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1. 서 론
급속한 인구 증가와 세계 평준화로 풍요로운 삶을 원하는 이들이 많아져 한정된 자원의 소비가 증가하고 있다. 이러한 점들은 에너지 수급의 불균형과 환경오염, 기후 변화를 야기하고 이를 해결하기 위해 청정에너지의 개발과 효율적인 에너지 사용의 중요성은 점점 더 커지고 있다.
대표적인 청정에너지 중의 하나인 태양광 발전은 에너지원으로 태양광을 사용함으로써 그 양이 무한하고 안전한 발전이 가능하며, 에너지를 변환하거나 사용하는 과정에서 오염이 없는 유망한 차세대 에너지원이다.
결정질 실리콘 태양전지는 현재 상용화된 다양한 태양전지 중 가장 많은 시장 점유율을 차지하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지에서 PERL(Passivated Emitter Rear Locally-diffused) cell 구조인 경우 최대 25%의 변환효율을 보이고 있다 [1]. 하지만 보편적인 screen printed solar cell에 비해 제조공정이 복잡하여 양산에 적용하기 어렵고 상대적으로 높은 제조 단가가 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전 세계적으로 저가의 고효율 태양전지를 이루기 위한 많은 연구가 지속되고 있다.
태양전지는 외부로부터 입사된 빛에 의해 전자-전공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되어 부하를 연결하면 전기가 발생하는 소자이다. 외부로부터 입사된 빛이 태양전지 표면에서의 반사로 인해 태양전지 내부로 입사되는 광량이 감소하고, 태양전지 제작 시 사용된 실리콘 웨이퍼의 결함 (defect)들로 인해 광에 의해 생성된 전자-전공 쌍을 재결합시켜 태양전지 변환 효율 하락을 초래한다. 이러한 문제점을 보완할 수 있는 실리콘 질화막(SiNx:H)은 태양전지 산업에서 보편적으로 사용되고 있으며, 결정질 실리콘 태양전지 제작에 있어서 매우 중요한 요소이다.
PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장치로 증착된 실리콘 질화막은 태양전지 표면에 굴절률과 두께를 최적화하여 설계함으로써 빛의 간섭 효과를 통한 태양전지 표면 반사를 저감하는 방사 방지막 역할과 실리콘 질화막 증착 공정 중에 생성된 수소들이 실리콘 웨이퍼에 있는 결함들을 보완함으로써 전자와 정공의 재결합을 방지하여 반송자 수명을 증가시키는 패시베이션 효과를 수행할 수 있다 [2,3].
결정질 실리콘 태양전지의 주성분인 실리콘은 400-1100 nm의 영역에서 3.5-4.0 사이의 굴절률을 갖는다 [4]. 이러한 큰 굴절률로 인해 입사된 빛의 일부는 내부로 흡수되지 못하고 표면에서 반사된다. 태양전지 표면에서 빛의 반사를 저감시키기 위한 방법으로는 표면조직화(texturing)와 반사방지막(ARC : anti-reflection coating)이 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼에 표면조직화를 적용하고 반사방지막을 증착하면 약 30%의 표면 반사율을 3% 이하로 낮출 수 있다 [5]. 이러한 반사율의 감소는 태양전지의 효율에 중대한 영향을 미치는 파라미터인 단락 전류(Jsc)의 향상을 가져온다. 또한 굴절률이 서로 다른 박막을 이용하여 이층 반사방지막(double layer anti-reflection coating)을 증착하면 더 넓은 파장 범위에서 반사율을 낮출 수 있어 단층 반사방지막보다 증가된 단락전류를 얻을 수 있다. 이층 반사방지막으로 사용하기 적절한 박막으로는 하부층은 2.2-2.6 사이의 높은 굴절률(n)을 가지고 상부층은 1.3-1.6 사이의 낮은 굴절률을 가진 물질이 적합하다 [6]. 그러므로 본 본문에서는 공정 압력, 증착 온도, RF(radio frequency) power, NH3와 SiH4의 가스비를 변경하여 수소화된 실리콘 질화막(SiNx:H, n=1.9-2.3) [7]의 광학적 특성과 패시베이션 효과를 분석하고 그 결과를 바탕으로 태양전지 제작에 있어서 새로운 장비나 복잡한 공정을 도입하지 않고 기존의 생산라인에서의 효율 향상과 경제성이 고려된 이층 반사방지막이 적용된 태양전지의 제조 방법과 특성에 대해 연구하였다.
급속한 인구 증가와 세계 평준화로 풍요로운 삶을 원하는 이들이 많아져 한정된 자원의 소비가 증가하고 있다. 이러한 점들은 에너지 수급의 불균형과 환경오염, 기후 변화를 야기하고 이를 해결하기 위해 청정에너지의 개발과 효율적인 에너지 사용의 중요성은 점점 더 커지고 있다.
대표적인 청정에너지 중의 하나인 태양광 발전은 에너지원으로 태양광을 사용함으로써 그 양이 무한하고 안전한 발전이 가능하며, 에너지를 변환하거나 사용하는 과정에서 오염이 없는 유망한 차세대 에너지원이다.
결정질 실리콘 태양전지는 현재 상용화된 다양한 태양전지 중 가장 많은 시장 점유율을 차지하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지에서 PERL(Passivated Emitter Rear Locally-diffused) cell 구조인 경우 최대 25%의 변환효율을 보이고 있다 [1]. 하지만 보편적인 screen printed solar cell에 비해 제조공정이 복잡하여 양산에 적용하기 어렵고 상대적으로 높은 제조 단가가 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전 세계적으로 저가의 고효율 태양전지를 이루기 위한 많은 연구가 지속되고 있다.
태양전지는 외부로부터 입사된 빛에 의해 전자-전공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되어 부하를 연결하면 전기가 발생하는 소자이다. 외부로부터 입사된 빛이 태양전지 표면에서의 반사로 인해 태양전지 내부로 입사되는 광량이 감소하고, 태양전지 제작 시 사용된 실리콘 웨이퍼의 결함 (defect)들로 인해 광에 의해 생성된 전자-전공 쌍을 재결합시켜 태양전지 변환 효율 하락을 초래한다. 이러한 문제점을 보완할 수 있는 실리콘 질화막(SiNx:H)은 태양전지 산업에서 보편적으로 사용되고 있으며, 결정질 실리콘 태양전지 제작에 있어서 매우 중요한 요소이다.
PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장치로 증착된 실리콘 질화막은 태양전지 표면에 굴절률과 두께를 최적화하여 설계함으로써 빛의 간섭 효과를 통한 태양전지 표면 반사를 저감하는 방사 방지막 역할과 실리콘 질화막 증착 공정 중에 생성된 수소들이 실리콘 웨이퍼에 있는 결함들을 보완함으로써 전자와 정공의 재결합을 방지하여 반송자 수명을 증가시키는 패시베이션 효과를 수행할 수 있다 [2,3].
결정질 실리콘 태양전지의 주성분인 실리콘은 400-1100 nm의 영역에서 3.5-4.0 사이의 굴절률을 갖는다 [4]. 이러한 큰 굴절률로 인해 입사된 빛의 일부는 내부로 흡수되지 못하고 표면에서 반사된다. 태양전지 표면에서 빛의 반사를 저감시키기 위한 방법으로는 표면조직화(texturing)와 반사방지막(ARC : anti-reflection coating)이 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼에 표면조직화를 적용하고 반사방지막을 증착하면 약 30%의 표면 반사율을 3% 이하로 낮출 수 있다 [5]. 이러한 반사율의 감소는 태양전지의 효율에 중대한 영향을 미치는 파라미터인 단락 전류(Jsc)의 향상을 가져온다. 또한 굴절률이 서로 다른 박막을 이용하여 이층 반사방지막(double layer anti-reflection coating)을 증착하면 더 넓은 파장 범위에서 반사율을 낮출 수 있어 단층 반사방지막보다 증가된 단락전류를 얻을 수 있다. 이층 반사방지막으로 사용하기 적절한 박막으로는 하부층은 2.2-2.6 사이의 높은 굴절률(n)을 가지고 상부층은 1.3-1.6 사이의 낮은 굴절률을 가진 물질이 적합하다 [6]. 그러므로 본 본문에서는 공정 압력, 증착 온도, RF(radio frequency) power, NH3와 SiH4의 가스비를 변경하여 수소화된 실리콘 질화막(SiNx:H, n=1.9-2.3) [7]의 광학적 특성과 패시베이션 효과를 분석하고 그 결과를 바탕으로 태양전지 제작에 있어서 새로운 장비나 복잡한 공정을 도입하지 않고 기존의 생산라인에서의 효율 향상과 경제성이 고려된 이층 반사방지막이 적용된 태양전지의 제조 방법과 특성에 대해 연구하였다.
목차
- 1. 서 론 12. 이론적 배경 42.1 태양전지 구조와 발전원리 42.2 반송자의 재결합 82.3 반송자 수집 확률 142.4 양자효율 192.5 태양전지 등가회로 212.6 반사방지막 252.7 Passivation effect 293. 재료 및 실험방법 313.1 수소화 된 실리콘 질화막(SiNx:H)의 특성에 대한 연구 313.2 이층 반사방지막을 적용한 태양전지 제작 364. 결과 및 고찰 414.1 공정 압력 변화에 따른 실리콘 질화막의 특성 분석 414.2 증착 온도 변화에 따른 실리콘 질화막의 특성 분석 434.3 RF power 변화에 따른 실리콘 질화막의 특성 분석 464.4 가스비 변화에 따른 실리콘 질화막의 특성 분석 484.5 가스비(굴절률) 변화에 따른 실리콘 질화막의 소광 계수 분석 524.6 실리콘 산화막의 소광 계수 분석 544.7 가스비(굴절률) 변화에 따른 단층 실리콘 질화막의 반사도 분석 564.8 SiNx/SiNx의 두께에 따른 반사도 및 유효 반송자 수명 분석 594.9 이층 반사방지막이 적용된 태양전지 제작 및 특성 분석 625. 결 론 686. 참고문헌 707. 영문 요약문 73
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