미드 패턴을 형성 후에 나노와이어를 형성하는 다수의 습식에칭에 의한 복합구조를 형성함으로써, 입사된 빛의 반사도가 종래의 평판형 구조에 비해 현저히 낮고, 따라서 고효율인 태양 전지를 제공한다. 즉, 본 발명은 광흡수층을 기존의 평판형 구조에서 습식에칭에 의한 복합구조를 적용함으로써, 입사되는 빛의 경로가 증가하고, 이에 따라 광자 구속(photon confinement)과 같은 양자 효과 발생으로 전류값이 증가되며, 결국 효율이 증가한 태양 전지를 제공한다.
한편, 나노와이어 형성방향은 실리콘의 결정 방향에 따라서 식각이 일어난다. 이러한 이유는 실리콘결정은 결정성에 의해 비등방성 식각이 일어나며 이는 결정방향으로의 식각속도가 그렇지 않은 부분의 그것보다 현저히 빠르기 때문이다. 즉, 나노와이어의 형성은 실리콘 결정 방향에 따라 형성되게 된다. 즉, 도 3을 참조하면 본 발명의 일실시예로 100 방향의 실리콘 결정으로 형성된 것이며, 이에 따라 실리콘 웨이퍼 기판과 수직으로 형성되어 있게 된다.
다음으로 본 발명은 상기 실리콘 웨이퍼를 POCl3로 도핑하는 도핑단계를 갖는다.
상기 도핑단계는 POCl3의 n형 도펀트를 공급하게 되면 인(P)이 복합구조로 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 표면에 확산되면서 에미터층을 형성하게 된다.
일반적인 도핑 방법으로는 SOD(Spin On Doping), Implantation 도핑, 레이저도핑 방법 등이 있다. 상기 SOD의 경우 도핑 원료를 사용하여 웨이퍼표면에 증착을 한 뒤에 스핀 코팅(spin coating)을 이용하여 전체적으로 원료를 바르게 되는 방법으로 패턴이 형성된(텍스쳐된) 웨이퍼에 적용시 균일한 도핑이 되지 않는다는 단점이 있으며, Implatation 도핑의 경우 Dose의 양을 조절하여 선택적 에미터를 제조하여 고효율 태양전지를 만들 수 있다는 장점이 있으나, 장비가격의 고가로 인하여 양산화에 부적합하다. 또한, 레이저 도핑의 경우 레이저 세기나 빈도를 조절하여 원하는 junction depth와 표면농도를 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있으나, 레이저 가공을 통하여 웨이퍼 표면에 생기는 손상을 반드시 제거해야한다는 단점이 있다.
본 발명에서는 POCl3을 도핑하는 데 복합구조로 표면이 균일하지 못한 웨이퍼임에도 POCl3가 균일하게 도핑되어 에미터층을 형성할 수 있게 된다. 따라서, 다른 방법의 도핑보다 본 발명에 따른 POCl3을 이용한 도핑이 빛의 경로를 증가시켜 photo confinement 등 양자효과 발생으로 전류값 증가에 기여하게 된다.
또한, POCl3의 도핑시 적정온도는 855 ~ 865℃인 것이 바람직하며, 최적의 온도 조건은 860℃인 것이 가장 바람직하다. 또한, 면저항은 50~60Ω/sq인 것이 바람직하다.
860℃에서 평균 면저항이 52.79889로 현재 상용 제품의 면저항과 제일 유사한 값을 보였으며, 한편, 880℃에서는 면저항이 44.22111로 제일 낮은 값을 보였지만 낮은 면저항은 불순물이 많다는 것을 의미하기도 한다. 따라서 누설 전류의 양이 많아질 수 있으므로 880℃에서의 도핑 공정은 부적합하다고 볼 수 있다. 즉, 상용 제품의 면저항과 가장 유사한 값을 보인 860℃의 도핑 공정이 제일 적합하다는 것을 알 수 있다.
도 4는 도핑온도에 따른 면저항을 나타낸 자료이며, 도 5는 도핑 온도에 따른 SIMS 프로파일 그래프를 나타낸 것이다.
POCl3를 이용한 제 2 불순물의 도핑 후 깊이에 따른 원자의 농도를 도핑 온도의 변화에 따라 측정한 그래프이다. 이 과정은 SIMS Profile을 통해 이루어졌으며, 가장 최적화된 마이크로 와이어 PN 접합의 깊이를 얻을 수 있었다.
도 4를 참조하면, POCl3를 이용한 제 2 불순물의 도핑 후 깊이에 따른 원자의 농도는 온도에 비례하며, 깊이가 깊어질수록 대체적으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한, 최적 온도인 860에서의 측정값으로부터 가장 최적화된 마이크로 와이어 PN 접합의 깊이는 0.5m임을 알 수 있다.
이후에 태양전지를 제조하기 위해 추가적으로 행해지는 공정은 PSG(Phospho silicate glass) 제거단계, 전극 형성 단계 등을 거쳐 태양전지를 제조하나, 이는 일반적으로 개시된 방법을 통해 제조할 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에 따라 제조된 태양 전지에서 캐리어 수명은 47~55㎲로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 복합구조의 실리콘 웨이퍼는 반사율이 현저히 낮아져 고효율의 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지를 이용하여 개방 회로 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 6을 살펴보면, 개방전압(Open circuit voltage, Voc)은 태양전지 전극단자를 개방(open)하여 측정된 전압이다. 단락전류(Short circuit current, Isc)는 태양전지 전극단자를 단락(short)하여 흐르는 전류이며, 단위는 암페어(A)이고, 단락전류를 태양전지 면적으로 나누어주면 면적당 전류인 단락전류밀도(Jsc)를 얻는다. 곡선인자(fill factor, FF)는 개방전압과 단락전류의 곱에 대한 최대출력전압과 최대출력전류를 곱한 값의 비율이다. 태양전지효율(Efficiency, EFF)은 단위면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율로 기준테스트 조건의 빛 에너지는 100mW/이고, 태양전지 출력은 개방전압(Voc)과 단락전류밀도(Jsc), 곡선인자(FF)를 곱한 값이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예
1
실리콘 웨이퍼 준비 및 피라미드 패턴을 형성
단결정인 실리콘 중 100 결정방향의 실리콘 웨이퍼를 준비하였으며, 습식에칭액으로는 NaOH 2중량%, 이소프로필알콜 5중량% 및 DI water 93중량%를 준비하여 80℃의 고온으로 하여 상기 실리콘 웨이퍼를 습식에칭시킨다.
약 15분 동안 침지시켜 피라미드 형상의 패턴이 형성되도록 하였다.
나노와이어
형성
피라미드 패턴 상에 나노와이어를 형성하기 위한 나노와이어 형성용액으로는 실리콘 (100) 방향의 실리콘 웨이퍼를 준비하여, 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water, 과산화수소(H2O2) 및 AgNO3을 이용하는 데, DI water 176㎖, 불산(hydrofluoric acid, HF) 22㎖(4.8mol) 및 과산화수소(H2O2) 2㎖ (0.5mol)가 혼합된 용액에 AgNO3 10mmol을 분산시켜 완성하였다.
나노와이어 형성을 위한 침지시간은 45sec을 유지하여 나노와이어를 형성하여 피라미드 및 나노와이어의 복합구조가 형성된 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.
POCl
3
도핑
POCl3의 도핑시 형성된 면저항은 50 /sq 인 것으로 실시하였으며, 이때의 도핑온도는 860에서 진행하였다.
실시예
2 ~
실시예
4
실시예 1과 동일하게 실시하되, 나노와이어 형성을 위한 침지시간을 각각 60sec(실시예 2), 75sec(실시예 3), 90sec(실시예 4)하여 복합구조의 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.
비교예
1
실시예 1에서 실시한 것과 동일한 방법으로 피라미드 패턴을 형성하였다. 다만, 나노와이어를 형성하는 과정 없이 피라미드 패턴만을 형성하였으며, 이에 POCl3 을 도핑하지 않고 레이저 도핑을 이용하여 도핑을 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.
실시예 1 ~ 실시예 4로 제조된 실리콘 웨이퍼 및 비교예 1의 실리콘 웨이퍼의 파장영역 700nm, 800nm, 900nm, 1000nm하에서 반사율을 측정하여 아래의 표 1로 정리하였다.
| 구 분 | 파장영역에 따른 반사율 (%) | |||
| 700nm | 800nm | 900nm | 1000nm | |
| 실시예 1 | 3.5 | 3.6 | 3.7 | 3.5 |
| 실시예 2 | 3.8 | 4.0 | 3.9 | 4.0 |
| 실시예 3 | 4.2 | 4.3 | 4.1 | 3.9 |
| 실시예 4 | 4.6 | 4.5 | 4.4 | 4.5 |
| 비교예 1 | 10.3 | 9.8 | 10.1 | 10.4 |
실시예 1 ~ 실시예 4로 제조된 실리콘 웨이퍼 및 비교예 1의 실리콘 웨이퍼를 살펴보면, 각 파장영역에서 실시예 1 ~ 실시예 4의 실리콘 웨이퍼의 반사율은 5% 미만이며, 비교예 1의 반사율은 9%를 초과하므로 반사율에서 현저히 차이가 남을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1의 조건으로 제작된 태양 전지의 효율은 약 17.2%의 효율을 얻을 수 있는 것을 IQE 측정을 통하여 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 피라미드 및 나노와이어의 복합구조가 형성된 실리콘 웨이퍼를 이용하게 되는 경우 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
Claims (12)
- 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼에 있어서,
상기 피라미드 패턴 상에 실리콘의 결정방향에 따라 나노와이어가 형성되고, POCl3로 도핑되며,
상기 습식에칭은 NaOH 1~3중량%, 유기용매 4~8 중량% 및 DI water 90~95중량%의 에칭액으로 70~80℃의 온도로 13 ~ 17분동안 이루어지며,
상기 나노와이어 형성은 피라미드 패턴 상에서 산화 식각반응에 의해 형성되되, 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water, 과산화수소(H2O2) 및 AgNO3 로 이루어진 용액에 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지함으로써 형성되며, 불산을 기준으로 혼합되는 비율은 DI water : 불산이 8:1~10:1의 부피비율로 혼합되며, 과산화수소(H2O2) : 불산이 1:6 ~ 1:10 몰비로 혼합되며, AgNO3 : 불산이 1:300~1:500몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유기용매는 이소프로필알콜(Isopropyl alchol), 에틸알콜(ethyl alcohl), 메틸알콜(methyl alcohl), 아세톤(acetone)으로 이루어진 군에서 1 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼.
- 삭제
- 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 준비단계;
상기 실리콘 웨이퍼 표면에 습식에칭으로 피라미드 패턴 형성단계;
상기 습식에칭으로 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 표면을 산화시켜 나노와이어 형상을 형성하는 나노와이어 형성단계; 및
상기 실리콘 웨이퍼를 POCl3로 도핑하는 도핑단계를 포함하되,
상기 상기 습식에칭은 NaOH 1~3중량%, 유기용매 4~8 중량% 및 DI water 90~95중량%의 에칭액으로 70~80℃의 온도로 13 ~ 17분동안 이루어지며,
상기 나노와이어 형성은 피라미드 패턴 상에서 산화 식각반응에 의해 형성되되, 불산(hydrofluoric acid, HF), DI water, 과산화수소(H2O2) 및 AgNO3 로 이루어진 용액에 피라미드 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 침지함으로써 형성되며, 불산을 기준으로 혼합되는 비율은 DI water : 불산이 8:1~10:1의 부피비율로 혼합되며, 과산화수소(H2O2) : 불산이 1:6 ~ 1:10 몰비로 혼합되며, AgNO3 : 불산이 1:300~1:500몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 유기용매는 이소프로필알콜(Isopropyl alchol), 에틸알콜(ethyl alcohl), 메틸알콜(methyl alcohl), 아세톤(acetone)으로 이루어진 군에서 1 이상의 포함되는 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서,
실리콘 웨이퍼를 침지하는 시간은 45~90sec인 것을 특징으로 하는 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법.
- 제1항, 제3항 중 어느 한항에 따른 복합구조 실리콘 웨이퍼 또는 제5항, 제7항 및 제9항 중 어느 한항에 따른 복합구조의 실리콘 웨이퍼 제조방법을 이용하여 제조된 태양 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 태양 전지에서 면저항은 50 ~60Ω/sq인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 태양 전지에서 캐리어 수명은 47~55㎲인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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2013
- 2013-07-25 KR KR20130088001A patent/KR101510708B1/ko active IP Right Grant
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