KR102514017B1 - 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법에 관한 것으로, DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성하는 방법에 있어서, 준안정 실리콘 상을 포함하는 상변환층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 제 1 단계; 세정된 실리콘 웨이퍼를 열처리하여 웨이퍼 표면에 상변환층 영역과 결정질층 영역을 포함하는 혼재층을 형성하는 제 2 단계; 습식 세정 용액을 통해 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세척하는 제 3 단계; 및 세척된 실리콘 웨이퍼를 산 용액에 침지시켜 웨이퍼 표면에 텍스쳐가 형성되도록 식각하는 제 4 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법에 관한 것이다.
결정질 실리콘 태양전지는 세계 태양광 시장의 95% 이상을 차지하고 있으며, 이러한 결정질 실리콘 태양전지가 태양전지 시장을 주도할 수 있는 주요 요인은 저렴한 가격으로 높은 효율을 얻을 수 있는 높은 가격 경쟁력을 가지고 있기 때문으로 알려져 있다.
한편, 결정질 실리콘 태양전지에서 기판으로 사용되는 실리콘 재료 및 실리콘 웨이퍼 제작비용은 태양전지 가격의 30% 수준을 차지하며, 일반적으로 결정질 실리콘 태양전지의 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 brick 형태에서 Sawing 공정을 이용해 제작될 수 있다.
이 때, Sawing 공정에 사용되는 공정비용은 실리콘 웨이퍼 제작비용 중 약 30%의 비율을 차지하므로 비교적 높은 수준이며, Sawing 공정 시 실리콘 재료의 약 50%가 kerf로 손실된다.
이에 따라, 많은 실리콘 웨이퍼 제조회사는 가격 경쟁력을 갖추기 위해 Sawing 공정의 비용을 줄일 수 있는 방법을 지속적으로 연구하고 있다.
구체적으로, Sawing 공정은 Multi-Wire Slurry Sawing(MWSS)와 Diamond Wire Sawing(DWS) 방식으로 나누어지며, DWS 방식은 MWSS 방식을 대체하기 위한 개발된 Sawing 공정이다. 상기한 DSW 방식은 water-based lubricant를 사용하므로, silicon kerf의 회수가 쉽고, 재활용성이 좋아 환경오염 및 경제적으로 장점이 있으며, MWSS 방식 대비 2~3배 빠른 슬라이싱 속도로 높은 생산성을 가지는 동시에 균일하고 얇은 웨이퍼를 제작할 수 있어 공정비용을 절반이상 줄일 수 있다.
그럼에도 불구하고, DWS 방식이 MWSS 방식보다 다결정 실리콘(mc-Si)에서 낮은 시장 점유율을 차지하고 있는데, 이는 태양전지의 광흡수율증가 및 효율 향상을 위한 표면 텍스쳐링에 사용되는 일반적인 습식 텍스쳐링 방식으로는 표면 텍스쳐링이 불가능하기 때문이다.
구체적으로, MWSS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼는 산 용액을 이용한 습식 텍스쳐링 공정이 수행되는 경우, 슬라이스 공정에서 발생하는 거친 형태의 표면 damage가 시드작용을 하여 웨이퍼 표면에 비등방성 식각이 일어날 수 있으나, 반면에, DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면은 MWSS 방식과 달리 작은 결함 및 평행한 Saw mark 형태와 고속, 고압 공정조건으로 인해 표면의 상이 변화된 형태인 비정질층을 포함하므로 일반적인 산 용액을 이용한 습식 텍스쳐링 공정을 통한 비등방성 식각이 불가능하다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면 형상에 영향을 받지 않는 텍스쳐링 방법인 플라즈마 식각, 금속촉매 에칭, 첨가제 사용 등의 연구가 진행되고 있으나, 비싼 장비 및 공정 비용과 후속 공정이 필수적으로 요구되는 한계점이 존재하였다.
이에 따라, 환경 친화적이며, 안정성이 확보되고, 비교적 저렴한 공정비용으로 DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면을 효과적으로 습식 표면 텍스쳐링할 수 있는 공정이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면에 일반적인 산 용액을 이용한 습식 텍스쳐링을 이용하여 쉽게 텍스쳐를 형성할 수 있는 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법을 제공하고자 한다.
또한, 고가의 추가 공정, 금속 촉매 등의 복잡한 공정, 부산물로 인한 환경오염 문제없이 저비용으로 높은 품질의 표면 텍스쳐링이 가능하다.
또한, 최적화된 열처리 조건을 이용하여 입사광의 반사율을 저하시켜 효과적인 광흡수율을 가지는 태양전지용 기판을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법은 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성하는 방법에 있어서, 준안정 실리콘 상을 포함하는 상변환층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 제 1 단계; 세정된 실리콘 웨이퍼를 열처리하여 웨이퍼 표면에 상변환층 영역과 결정질층 영역을 포함하는 혼재층을 형성하는 제 2 단계; 습식 세정 용액을 통해 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세척하는 제 3 단계; 및 세척된 실리콘 웨이퍼를 산 용액에 침지시켜 웨이퍼 표면에 텍스쳐가 형성되도록 식각하는 제 4 단계를 포함한다.
또한, 상기 제 1 단계는: 수산화 암모늄, 과산화 수소 및 탈 이온수를 포함한 제 1 세정용액을 이용하여 표면 불순물과 실리콘 산화막을 제거하는 SC-1 세정단계; 및 염산, 과산화 수소 및 탈 이온수를 포함한 제 2 세정용액을 이용하여 중금속을 제거하는 SC-2 세정단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 단계에서, 상기 열처리는 600~1000℃의 범위 내 열처리 온도에서 5~20 분동안 유지하여 수행된다.
또한, 상기 제 2 단계에서, 상기 열처리는 질소, 산소, 수소 중 선택된 하나의 기체 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합기체를 포함하는 가스분위기에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 제 2 단계에서, 상기 열처리는 상기 준안정 실리콘 상의 결정화를 유도하여 상기 상변환층의 일부 영역에서 결정질층이 형성된다.
또한, 상기 제 3 단계에서, 상기 습식 세정 용액은 농도 10%의 불산과 탈 이온수가 1:10~100의 비율로 혼합된 혼합용액일 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계에서, 상기 산 용액은 농도 47~49%의 불산, 농도 69~71%의 질산 및 탈 이온수가 1:5-8:6-9의 비율로 혼합된 혼합용액이다.
또한, 상기 제 4 단계에서, 세척된 실리콘 웨이퍼를 상기 산 용액에 7~10℃의 온도 범위내에서 3~5분간 침지할 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계는, 상기 혼재층에 포함된 상변환층이 에칭 마스크의 역할을 하여, 선택적으로 상기 결정질층의 일부 또는 전부를 식각한다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법은 DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면에 일반적인 산 용액을 이용한 습식 텍스쳐링을 이용하여 쉽게 텍스쳐를 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고가의 추가 공정, 금속 촉매 등의 복잡한 공정, 부산물로 인한 환경오염 문제없이 저비용으로 높은 품질의 표면 텍스쳐링이 가능하다.
또한, 최적화된 열처리 조건을 이용하여 입사광의 반사율을 저하시켜 효과적인 광흡수율을 가지는 태양전지용 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법의 공정을 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.
도 3은 DWS 방식 및 MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 2에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 라만 분석 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼에 반사방지막을 증착하기 전과 후의 표면 반사율을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법의 공정을 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.
도 3은 DWS 방식 및 MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 2에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 라만 분석 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼에 반사방지막을 증착하기 전과 후의 표면 반사율을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법의 공정을 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.
일반적인 다결정 실리콘 웨이퍼 제조방법은 CZ(Czochralski) 법, FZ(Floating Zone Melting) 법, Bridgman 법 및 Casting 법 등을 이용하여 다결정 실리콘 잉곳을 제조한 후, 제조된 다결정 실리콘 잉곳을 적당한 크기로 커팅하고, 커팅된 잉곳을 Sawing 공정을 이용하여 얇게 조각낸다.
이러한 Sawing 공정은 크게 멀티 와이어 슬러리 쏘잉(Multi-Wire Slurry Sawing, 이하 MWSS)와 다이아몬드 와이어 쏘잉(Diamond Wire Sawing, 이하 DWS)로 나누어 질 수 있다.
한편, DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼는 고속 및 고압의 공정조건으로 인해 표면에 복수 개의 평행한 Saw Mark가 발생되며, 상변환으로 인한 비정질층이 형성되어, 일반적인 산업에서 사용되어지는 산 용액을 이용한 습식 표면 텍스쳐링 방법으로는 웨이퍼 표면에 텍스쳐를 형성하기 어려운 문제점이 있다.
이에, 하기에서는, DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼에도 일반적인 산 용액을 이용한 습식 표면 텍스쳐링이 가능하도록 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법을 제공하고자 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법은 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성하는 방법으로써, 준안정 실리콘 상을 포함하는 상변환층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 제 1 단계(S100), 세정된 실리콘 웨이퍼를 결정화 처리하여 웨이퍼 표면에 상변환층 영역과 결정질층 영역을 포함하는 혼재층을 형성하는 제 2 단계(S200), 습식 세정 용액을 통해 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세척하는 제 3 단계(S300), 및 세척된 실리콘 웨이퍼를 산 용액에 침지시켜 웨이퍼 표면에 텍스쳐가 형성되도록 식각하는 제 4 단계를 포함한다.
먼저, 제 1 단계(S100)는 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼(이하, 실리콘 웨이퍼)의 표면을 세정하는 단계로, SC-1 세정단계(S110) 및 SC-2 세정단계(S120)를 포함할 수 있다.
구체적으로, SC-1 세정단계(S110)에서는 수산화 암모늄(NH4OH), 과산화 수소(H2O2) 및 탈 이온수(DI)를 포함한 제 1 세정용액을 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면의 파티클을 과산화 수소로 산화시키고, 실리콘 산화막을 암모니아로 제거한다.
더하여, SC-1 세정단계(S110)에서 상기 제 1 세정용액은 수산화 암모늄, 과산화 수소 및 탈 이온수를 1:1:5의 비율로 혼합한 용액이며, SC-1 세정공정은 75~90℃의 온도에서 10~20분간 실시되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 과산화 수소의 강한 산화작용으로 웨이퍼 표면의 유기 물질들이 물에 잘 용해되는 복합물질로 형성될 수 있으며, 암모니아의 용해 및 식각작용으로 산화막이 제거된다.
또한, SC-2 세정단계(S120)에서는 염산(HCl), 과산화 수소(H2O2) 및 탈 이온수(DI)를 포함한 제 2 세정용액을 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면에 부착된 중금속(Fe, Ni, Cr, Cu 등)을 염산으로 용해시켜 제거할 수 있다.
더하여, SC-2 세정단계(S120)에서 제 2 세정용액은 염산, 과산화 수소 및 탈 이온수를 1:1:5의 비율로 혼합한 용액이며, SC-2 세정공정은 75~85℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, SC-2 세정공정은 중금속 불순물 이외에도 알칼리 금속과 금속 수화물을 제거한다.
다음으로, 제 2 단계(S200)는 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 형성된 상변환층의 일부 영역을 결정화하는 단계이다.
앞서 설명한 바와 같이, DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면은 고속, 고압 공정조건으로 인해 안정한 실리콘 상이 불안정한 실리콘 상으로 상변환되어 상변환층이 형성될 수 있으며, 상기 상변환층은 준안정 실리콘 상을 포함한다.
구체적으로, 상기 준안정 실리콘 상은 Si-III상, Si-XII상 및 비정질 실리콘 상(a-Si)으로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 준안정 실리콘 상은 불규칙하게 실리콘 웨이퍼의 표면에 혼재되어 하나의 상변환층을 형성한다.
또한, 제 2 단계(S200)의 상변환층의 결정화 처리는 열처리를 통해 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 상기 결정화 처리는 600~1000℃의 범위 내 온도에서 5~20 분동안 열처리하여 수행될 수 있다.
더하여, 제 2 단계(S200)의 상기 결정화 처리는 질소, 산소, 수소 중 선택된 하나의 기체 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합기체를 포함하는 가스분위기에서 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법에서 제 2 단계(S200)의 상기 결정화 처리는 상기 준안정 실리콘 상의 결정화를 유도하여 상기 상변환층의 일부 영역에서 결정질층이 형성될 수 있으며, 이로써, 실리콘 웨이퍼의 표면에는 경정화 처리를 통해 결정화되지 않은 상변환층 영역과 결정화된 결정질층을 포함하는 혼재층이 형성된다.
다음으로, 제 3 단계(S300)는 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세척하는 단계로, 습식 세정 용액을 이용할 수 있다.
구체적으로, 제 3 단계(S300)에서, 상기 습식 세정 용액은 농도 10%의 불산(HF)과 탈 이온수(DI)를 1:10~100 비율로 혼합된 혼합용액이다.
또한, 제 3 단계(S300)의 상기 습식 세정 용액을 이용한 세척공정은 상온에서 20~60초간 수행되는 것이 바람직하며, 때때로 초음파를 더 이용할 수 있다.
다음으로, 제 4 단계(S400)는 세척된 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성하기 위한 단계로, 세척된 실리콘 웨이퍼를 산 용액에 침지시켜 표면에 텍스쳐가 형성되도록 식각한다.
이 때, 상기 산 용액은 하나 이상의 산, 하나 이상의 계면활성제 및 용매를 포함하거나, 이들을 필수적으로 또는 선택적으로 포함하거나, 이들로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산 용액은 상기 산 용액은 농도 47~49%의 불산, 농도 69~71%의 질산 및 탈 이온수가 1:5-8:6-9의 비율로 혼합된 혼합용액이며, 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성할 수 있는 것이면 이에 제한되지 않는다.
또한, 제 4 단계(S400)는 세척된 실리콘 웨이퍼를 상기 산 용액에 7~10℃의 온도 범위내에서 3~5분간 침지한다.
더하여, 제 4 단계(S400)에서는 혼재층에 포함된 상변환층이 에칭 마스크의 역할을 하여, 선택적으로 혼재층에 포함된 결정질층의 일부 또는 전부를 식각할 수 있다.
구체적으로, 제 4 단계(S400)에서, 상기 혼재층 중 상기 상변환층을 제외한 결정질층이 선택적으로 식각되어, 실리콘 웨이퍼 표면에 요철형태의 텍스쳐가 형성될 수 있으며, 상기 텍스쳐는 습식 식각의 특징인 등방성 형태로 형성될 수 있다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법은 제 2 단계(S200)에서 열처리를 통해 실리콘 웨이퍼의 표면에 태양전지에 적합한 반사율을 갖는 텍스쳐를 형성하기 위한 일반적인 산 용액으로도 식각 처리가 가능한 결정질층과 식각 처리가 어려운 상변환층을 포함하는 혼재층을 형성할 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시예에서는 제 4 단계(S400)에서 상기 상변환층은 에칭 마스크 역할을 함에 따라 상기 결정질층이 선택적으로 식각되면서 태양전지에 적합한 반사율을 가지는 텍스쳐가 최종적으로 형성될 수 있다.
도 2a는 DSW 방식으로 제작된 상변환층(110)을 포함하는 실리콘 웨이퍼(100)를 나타낸 도면이고, 도 2b는 본 발명에 따른 제 2 단계의 열처리가 수행된 후 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 나타낸 도면이고, 도 2c는 본발명에 따른 제 4 단계의 식각처리가 수행된 후 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼(100)를 열처리하면, 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에 형성된 준안정 실리콘 상을 포함하는 상변환층(110)의 일부 영역이 결정화되어 결정질층(120)이 형성되며, 이에 따라, 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에는 상변환층(110)과 결정질층(120)을 포함하는 혼재층(200)이 형성된다.
이후, 혼재층(200)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)를 산 용액에 침지시키면, 상기 결정질층(120)이 식각되어 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에 텍스쳐를 형성한다.
이 때, 상기 상변환층(1100)은 Si-III상, Si-XII상 및 비정질 실리콘 상(a-Si)이 혼재된 준안정 실리콘 상을 포함하고 있어, 식각 속도가 매우 느리고, 에칭이 잘 되지 않는 특성을 가지므로, 에칭 마스크와 같은 역할을 할 수 있다.
이에 따라, 상기 결정질층(120)에서 산 용액으로 인한 등방성 식각 현상이 일어난다.
즉, 일반적인 산업에서 사용되어지는 산 용액을 이용하여 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 효과적으로 텍스쳐를 형성할 수 있다.
<
실시예
1>
DWS
방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의
텍스쳐링
1
S100단계: DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 수산화 암모늄, 과산화 수소 및 탈 이온수를 1:1:5의 비율로 혼합한 용액을 이용하여, SC-1 세정공정을 80℃의 온도에 10분간 실시하였다. 이후, 염산, 과산화 수소 및 탈 이온수를 1:1:5의 비율로 혼합한 용액을 이용하여, SC-2 세정공정을 80℃의 온도에서 10분간 실시하였다.
S200단계: 세정된 실리콘 웨이퍼를 질소분위기에서 800℃의 온도로 10분 동안 열처리하여 웨이퍼 표면에 상변환층 영역과 결정질층 영역을 포함하는 혼재층을 형성하였다.
S300단계: 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 농도 10%의 불산과 탈 이온수가 1:50의 비율로 혼합된 혼합용액을 이용하여, 30초간 세척하였다.
S400단계: 세척된 실리콘 웨이퍼를 농도 49%의 불산, 농도 69%의 질산 및 탈 이온수가 1:6:6.4 비율로 혼합된 산 용액에 7℃의 온도에서 3분간 침지하여 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.
<
비교예
1,2,3>
DWS
방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의
텍스쳐링
2
상기 실시예 1의 S200단계를 실시하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 제조하였다(비교예 1)
또한, 상기 실시예 1의 S100단계에서 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼를 MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼로 대체하여 사용하고, S200단계 및 S300단계를 실시하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼를 제조하였다(비교예 2)
더하여, 상기 실시예 1의 S200단계, S300단계 및 S400단계를 실시하지 않은 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼를 준비하였다(비교예 3)
<
실험예
1>
실시예
1 및
비교예
1,2,3에 따른 실리콘 웨이퍼의 미세조직 평가
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법으로 제조되는 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 미세조직 평가를 비교하기 위하여, 실시예 1과 비교예 1,2,3을 통해 실리콘 웨이퍼의 표면 미세조직을 도시하였고, 이를 도 3, 4 및 5에 나타내었다.
도 3은 DWS 방식 및 MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면과 비교예 2에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의 표면을 비교한 SEM 이미지이다.
도 3을 참조하면, 도 3a는 MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 3b는 본 발명의 비교예 3에 따른 DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다.
MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면은 슬라이스 공정에서 발생하는 거친 형태의 Saw-Damage를 확인할 수 있으며, 반면에, DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면은 고속, 고압 공정조건으로 인해 복수 개의 평행한 saw mark를 확인할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 비교예 1에 따른 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이며, 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따른 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면 형상은 등방성 식각 형태로 둥근 부채꼴 표면 형태를 특징으로 하며, 등방성 식각 형태의 표면 텍스쳐가 균일하게 형성되어 있는 것을 확인하였다. 이는, 태양전지 제작시 우수한 반사 방지 특성을 제공한다.
반면에, 도 4a의 비교예 1의 경우, 도 4b와 대조적으로 웨이퍼의 쏘막 형상인 평평한 영역의 특징이 관찰되었으며, 준안정 실리콘 상의 느린 식각속도로 인해 표면의 반사방지 특성을 갖는 등방성 형태의 텍스쳐의 형상을 관찰할 수 없다.
도 5a는 본 발명의 비교예 2에 따른 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이며, 도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따른 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 따른 웨이퍼 표면은 DSW 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼를 일반적인 산 용액을 이용하여 습식 텍스쳐링하였음에도 불구하고, MWSS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼에 일반적인 산 용액으로 텍스쳐링한 비교예 2의 웨이퍼 표면과 매우 유사한 텍스쳐 형상을 가짐을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법으로 제조되는 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면 결정화를 확인하기 위하여, 실시예 1의 식각처리 전 실리콘 웨이퍼와 비교예 3에 따른 실리콘 웨이퍼의 표면 라만 스펙트럼을 분석하였고, 이를 도 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 실리콘 웨이퍼의라만 분석 결과 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 비교예 3에 따른 실리콘 웨이퍼의 표면은 150 cm-1에서 Si-III상, Si-XII상 및 비정질 실리콘 상(a-Si)의 피크가 관찰되었으며, 470 cm-1에서 비정질 실리콘 상(a-Si)의 피크가 관찰되었다.
한편, 실시예 1의 식각처리 전 실리콘 웨이퍼의 표면에서는 Si-III상, Si-XII상 및 비정질 실리콘 상(a-Si)의 피크는 거의 사라졌으나 여전히 약한 강도의 피크를 관찰할 수 있으며, 결정질 상인 Si-I상 (c-Si)의 강한 피크가 관찰되었다.
이로써, 본 발명의 열처리로 인해, 실시예 1의 식각처리 전 실리콘 웨이퍼의 표면의 준안정 실리콘 상이 결정화되었음을 확인할 수 있으며, 결정질 상과 준안정 실리콘 상이 혼재되어있음을 확인할 수 있다.
<
실험예
2>
실시예
1 및
비교예
1,2에 따른 실리콘 웨이퍼의 반사도 평가
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법으로 제조되는 텍스쳐링된 실리콘 웨이퍼의 표면 반사도를 확인하기 위하여, UV-Vis 반사도 측정을 통해 300-1200nm 범위에서 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 가중평균 반사율과 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 반사방지막을 증착한 후 가중평균 반사율을 계산하였고, 이를 도 7에 나타내었다.
도 7의 그래프와 같이, 본 발명의 비교예 1은 표면에 텍스쳐의 형성이 적절히 이루어지지 않아 입사광에 대한 가중평균 반사율이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예 1은 가중평균 반사율 값으로 대략 7.5%의 반사율을 획득함을 확인할 수 있으며, 이는 비교예 2의 가중평균 반사율 값과 유사한 수준임을 확인하였다.
실리콘 웨이퍼 표면에 방사방지막을 증착한 후의 경우에도, 비교예 1의 가중평균 반사율이 가장 높고, 실시예 1와 비교예 2의 가중평균 반사율은 유사하였다.
이로써, 본 발명의 태양전지 기판의 습식 텍스쳐링 방법은 DWS 방식으로 제작된 다결정 실리콘 웨이퍼 기판에 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 텍스쳐를 효과적으로 형성함으로써 광흡수율의 증대를 기대할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 실리콘 웨이퍼
110: 상변환층
120: 결정질층
200: 혼재층
110: 상변환층
120: 결정질층
200: 혼재층
Claims (9)
- DWS 방식으로 제작된 실리콘 웨이퍼의 표면에 텍스쳐를 형성하는 방법에 있어서,
준안정 실리콘 상을 포함하는 상변환층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세정하는 제 1 단계;
세정된 실리콘 웨이퍼를 결정화 처리하여 웨이퍼 표면에 상변환층 영역과 결정질층 영역을 포함하는 혼재층을 형성하는 제 2 단계;
습식 세정 용액을 통해 혼재층이 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 세척하는 제 3 단계; 및
세척된 실리콘 웨이퍼를 산 용액에 침지시켜 웨이퍼 표면에 텍스쳐가 형성되도록 식각하는 제 4 단계를 포함하되,
상기 제 2 단계에서, 상기 준안정 실리콘 상의 결정화를 유도하여, 상기 상변환층의 일부 영역에서 결정질층이 형성되고,
상기 제 4 단계에서, 상기 혼재층에 포함된 상변환층이 에칭 마스크의 역할을 하여, 선택적으로 상기 결정질층의 일부 또는 전부를 식각함에 따라 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 둥근 부채꼴 표면 형태의 텍스쳐가 균일하게 형성되는 습식 텍스쳐링 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계는:
수산화 암모늄, 과산화 수소 및 탈 이온수를 포함한 제 1 세정용액을 이용하여 표면 불순물과 실리콘 산화막을 제거하는 SC-1 세정단계; 및
염산, 과산화 수소 및 탈 이온수를 포함한 제 2 세정용액을 이용하여 중금속을 제거하는 SC-2 세정단계를 포함하는 습식 텍스쳐링 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서,
상기 결정화 처리는 600~1000℃의 범위 내 온도에서 5~20 분동안 열처리하여 수행되는 습식 텍스쳐링 방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 단계는,
질소, 산소, 수소 중 선택된 하나의 기체 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합기체를 포함하는 가스분위기에서 수행되는 습식 텍스쳐링 방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 3 단계에서,
상기 습식 세정 용액은 농도 10%의 불산과 탈 이온수가 1:10~100의 비율로 혼합된 혼합용액인 습식 텍스쳐링 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 4 단계에서,
상기 산 용액은 농도 47~49%의 불산, 농도 69~71%의 질산 및 탈 이온수가 1:5-8:6-9의 비율로 혼합된 혼합용액인 습식 텍스쳐링 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 4 단계에서,
세척된 실리콘 웨이퍼를 상기 산 용액에 7~10℃의 온도 범위내에서 3~5분간 침지하는 습식 텍스쳐링 방법.
- 삭제
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| CN105679882A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-15 | 盐城阿特斯协鑫阳光电力科技有限公司 | 一种金刚线切割的多晶硅片的制绒方法 |
| CN109166798A (zh) * | 2018-08-02 | 2019-01-08 | 南昌大学 | 一种金刚石线锯切割硅片的表面相变处理方法 |
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