[신기술소개] 다결정 실리콘 태양전지의 새로운 제작방법 - 고정 입자 방식으로 슬라이스 기판을 이용한 저가 표면 텍스처 형성 기술 -

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다결정 실리콘 태양전지의 새로운 제작방법

- 고정 입자 방식으로 슬라이스 기판을 이용한 저가 표면 텍스처 형성 기술 -

일본 산업기술종합연구소의 태양광발전공학연구센터 실용화가속팀은 주식회사 노리타케, 주식회사 후지 제작소, 和光純薬工業 주식회사와 공동으로 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판의 표면 텍스 처 형성 기술을 개발했다. 이 기술은 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판에 분사 처리와 산성 에칭 액에 의한 처리를 결합하여 표면 텍스처 구조를 형성해 표면 반사율을 저감하는 양산에 적합한 방법 이다.

태양 전지의 대량 보급을 위해서 결정 실리콘 태양 전지를 보다 낮은 비용으로 제작하는 것이 요구되고 있다. 그 방법의 하나로 결정 실리콘 잉곳 조각 기술은 현재의 유리 연마 방식에서 고정 입자 방식으로 이 동되고 있다. 고정 입자 방식은 유리 연마 방식에 비해 슬라이스 시간이 약 1/3로 단축되고, 입자를 포함하 지 않는 냉각수를 사용하기 때문에 폐수 처리의 부담이 적고, 1회에 사용하는 와이어의 길이가 적어 와이 어 양을 줄일 수 있는 등 장점이 많다.

다만, 고정 입자 방식으로 잘라진 다결정 실리콘 기판의 표면은 손상 층의 두께가 유리 연마 방식보다 얇다. 따라서 고정 입자 방식에 대한 기대는 크지만, 잘라진 기판 표면에 균일한 표면 텍스처 구조를 형성 하여 표면 반사율이 낮은 기판을 얻는 것이 어려워 도입이 늦어지고 있다. 따라서 고정 입자 방식의 슬라이 스 다결정 실리콘 기판에 대해 저렴하고 양산에 적용 가능한 표면 텍스처 형성 방법이 요구되고 있었다.

산업기술종합연구소는 고정 입자 와이어(다이아몬드 와이어)를 제조하고 있었는데, 노리타케와 공동으로 고정 입자 방식에 의한 결정 실리콘 기판의 슬라이스에 관련된 기술 개발(기판 평가 기술․표면 텍스처 에 칭 기술을 포함)을 해왔다. 또한 이 기술을 바탕으로 와코순약 및 노리타케와 공동으로 다결정 실리콘 기판 의 표면 재질감 형성용 산성 에칭 액의 개발을 실시 해왔다. 또한 후지 제작소와 공동으로 결정 실리콘 기 판에 분사의 적용 기술을 개발해왔다.

이번에 산업기술종합연구소는 상기의 3사와 공동으로 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판 에 진공 장치를 사용하지 않고 저렴한 비용으로 양산에 적용 가능한 방법으로 표면 텍스처를 형성하는 기 술을 개발했다. 슬라이스 후 처리량 높은 샌드 공정을 도입하여 유리 연마 방식보다 저렴한 가격으로 표면 텍스처 구조를 가지는 기판을 제작하는 기술을 목표로 했다.

이번에 개발한 방법은 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판(Figure 1(b))에 분사 처리하여 표면에 균일한 요철을 형성한다. 다음에 기판을 산성 에칭 액에 침지하여 샌드 처리에 생긴 손상 층의 제거 와 기판의 표면 텍스처 형성을 동시에 실시한다. Figure 2는 샌드 처리를 한 후 기판의 표면 사진을, Figure 3은 산 에칭 후에 형성된 텍스처 구조의 표면 사진을 나타낸다. Figure 3에서 알 수 있듯이 기판의 표면에 거의 균일한 텍스처 구조가 형성되고 있어 이 방법을 이용하여 기존의 방법만으로는 얻기 어려웠던 균질한 질감 구조의 형성이 가능했다. 또한 고정 입자 방식 슬라이스 다결정 실리콘 기판의 표면 형상은

신기술소개

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KIC News, Volume 14, No. 4, 2011

KIC News, Volume 14, No. 4, 2011

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(a) 유리연마방식　　　 　 (b) 고정입자방식

Figure 1. 슬라이스 상태의 다결정 실리콘 기판의 표면 사진.

Figure 2. 샌드 처리 후의 표면 사진. Figure 3.

Figure 4. 산 에칭 처리후 기판의 반사율. Figure 5.

표면(샌드블라스트면) 표면(미처리면)

파장 (nm) 전압 (V)

전류 전력

반사율 (%) 전류 (mA/cm2) 전력 (mW/cm2)

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슬라이스 및 샌드의 조건에 따라 기판 표면에 잔류하는 데미지 층의 깊이와 요철의 모양을 바꾸어 제어할 수 있으며, 또한 슬라이스 조건이 바뀌어도 항상 최적의 표면 텍스처 구조를 형성할 수 있다.

Figure 4는 샌드 처리의 유무(Figure 2 및 Figure 1(b) 기판)에 의한 에칭 처리 후 태양 광에 대한 표면 반사율의 차이를 보였다. 샌드 처리를 한 기판의 표면 반사율이 더 낮고, 태양 전지 제작에 의해 적합함을 알 수 있다. 또한 이번에 개발한 기술로 제작한 기판을 이용하여 보통의 태양 전지 제작 과정을 통해 다결 정 실리콘 태양 전지를 시작했는데, 대표적인 셀 특성으로 셀 효율 16.9%, 단락 전류 34.9 mA/cm

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향후 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판의 제작 방법, 샌드 처리 기술, 산성 에칭 기술을 더욱 개선하고 양산 프로세스로 검증을 실시함과 동시에, 태양 전지의 구조를 연구하여 보다 효율적인 다 결정 실리콘 태양 전지의 제작을 목표로 하고 있다.

출처 : 일본 산업기술종합연구소, 2011. 7. 4.

작성 : 최창식(고등기술연구원)

디스프로슘(Dy)를 사용하지 않는 고성능 등방성 자석의 개발

일본 산업기술종합연구소는 희토류 원소인 디스프로슘(Dy)을 포함하지 않는 등방성 사마륨-철-질소 (Sm-Fe-N)계 자석 분말을 90% 이상의 높은 상대 밀도로 소결하는 기술을 개발했다. Sm-Fe-N계 자석 분말은 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B)계 자석에 이어 높은 자석 특성을 지닌 재료로, Dy를 사용하지 않는 고성능 자석 재료로서 기대되고 있다.

금번의 신 소결체는 등방성 Sm-Fe-N계 자석 분말을 서보 프레스에 의한 하중 제어 및 펄스 전류를 흘 리는 “펄스 통전 소결 법”으로 소결하였고, 400℃ 이하의 온도, 상대 밀도 90% 이상의 치밀한 조직으로 제작 할 수 있었다. 자석의 성능 지표인 최대 에너지 적은 129 kJ/m

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고성능 자석은 하드 디스크용 보이스 코일, 휴대 전화의 스피커/진동 모터, DVD용 광픽업 등 첨단 기기 에 이용되고 있고, 하이브리드 및 전기 자동차의 모터에도 적용할 수 있기 때문에 앞으로 이용이 증가할 것으로 예상된다.

현재 최고의 성능을 가진 자석 재료인 Nd-Fe-B계 자석은 Dy을 첨가하여 보자력을 높이고 있는데, Dy 은 지각 매장량이 적고 채굴 가능 지역이 한정되어 있기 때문에 수입 가격이 상승하고 있다. 따라서 Dy를 사용하지 않는 고성능 자석의 개발이 요구되고 있다.

Sm-Fe-N계 자석 분말은 Nd-Fe-B계 자석에 이어 높은 자석 특성을 지닌 재료로, Dy를 사용하지 않 는 고성능 자석 재료로서 기대되고 있다. 그러나 자석 특성은 높지만, 500 ℃ 이상의 고온에서 소결하면 자석 특성을 잃어버리기 때문에 일반 소결법에서는 높은 특성 소결 자석을 제작할 수 없었다. 따라서 자석 분말을 수지 등으로 굳힌 본드 자석만이 제품화된 사례가 있었다. 이외에도 비정질 합금 분말을 저온에서 고밀도로 소결하는 기술을 개발하여 Sm-Fe-N 자석 분말을 소결하여 왔지만, 밀도를 높일 수 없어 최대 에너지 적은 100 kJ/m

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