나노기공 실리콘 태양전지

Abstract

본 연구에서는 기존의 성숙된 기술인 결정질 실리콘 태양전지 기술에 접목 가능한 태양전지 표면에 나노기공 구조 (~100 nm)를 구현하여 추가적인 진공증착법에 의한 반사방지막 형성 (antireflection coating) 없이도 반사방지 효과가 뛰어난 새로운 태양전지 개발에 성공하였다. 나노기공 구조를 갖는 태양전지는 반사방지막 형성을 위한 고가의 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)과 같은 진공증착 장비 없어 태양전지 제조의 공정 비용을 낮출 수 있으며, 이와 같은 태양전지의 개발은 태양전지 산업계에 원가절감 (cost down)에 대한 큰 가치를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여 제 3장에서 나노기공을 형성하는 공정을 세가지 단계로 나누어 시도하여 최적 반응조건을 도출하였다. 실리콘 웨이퍼의 상태, 반응용액의 조성 및 전류밀도 등을 변수로 하여 태양전지를 제작하고, 그 미세구조와 반사도를 측정하여 도출된 양극산화반응 최적조건은 습식 식각 (wet etching)에 의해 웨이퍼 (wafer) 표면을 피라미드 (pyramid) 형상으로 식각한 후 도핑 (doping) 공정으로 p-n 접합을 형성한 웨이퍼와 Et_OH를 기본으로 하는 33.3% HF 전해질 (33.3%), 그리고 25 mA/cm²의 전류밀도로 결정되었다. 또한, 제 4장에서는 최적화 양극산화반응 조건에서 반응시간을 변수로 직접 태양전지에 적용하여 나노기공 형성 및 나노기공의 산화막 형성과 태양전지 특성의 관계로부터 최적 나노기공 태양전지 제조 공정을 개발하였다. 선택된 최적 공정조건은 3 sec간 양극산화한 태양전지를 350℃에서 30분 동안 건조와 동시에 산화막을 형성시키는 것으로 변환효율 14.00%를 달성할 수 있었다. 반도체에 사용되는 실리콘 웨이퍼와 달리 순도가 낮은 태양전지급 (solar grade) 실리콘 웨이퍼를 활용하여 이를 절단하지 않고 5 inch 크기의 pseudo square wafer 전체로 실험하여 (유효면적 144.7 cm²) 얻은 결과 중에 본 연구의 결과 보다 높은 보고는 아직 확인되지 않고 있다. 본 연구의 결과는 즉시 산업에서 즉시 적용가능 한 크기로 제작했다는 점에서 가치가 높으며 제품 생산공정에 파급효과가 클 것으로 예상된다. 특히, 최근 나노구조 태양전지의 개발이 기존의 실리콘 태양전지의 장점을 살리고 단점을 보완하여 저비용으로 고효율을 얻기 위해 학계와 산업계에 주목을 받고 있는 점을 고려하면 Grid parity 달성을 위해 지속적으로 원가를 낮추어야 하는 태양전지 산업계에 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 또한, 나노기공 실리콘을 이용한 태양전지 개발은 기존의 실리콘계 태양전지에 응용되는 기술인 p-n 접합기술, 전극형성 기술, 선택적 etching 기술, 박막 증착 기술 등과 같이 반도체 memory와 TFT-LCD 산업에 활용되는 기술과 접목이 가능하여 파급효과가 더욱 클 것으로 기대된다.; Nanoporous silicon surface was formed on monocrystalline silicon solar cells (pseudo squire, 12.5 X 12.5 cm²) by electrochemical etching. The galvanostatic mode was applied to conventional n-p-p^(+) solar cells which were fabricated by pyramidal texturing, phosphorous diffusion, screen-printing, rapid thermal firing, and laser isolation (effective area of 144.7 cm²). Without additional antireflection layer such as SiNx, anodic reaction of Si wafer could provide uniformed porous layers on pyramid surface (111) with relatively low reflectance in the wavelength range between 300 and 1200 nm. In addition, the remained heavily doped emitter under the previously formed front metal grid would improve photovoltaic performance as a selective emitter effect. The AR property with nanopore formation improved, but the FF degradation due to metal grid dissolution was occurred with increasing electrochemical reaction time. The optimized reaction time had been understood by relationship between AR property improvement and metal electrode damage. Optimum condition for the formation of nanoporous surface is etching time of 3 sec in ethanol based solution of 33.3 wt % HF applying with 25 mA / cm² of current density. In this condition, the average thickness of nanopore layer formed on the pyramidal surface is about 150nm. We have successfully developed a conversion efficiency of 13.60 % (V_(oc) = 0.604 V, J_(sc)= 30.19 mA / cm², FF = 0.746) on the full size of solar grade wafer due to anti-reflection effect of nanopore layer and selective emitter effect. Nanoporous Si solar cells also have potential to improve photovoltaic properties such as a surface oxide passivation, because nanoporous Si can be oxidation at relatively low temperature in atmosphere of air. Finally, we have obtained a maximum conversion efficiency of 14.0% by additional heat treatment in air at 350℃ for 30min without any antireflection coating treatment using a vacuum equipment such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). We can effectively substitute the high cost process of AR layer deposition for the low cost wet process. It means that the present results are useful in the photovoltaic application for low cost manufacturing.