그림 2-6. 양면수광형 태양전지 구조 및 실제 샘플 사진 [24]
단면수광형 태양전지는 전면 전극이 H 패턴으로 형성되어 있고, 후면 전 극은 후면 전체에 형성되어 있어 빛이 태양전지 전면을 통해서만 흡수가 가능하다. 따라서 단면수광형 태양전지에서는 전면을 통해서만 빛이 흡수가 가능하다. 하지만, 양면수광형 태양전지에서는 후면 전극도 H 패턴으로 형 성되어 있기 때문에 후면을 통해서도 빛의 흡수가 가능하다. 전면과 후면에 서 빛의 흡수가 모두 가능하기 때문에 양면수광형 태양전지라고 하는 것이 다. 양면수광형 태양전지는 단면수광형 태양전지와 달리 대부분 전면에 p+
층이 존재하는 전면접합 태양전지이다. 양면수광형 태양전지에 후면접합 구 조가 거의 없는 이유는 후면접합 태양전지의 경우 성능이 기판 품질에 영 향을 많이 받는 반면 전면접합 태양전지의 경우 기판 품질에 큰 영향을 받 지 않기 때문이다.
그림 2-6에서 양면수광형 태양전지 실제 샘플 사진을 보면 전면과 후면 에 비슷한 형태로 금속 전극이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 태양전지의 전면을 통해서 뿐 아니라 후면을 통해서도 빛의 흡수가 가능해 더 높은 출력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한 모듈화 작업시 백시트 대신에 투명한 유리기판을 사용하게 되면 Glass to Glass 모듈 혹은 양면수광형 모듈을 제작할 수 있는데, 바닥에 빛의 반사를 돕는 재료를 도포해주면 모듈을 통과하거나 직접 바닥에 조사 된 빛이 반사를 일으켜 모듈 뒷부분에도 흡수가 되면서 모듈 출력을 높이 게 된다.
양면수광형 태양전지는 단면수광형 태양전지보다 더 활발하게 연구되고 있다. 양면수광형 태양전지 관련 연구기관 및 업체는 표 2-2에 나타난 바 와 같이 Fraunhofer ISE, SCHMID, University of Konstanz, ISC (International Solar Energy Research Center)-Konstanz, Stuttgart University, Merck, RWTH Achen University, INES, Motech, 성균관대 학교, ECN, Tempress, RENA, Heraeus, Inventec solar energy, Canadian solar, Tokyo university of agriculture and technology, The Nippon synthetic chemical industry, Topcell solar international, Bosch solar energy, PVG solutions, ULVAC, LG 전자, Yingli solar 등이 있다.
그림 2-7. Fraunhofer ISE와 SCHMID社에서 공동개발 중인 양면수광형 태양전지 구조와 공정 순서도 [25]
Fraunhofer ISE에서는 SCHMID社와 공동연구를 통해 n형 실리콘 웨이 퍼 한쪽면에 APCVD 방법으로 BSG (BoroSilicate Glass)막을 증착하고, 반대쪽 면에 n+층 형성을 위해 POCl3 확산을 실시하였는데, POCl3 확산을 실시할 때의 고온으로 인하여 BSG막에 있는 보론 성분이 웨이퍼 내부로 확산해 들어가면서 p+층을 형성하게 된다. 이를 POCl3 기반의 동시 확산공 정 (POCl3 based co-diffusion process)이라고 한다. p+/n+층을 확산할
때 확산공정을 각각 할 때보다 동시에 할 때 공정수를 줄일 수 있어 원가 절감에 유리하다. [25, 26]
그림 2-7은 Fraunhofer ISE와 SCHMID社와 공동연구를 통해 공동개발 중인 양면수광형 태양전지의 구조와 공정 순서를 나타내고 있다. 웨이퍼 표 면을 텍스쳐한 후 후면에 n+층 형성을 위해 APCVD 방법으로 BSG층을 증 착한다. POCl3 확산을 통해 전면에 p+층과 PSG층을 형성함과 동시에 후면 에 증착된 BSG막으로부터 n+층을 형성하게 된다. 전/후면에 형성된 PSG/BSG막을 제거한 후 p+층(에미터층)에는 Al2O3막을 5~10nm 정도 두 께로 증착을 하고, 그 위에 70nm 두께의 SiNx층을 증착한다. 후면 보호막 은 SiOxNy/SiNx 이중막을 증착한다. 마지막으로 전후면에 스크린 프린팅 방법을 이용하여 은(전면) 혹은 은과 알루미늄(후면)이 혼합된 금속 페이스 트를 도포하고, 도포된 페이스트를 열처리한 후에 레이저로 edge isolatio n5)을 하면 양면수광형 태양전지 제작이 완료된다. 이렇게 제작된 태양전지 는 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 19.6%의 효율을 달성하였다. [25, 26]
그림 2-8. Konstanz 대학교에서 개발한 양면수광형 태양전지 공정순서 및 구조 [28]
5) 태양전지 공정 중에 전면은 p+층을 형성하고, 후면은 n+층을 형성하는데 이 경우 웨이 퍼 엣지(edge) 부분은 p+층과 n+층이 만나게 된다. 이 부분을 제거하지 않으면 전자재결합으로 인해 효율이 저하된다. 웨이퍼 엣지에 p+층과 n+층이 만나는 부분을 제거해주는 것을 edge isolation이라고 하는데, 습식 방법과 건식 방법이 있다. 습식 방법은 웨이퍼를 불산이나 질산과 같은 산용액에 엣지 부분만 담궈 제거하는 방법이고, 건식 방법은 레이저를 이용하여 엣지 부분을 제거하는 방법이다.
Konstanz 대학교에서는 그림 2-8과 같은 공정으로 양면수광형 태양전지 를 제작하였는데, 수광면의 도핑층은 에치백(etchback)6) 공정으로 일부를 제거하여 에미터나 BSF층을 얇게 형성하고, 금속 전극과 접촉하는 부위는 에치백을 하지 않아 두껍게 형성하게 된다. 이를 선택적 에치백 공정이라고 한다. 금속 전극과 접촉하는 부위만 두껍게 도핑을 하면 그 부분의 접촉저 항이 낮아져서 효율이 증가되는 효과가 있다. 위 그림에서 소개된 공정 순 서로 제작된 태양전지 중에서 전후면 에치백 공정을 진행하지 않은 태양전 지는 효율 18.7%, 전면 에미터만 에치백을 적용한 태양전지는 효율 18.5%, 후면 BSF만 에치백을 적용한 태양전지는 효율 19.5%를 보였다. 전면 에미 터만 에치백을 적용한 경우 에치백을 적용하지 않은 경우에 비해 효율이 0.2% 감소되었으나, 후면 BSF층을 에치백한 경우는 효율이 0.8% 증가되었 다. [28]
그림 2-9. 보론 스퍼터와 레이저를 이용한 선택적 보론 도핑 공정 순서 [30]
ISC(International Solar Energy Research Center)-Konstanz에서는 Stuttgart 대학교와 공동연구를 통해 선택적 보론 도핑 공정을 적용해 양 면수광형 태양전지를 제작하였다. 그림 2-9는 선택적 보론 도핑 공정 순서 를 나타내고 있다. 금속 전극이 형성되는 부위만 선택적으로 보론 도핑을
6) (etchback) 공정은 도핑공정 후 도핑층을 불산/질산 용액을 통해 일부 제거하는 공정이다.
질산 용액으로 실리콘 표면이 산화막으로 바뀌면, 불산 용액이 산화막을 다시 제거하는 방법으로 도핑층이 제거된다. 불산/질산 용액에 담그는 시간이 길어질수록 제거되는 양이 더 많아진다.
추가로 하기 위해 보론 금속을 스퍼터링 방법을 이용해 증착을 하고, 레이 저를 이용해 선택적 보론 도핑을 실시하였다. 선택적 보론 도핑을 한 후 BBr3 확산을 한 경우와 BBr3 확산을 한 후 선택적 보론 도핑을 실시한 경 우로 나누어 양면수광형 태양전지를 제작하고 성능을 비교하였다. [30]
BBr3 확산을 한 후 선택적 보론 도핑을 한 경우 레이저 파워를 1.8 J/cm2으로 하였을 때 최고효율 19.15%를 달성하였으나 이는 선택적 보론 도핑을 하지 않은 샘플의 효율 19.35%보다 낮은 효율이라 추가 실험이 필 요한 연구라고 할 수 있다. [30]
또한, Merck社와의 공동연구를 통해 보론 도핑 시 도핑 소스를 스핀코 팅하거나 스프레이 코팅하는 방식으로 도포를 하여 열처리를 통해 보론 확 산을 실시하는 공정을 적용하였고, 이를 기존의 BBr3 확산 방식과 비교하 였다. 스핀코팅으로 보론 도핑을 한 경우는 19.38%, 스프레이 코팅으로 보 론 도핑을 한 경우는 19.32%로 BBr3 확산을 통해 보론 도핑을 한 경우의 19.6%보다 효율은 낮았지만 원가절감 측면에서 BBr3 확산공정 대신에 스 핀코팅과 스프레이 코팅 공정이 적용될 수 있는 가능성을 보여준 연구라고 할 수 있겠다. [31]
그림 2-10. 이온 주입 도핑 후 열처리 공정 (동시소성 vs 분리소성) [34]
INES(Institut
National de l’Energie Solaire)
에서는 이온주입 방법으로 보 론과 인 도핑을 실시한 후 그림 2-10과 같이 동시 소성(co-annealing)과 분리 소성(separated annealing) 방법으로 분리하여 소성 공정을 진행하였다. 이온주입 공정 후에는 보론과 인 성분의 활성화(boron and phosphorous activation)를 위해 소성 공정을 반드시 거쳐야 하는데 보론 과 인 성분의 이온주입 후 두 개의 도핑층을 동시에 소성하는 동시 소성 공정이 있는가 하면 그림 2-10의 우측 과정처럼 전면에 먼저 보론을 이온 주입한 후 소성 과정을 거치고 그 다음에 후면에 인을 이온주입한 후 소성 과정을 거치는 분리 소성 공정을 진행할 수 있다. 동시 소성을 통해 제작된 양면수광형 태양전지는 평균효율이 19.7%였고, 분리 소성을 통해 제작된 샘플은 평균효율이 20.2%였다. 분리 소성을 한 경우에 동시 소성을 한 경 우보다 평균효율이 0.5%p 더 높은 것을 확인할 수 있다. 분리 소성을 통해 제작된 양면수광형 태양전지의 최고효율은 20.5%였다. [33] 또한, 유사 단 결정 실리콘 잉곳(mono-like silicon ingot)으로 웨이퍼를 만들어서 PERT 구조의 양면수광형 태양전지를 제작하였는데, 평균효율은 18.8%(@
243cm2), 최고효율은 19.5%(@ 243cm2)를 달성하였다. [35]
그림 2-11. Motech社에서 개발 중인 양면수광형 태양전지 [36]
Motech社에서는 그림 2-11과 같이 보호막이 SiO2/SiNx층으로 이루어진 양면수광형 태양전지를 제작하였는데, SiO2/SiNx층의 두께를 5nm, 10nm 로 변화시키면서 태양전지의 성능을 분석하였다. SiO2/SiNx층의 두께가 5nm일 때 10nm일 때보다 태양전지 효율이 0.4%p 더 높은 것이 확인되었 다. Motech社에서는 SiO2/SiNx층 두께 조절을 통해 20%(@ 239cm2) 정도 의 효율을 달성하였다고 보고하였다. [36] 또한, 후면에 텍스쳐 공정 적용, 보론 도핑 공정 최적화, 다양한 금속 페이스트 사용을 통해 최고 효율 20.63%(@ 239cm2)를 달성하였다. [38]
성균관대학교에서는 후면에 Si-rich SiNx/N-rich SiNx stacked passivation을 이용해 양면수광형 태양전지를 제작하였다. 도핑은 BBr3,
POCl3 확산 공정을 이용하였고, 전후면 전극은 스크린 프린팅 방법을 사용 하였다. CZ 웨이퍼를 사용하여 3.2x3.2cm2 셀면적으로 양면수광형 태양전 지를 제작하여 19.6%의 효율을 달성하였다. [39]
ECN(Energy research Centre for the Netherlands)에서는 Tempress 社, Rena社, Heraeus社와 공동으로 N-PASHA (Passivated All Sides H-pattern) 양면수광형 태양전지를 개발하였는데, 평균 효율은 20%(@
239cm2), 최고효율은 20.2%(@ 239cm2)를 달성하였다. N-PASHA 양면수 광형 태양전지는 Yingli社의 PANDA 양면수광형 태양전지와 그 구조가 유
239cm2), 최고효율은 20.2%(@ 239cm2)를 달성하였다. N-PASHA 양면수 광형 태양전지는 Yingli社의 PANDA 양면수광형 태양전지와 그 구조가 유