N형 실리콘 태양전지 개발동향 및 전망

2014 정보분석보고서 ISBN:

N형 실리콘 태양전지 개발동향 및 전망

그림 목차

<그림 1-1> p형 반도체(좌)와 n형 반도체(우) ··· 1 <그림 1-2> 태양전지 단면도 ··· 2 <그림 1-3> 양산형 실리콘 태양전지 단면도 ··· 3 <그림 1-4> 2013년 실리콘 태양전지 종류별 시장점유율 현황 ··· 4 <그림 2-1> 전면접합 단면수광형 태양전지 ··· 6 <그림 2-2> 후면접합 단면수광형 태양전지 ··· 8 <그림 2-3> PassDop 공정 순서 ··· 9 <그림 2-4> Rohatgi 그룹에서 Suniva社와 공동개발한 전면접합 단면수광 형 태양전지 ··· 10

<그림 2-5> Imec과 KU Leuven에서 공동연구로 제작한 p-PERL, n-PERT 태양전지 ··· 11

<그림 2-6> 양면수광형 태양전지 구조 및 실제 샘플 사진 ··· 17

<그림 2-7> Fraunhofer ISE와 SCHMID社에서 공동개발 중인 양면수광형 태양전지 구조와 공정 순서도 ··· 18 <그림 2-8> Konstanz 대학교에서 개발한 양면수광형 태양전지 공정순서 및 구조 ··· 19 <그림 2-9> 보론 스퍼터와 레이저를 이용한 선택적 보론 도핑 공정 순서 ··· 20 <그림 2-10> 이온 주입 도핑 후 열처리 공정 (동시소성 vs 분리소성) ···· 21 <그림 2-11> Motech社에서 개발 중인 양면수광형 태양전지 ··· 22 <그림 2-12> N-PASHA 태양전지 단면도 ··· 23

<그림 2-14> PVG社와 ULVAC社에서 제작한 양면수광형 태양전지 ··· 25

<그림 2-15> ANU(Autralian National University)에서 개발 중인 IBC 태 양전지 ··· 31

<그림 2-16> Sunpower社 GEN III IBC 태양전지 개략도 ··· 32

<그림 2-17> Sunpower社 GEN III IBC 태양전지 효율 분포 (Median efficiency distribution) ··· 32

<그림 2-18> ANU와 Trina社에서 공동개발한 IBC 태양전지 ··· 33

<그림 2-19> SEG(Selective Epitaxial Growth) 프로세스 개략도 ··· 34

<그림 2-20> Fraunhofer ISE에서 개발한 floating 에미터 기반 IBC 태양 전지 개략도와 효율 ··· 35

<그림 2-21> Fraunhofer ISE와 Freiburg 대학, Total社와 공동개발한 IBC 태양전지 공정 순서도 ··· 36

<그림 2-22> RISE process를 이용한 IBC 태양전지 단면도 ··· 37

<그림 2-23> RISE process 순서도 ··· 37

<그림 2-24> HIT 태양전지 ··· 42

<그림 2-25> Panasonic社 HIT 태양전지 개발 이력 ··· 43

제 1 장 서론

1. 실리콘 태양전지 원리

(p형 반도체) (n형 반도체)

그림 1-1. p형 반도체(좌)와 n형 반도체(우) [1]

태양전지(solar cells 또는 photovoltaic devices)는 p형 반도체와 n형

태양전지에 흡수된 태양에너지가 전기에너지로 변환된다. 그림 1-2. 태양전지 단면도 [2] 그림 1-3은 양산형 실리콘 태양전지의 단면도를 나타내고 있다. 주로 p 형 웨이퍼가 많이 사용되고, 빛의 흡수를 극대화하기 위해 웨이퍼 표면을 피라미드 형태로 만들어주는데, 피라미드의 크기는 1um~20um까지 그 크 기가 다양하다. 피라미드 구조는 KOH나 NaOH 기반의 알칼리 용액을 사용 하여 만들 수 있고, p형 웨이퍼 위에 인(phosphorous) 도핑을 통해 pn 접합을 형성하게 되는데, 이 때 p형 웨이퍼를 베이스(base)라 하고, n형 도 핑층을 에미터(emitter)라고 한다. 반대로 n형 웨이퍼 위에 p형 도핑층이 형성되는 경우 n형 웨이퍼를 베이스라 하고, p형 도핑층을 에미터라고 한 다. p형 웨이퍼 표면에 n형 도핑층을 형성하기 위해 POCl3 가스를 이용한 확산 공정이 널리 사용된다. 고온에서 POCl3 가스를 p형 웨이퍼에 흘려주

면 웨이퍼 표면에 PSG (Phosphorous Silicate Glass)가 형성되고 이를 고 온에서 확산시켜주면 PSG에 있는 인(Phosphorous) 성분이 p형 웨이퍼에 확산되어 들어가 n형 도핑층을 형성하게 된다. 불산과 같은 산용액을 이용 하여 PSG층을 제거한 후에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 통해 SiNx층을 증착하게 되는데, 이 층은 n형 도핑층

을 보호해줄 뿐만 아니라 반사방지막 역할을 하여 빛의 흡수를 극대화시켜 준다.

태양전지는 크게 n형 단결정 태양전지, p형 단결정 태양전지, p형 다결정 태양전지로 나눌 수 있다. p형 실리콘 태양전지의 판매가 95%에 이르고 있고, 특히 p형 다결정 태양전지가 63% 시장점유율을 보이면서 판매 강세 를 보이고 있다. n형 단결정 태양전지는 2013년 기준 시장점유율이 5%로 낮은 편이다. n형 단결정 태양전지를 판매하고 있는 업체도 Sunpower社 (IBC 태양전지), Panasonic社(HIT 태양전지), Yingli社(PANDA 양면수광형 태양전지), LG전자(NeoN 양면수광형 태양전지) 외에는 알려져 있지 않다. 그림 1-4. 2013년 실리콘 태양전지 종류별 시장점유율 현황 [5] n형 실리콘 태양전지의 시장점유율이 현재 5% 뿐인데도 불구하고, n형 실리콘 태양전지 개발이 필요한 이유는 무엇인가? 첫째, n형 실리콘 웨이퍼는 품질이 좋아 벌크 수명이 p형 웨이퍼에 비해 높다. n형 웨이퍼의 벌크 수명은 보호막을 어떻게 형성하느냐에 따라 다르 지만 웨이퍼 양면에 POCl3 확산으로 n+층을 형성한 경우 n형 웨이퍼는 대 략 1ms 정도 되는 반면 p형 웨이퍼는 n형 웨이퍼 벌크 수명의 20% 수준 으로 200um 정도이다. [6] 웨이퍼의 벌크 수명이 클수록 더 높은 효율의 태양전지를 제작할 수 있다. 따라서, 22% 이상의 고효율 태양전지를 제작 하기 위해서는 n형 실리콘 웨이퍼 사용은 필수이다.

제 2 장 N형 실리콘 태양전지 개발현황

N형 실리콘 태양전지는 단면수광형 태양전지, 양면수광형 태양전지, IBC 태양전지, HIT 태양전지, MWT 태양전지, TopCon 태양전지, HBC 태양전 지 등으로 나눌 수 있다. 본 장에서는 앞에서 언급한 N형 실리콘 태양전지 의 개발동향을 살펴보고자 한다. 정보는 Scopus에서 검색된 2014년 N형 실리콘 태양전지 관련 논문을 조사하였고, 2013년 EUPVSEC 프로시딩 논 문과 2014년 Silicon PV 학회를 통해 출판된 Energy Procedia 논문을 조 사하였다. 그 외에 정보들은 인터넷에서 공개된 N형 실리콘 태양전지 관련 기사들을 추가로 정리하였다.

1. 단면수광형 태양전지

그림 2-1. 전면접합 단면수광형 태양전지 [8]

Emitter Rear Totally diffused) 태양전지라 하고, 국부적으로만 도핑이 되어 있는 경우 PERL(Passivated Emitter Rear Locally diffused) 태양전 지라 한다. 그림 2-1은 전면접합 단면수광형 태양전지를 나타내고 있다. [8] 빛이 들 어오는 수광면은 n형 웨이퍼 위에 p+층을 형성하고, 그 위에 Al2O3/SiNx2) 보호막층을 형성한다. 그리고 전자 수집을 위해 H 패턴의 금속층을 형성한 다. p+ 도핑층 형성방법은 BBr3 가스에 의한 방법, 이온주입(ion implantation)에 의한 방법, 도핑 페이스트에 의한 방법, APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의한 방 법이 있다. Al2O3층은 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법으로 주로 증

착을 하고, 증착 두께는 5~20nm 정도이며, p+ 도핑층의 보호막으로 널리 사용되고 있다. SiNx층은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor

Deposition) 방법으로 증착을 하고, 빛의 흡수를 극대화시켜 효율을 높이는 역할을 한다. 전면 금속층은 스크린 프린팅이나 도금을 통해 형성한다. 스 크린 프린팅의 경우 은(Ag) 혹은 은(Ag)과 알루미늄(Al)이 혼합된 금속층을 형성할 때 사용되고, 도금의 경우 니켈(Ni)/구리(Cu)/주석(Sn)이나 니켈 (Ni)/은(Ag) 금속층을 형성할 때 사용된다. PERT 태양전지의 경우 후면에 n+층을 전체적으로 도핑을 하고, 보호막 을 형성한 후 국부적으로 보호막을 제거한 후 알루미늄이나 은 금속층을 후면 전체에 형성하고, PERL 태양전지의 경우 후면 전체에 n+층을 형성하 는 것을 생략한다. 보호막을 국부적으로 제거하는 방법은 레이저를 가장 많 이 사용하고, 에칭 페이스트를 사용하여 보호막을 제거하기도 한다. 후면 보호막은 SiOxNy, SiNx, SiO2/SiNx 등이 사용되고, PECVD 방법으로 증착

을 한다. 알루미늄이나 은 금속층을 형성하는 방법은 스크린 프린팅 방법이 가장 많이 사용되고, evaporation이나 sputtering과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법이 사용되기도 한다.

그림 2-2. 후면접합 단면수광형 태양전지 [9]

그림 2-2는 후면접합(back junction) 단면수광형 태양전지를 나타내고 있다. [9] pn 접합이 후면에 형성되어 있고, n+층이 전면에 형성되어 있어 FSF(Front Surface Field)3) _{역할을 한다. n+층 위에 얇은 SiO2층이 형성}

되어 n+층의 막질을 개선하고, 전자재결합(charge recombination)을 줄여 주는 보호막(passivation layer) 역할을 한다. 그 위에 SiNx층을 형성하여

빛의 흡수를 극대화시킨다. 후면에는 p+ 에미터층을 형성하고, 후면 보호막 으로 SiOxNy, SiNx, SiO2/SiNx층 등을 형성한다. 금속층과 p+ 에미터층 간

의 전기적인 접촉을 위해 레이저로 후면 보호막을 국부적으로 제거를 한다. 후면 보호막 제거 후 알루미늄 전극을 형성하게 되는데, 알루미늄 전극을 열처리할 때 알루미늄 성분이 p+층에 확산해 들어가면서 알루미늄에 의한 도핑층이 추가로 형성된다. 후면접합 단면수광형 태양전지는 양산형 p형 실리콘 태양전지와 구조가 비슷하여 양산 투자시 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 후면접합 단면수광형 태양전지에 비해 전면접합 단면수광형 태양전지에 대한 연구가 더 활발한 편이다. 전면접합 단면수광형 태양전지는 Fraunhofer ISE(Institute for Solar Energy), Georgia Institute of Technology, Suniva, ISFH(Institute for Solar Energy Research Hamelin), Leibniz University, Bosch solar energy, CAS(Chinese Academy of Sciences) 등의 연구기관이나 업체에서 연구를 진행하고 있 고, 이 중에서 Georgia Institute of Technology에서 가장 활발하게 연구 를 진행하고 있다. 후면접합 단면수광형 태양전지는 imec, KU Leuven,

Univerty of Konstanz, Hanwha Q cells, ISFH, 현대중공업 등과 같은 연구기관이나 업체에서 연구를 진행하고 있다.

그림 2-3. PassDop 공정 순서 [11]

Fraunhofer ISE의 Glunz 그룹에서는 PassDop 공정을 이용하여 전면접 합 PERL 셀을 제작하였는데, 전면 전극은 니켈/구리 금속층을 도금으로 형성하였고, 후면 전극은 Al PVD 방법을 사용하여 형성하였다. 셀면적을 4cm2로 하였을 때 최고효율 21.7%를 달성하였다. [10] 그림 2-3에 소개된 PassDop 공정은 n형 웨이퍼 후면에 인(Phosphorous)이 도핑된 SiNx층

(SiNx:P층)을 PECVD로 증착을 한 후 국부적으로 레이저를 조사해주면 SiNx:P층이 국부적으로 제거가 되는 동시에 그 부위가 인 성분에 의해 도 핑이 되는 효과를 얻을 수 있다. Evaporation 방법으로 후면 전체에 알루 미늄 금속 전극을 형성함으로써 PassDop 공정이 완료된다. PassDop 공정 의 핵심은 인 성분이 도핑된 SiNx층(SiNx:P층)의 증착과 레이저 조사를 통 한 SiNx:P층의 제거와 제거 부위의 국부 도핑을 동시에 이룬다는 점이다. 이러한 PassDop 공정을 이용하여 셀면적을 5인치로 증가시켰을 때에는 20.1%의 효율을 달성하였다. 이 경우 전면 전극은 은 페이스트를 스크린 프린팅한 후 열처리를 통해 형성하였고, 후면 전극은 PVD 방법으로 알루미 늄 전극을 형성하였다. [11] 단면수광형 태양전지에 대해 가장 활발한 연구를 진행하고 있는 Georgia Institute of Technology 소속 Rohatgi 그룹에서는 Suniva社와의 공동연 구가 2건 [12, 14], 단독연구가 2건 [13, 15] 있었다. 이 그룹은 보론 (boron)이나 인(phosphorous) 도핑시 주로 이온주입 방법을 사용하는 것 이 특징이다.

그림 2-4. Rohatgi 그룹에서 Suniva社와 공동개발한 전면접합 단면수광형 태양전지 [12] 그림 2-4와 같이 Rohatgi 그룹에서 Suniva社와 공동개발한 전면접합 단면수광형 태양전지는 전면이 p+층, 후면이 n+층으로 도핑되어 있고, 전 후면 보호막층으로 SiNx/SiO2 이중막을 사용하였다. 전후면 도핑은 모두 이온주입 방법을 사용하였다. 그림 2-4에서 왼쪽 소자는 전후면 전극을 형 성할 때 스크린 프린팅 방법을 사용하였고, 오른쪽 소자는 전면 전극은 은 과 알루미늄이 혼합된 금속층을 스크린 프린팅 방법으로 형성하고, 후면 전 극은 알루미늄 금속층을 PVD 방법으로 형성하였다. 후면에 보호막을 국부 적으로 제거할 때 쓰이는 레이저의 펄스 에너지, 국부적으로 제거된 부위 간격, 그리고 PVD 전에 플라즈마를 이용하여 국부적으로 제거된 부위를 에 칭하는 시간을 조절함으로써 후면 전극을 알루미늄 PVD 방법으로 형성한 경우 최고 효율 20.7%(@ 239cm2)를 달성하였다. [12] 후면에 전극을 스크린 프린팅 방법으로 형성한 경우는 두 단계를 거쳤는 데, 먼저 국부적으로 제거된 부위에 전기적인 접촉을 위해 은 페이스트를 국부적으로 도포한 후 열처리를 통해 은 금속과 n+층이 서로 전기적으로 접촉하도록 하였고, 국부적으로 형성된 은 금속을 서로 연결하기 위해 은 페이스트나 알루미늄 페이스트를 사용하여 후면 전체를 스크린 프린팅 방 법으로 도포하였다. 그 외 제작 방법은 앞의 경우와 유사하다. 이러한 방법 으로 전면접합 단면수광형 태양전지를 제작하였을 때 최고 효율 20.0%(@ 239cm2)를 달성하였다. [14]

보였고, 최고 효율 20.2%(@ 239cm2)를 달성하였다. [15] 그리고 도핑 페이 스트로 p+ 에미터층을 형성하고, 이온주입 방법으로 n+ BSF(Back Surface Field)층을 형성한 후 p+층과 n+층을 동시에 소성하였을 때 19.6%(@ 239cm2)의 효율을 달성하였다. 이 경우 전후면 전극은 스크린 프 린팅 방법을 사용하여 형성하였다. [13]

ISFH(Institute for Solar Energy Research Hamelin), Leibniz University, Bosch solar energy에서는 공동연구를 통해 전면접합 단면수 광형 태양전지를 제작하였는데, 전면 전극은 은과 알루미늄이 혼합된 금속 층을 스크린 프린팅으로 형성하고, 후면 전극은 PVD 방법으로 알루미늄 금 속층을 증착하였다. 이온주입 방법으로 형성된 도핑층의 도핑 프로파일과 Voc, Jsc 간의 상관관계를 연구하여 20.3%(@ 239cm2)의 효율을 달성하였

다. [16]

CAS(Chinese Academy of Sciences)에서는 전면 전극을 알루미늄(Al)/ 타이타늄(Ti)/은(Ag) 금속층으로, 후면 전극을 타이타늄(Ti)/팔라듐(Pd)/은 (Ag) 금속층으로 evaporation 방법을 사용하여 형성하였고, p+층과 n+층 을 이온주입 방법으로 모두 형성하였다. TCAD 프로그램을 이용하여 p+층 도핑 프로파일 시뮬레이션을 진행하였고, p+층 열처리 실험을 furnace와 RTA (Rapid Thermal Annealing)로 나누어 진행하였는데 furnace에서 1000℃로 20분간 충분한 열처리를 해주었을 때 최고 효율 18.9%(@ 1cm2) 를 달성하였다. [17]

Imec과 KU (Katholieke Universiteit) Leuven에서는 후면접합 PERT 구조의 단면수광형 태양전지를 개발하였는데, 전면 전극은 니켈/구리/은 금속층을 도금으로 형성하였고, 후면 전극은 알루미늄 금속층을 PVD 방법 으로 형성하여 20.5%(@ 227.4cm2)의 효율을 달성하였다. [9] 그리고 그림 2-5와 같이 6인치 웨이퍼를 이용하여 후면접합 n-PERT 태양전지와 p-PERL 태양전지를 제작하였는데 p-PERL 태양전지는 20.6%, n-PERT 태양전지는 20.5%의 효율을 달성하였다. [18]

개발기관 개발내용 효율 Ref. § imec § KU Leuven § 전면에 p+ 에미터 형성 § 전면 전극: Ag/Cu/Ni 도금 § 후면 전극: Al PVD § 227.4cm2 CZ4) _{웨이퍼 사용} 20.5% [9] § Fraunhofer ISE(Institute for Solar Energy) § 전면에 p+ 에미터 형성 § 전면 Ni/Cu 도금, 후면 Al PVD § PassDop 구조 § 셀면적 4cm2 21.7% [10] § Fraunhofer ISE § 전면에 p+ 에미터 형성 § PassDop 구조 § 셀면적 4cm2일 때 21.3%(전면 도금+후면 Al PVD), 5인치 면적일 때 20.1% (전면 스크린 프린팅+후면 Al PVD) 21.3% 20.1% [11] § Georgia Institute of Technology § Suniva § 전면에 p+ 에미터 형성, n-PERT구조 § 이온주입 방법으로 도핑 § 전면 전극 Ag/Al 스크린 프린팅, 후면 전극 Ag 스크린 프린팅 or Al PVD, § 레이저 조건, PVD 증착 공정 조건, 플라즈마 에칭 조건 최적화 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 20.7% [12] § Georgia Institute of Technology § 전면에 p+ 에미터 형성 § 전후면 스크린 프린팅으로 전극 형성 § 도핑 페이스트로 p+ 에미터 형성 § 이온주입 방법으로 n+ BSF 형성 § 에미터와 BSF 동시소성으로 형성 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 19.6% [13] 표 2-1. 단면수광형 태양전지 개발현황 4) 웨이퍼는 실리콘 잉곳을 절단하여 제작되는데, 단결정 실리콘 잉곳을 제작하는 방법으로

§ Georgia Institute of Technology § Suniva § 전면에 p+ 에미터 형성 § 전면전극 Ag/Al 스크린 프린팅 후면전극 opening 부위에 Ag 스크린 프린팅 및 소성 후 후면 전체에 금속 페이스트를 스크린프린팅 § 이온주입 방법으로 p+ 에미터와 n+ BSF 형성 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 20.0% [14] § Georgia Institute of Technology § 전면에 p+ 에미터 형성 § 이온주입 방법으로 도핑 § 전후면 스크린 프린팅 방법으로 전 극 형성 § 후면전극의 경우 Ag paste를 레이 저 opening된 부위에 국부적으로 형 성한 후 dot 형태로 형성된 금속 전 극을 연결하기 위해 Ag 페이스트를 다시 후면 전체에 스크린 프린팅 § 후면이 텍스쳐된 경우와 평평한 경 우 비교 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 20.2% [15] § ISFH (Institute for Solar Energy Research Hamelin) § Leibniz University § Bosch solar energy § 전면에 p+ 에미터 형성 § n-PERT 구조 § 전면 전극 Ag/Al 스크린 프린팅, 후면 전극 Al PVD(evaporation) § 이온주입 방법으로 형성된 도핑프로파일과 Voc, Jsc의 상관관계 연구 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 20.3% [16] § CAS (Chinese Academy of Sciences) § 전면에 p+ 에미터 형성 § 전면전극: Al/Ti/Ag evaporation § 후면전극: Ti/Pd/Ag evaporation § p+ 에미터와 n+ BSF 모두 이온주입 방법으로 형성 § TCAD 프로그램을 이용해 p+ 에미터 도핑 프로파일 시뮬레이션 § p+ 에미터 열처리 실험 (furnace & rapid thermal annealing)

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

때 확산공정을 각각 할 때보다 동시에 할 때 공정수를 줄일 수 있어 원가 절감에 유리하다. [25, 26]

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]

다. 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

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]

그림 2-13. Inventec solar energy社 양면수광형 태양전지 공정 순서도 [41]

Inventec solar energy社에서는 그림 2-13과 같이 확산 공정과 이온 주입 공정을 혼용하여 에미터와 BSF를 형성하였다. 에미터 형성은 BCl3 확 산 공정을 이용하고, BSF 형성은 인 이온주입 공정을 이용하였다. 웨이퍼 로 두 가지를 사용하였는데, PSQ社 6인치 CZ 웨이퍼와 유사 단결정 (mono-like) CZ 웨이퍼를 사용하였다. PSQ社 웨이퍼를 이용하여 양면수 광형 태양전지를 제작하였을 때 19.7%의 효율을 달성하였고, 유사 단결정 CZ 웨이퍼를 사용하였을 때 18.9%의 효율을 달성하였다. [41]

Canadian solar社에서는 ECN의 N-PASHA 태양전지와 유사한 양면수 광형 태양전지를 개발하였는데, 향상된 보론 확산 기술과 강화된 SiO2 보호 막 특성을 통해 평균효율 18.8%(@ 239cm2)를 달성하였다. 이를 모듈로도 제작을 하였는데, 양면에 유리기판을 사용하여 양면수광 모듈을 제작하여 276W를 달성하였다. 한 쪽면에 백시트를 사용하여 일반 모듈을 제작하였 을 때에는 264W의 출력을 보였는데, 양면수광형 모듈로 제작시 바닥면에 서 빛이 반사되어 출력이 일반 모듈 대비 5% 향상되는 것을 확인하였다. [42]

슷한 방법[41]으로 보론 에미터는 확산 공정을 이용하고, 인 BSF는 이온주 입 공정을 이용하여 양면수광형 태양전지를 제작하였고, 19.3%(@ 239cm2) 의 효율을 달성하였다. [44]

개발기관 주요 개발내용 요약 효율 Ref. § PVG Solutions Inc. § ULVAC § EarthON cell § 선택적 인 확산 공정 적용 § AlOx층을 통한 보론 에미터 보호막 형성 § 미세 금속 전극 적용 § 6인치 CZ 웨이퍼 20.2% [24] § Fraunhofer ISE § SCHMID § APCVD 방법으로 후면에 BSG층을 형성 § 전면 POCl3 확산으로 p+층 형성하 면서 BSG층 동시 확산 § 전극 형성은 모두 스크린 프린팅 방 법 사용 (전면: Ag+Al, 후면: Ag) § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 19.6% [25] § Fraunhofer ISE § SCHMID § Ref. [2-17]의 제작방법 및 결과와 동일함. § 시뮬레이션 결과가 추가됨. 19.6% [26] § Fraunhofer ISE § 양면수광형 태양전지에 사용되는 보 호막의 두께와 조성에 대한 연구 § SiNx, SiO2, TiO2층과 Al2O3 층과의

stack 구조 연구 § 효율에 대한 언급은 없음. - [27] § University of Konstanz § p+층 (보론 에미터)과 n+층 선택적 에치백(etchback) 공정 적용 § 5인치 CZ 웨이퍼 사용 19.5% [28] § ISC (International Solar Energy Research Center) - Konstanz § 금속 전극과 에미터 혹은 BSF 간 접촉 부위에서 발생하는 전자재결합 손실에 대한 연구를 진행함. § 효율에 대한 언급은 없음. - [29] 표 2-2. 양면수광형 태양전지 개발현황 7) Bifaciality: [( 빛을 조사시켰을 때 효율)/(전면에 빛을 조사시켰을 때 효율)]x100

§ ISC - Konstanz § Universität Stuttgart § p+층(보론 에미터) 형성시 선택적 보론 도핑을 통해 Voc를 높이고자 함. § 선택적 보론 도핑을 하지 않은 경우에 비해 효율이 높지가 않음. § 최고 효율 19.15% (선택적 보론 도핑을 하지 않은 태양전지의 효율: 19.35%) 19.2% [30] § Merck § ISC - Konstanz § BBr3 확산 방법, spin on source 도핑 방법을 사용하여 양면수광형 태양전지를 제작함. § BBr3 확산 적용 샘플: 19.6%, § Spin on depositon 적용 샘플 : 19.38% § Sprayed SOD 적용 샘플 : 19.32% § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 19.6% [31] § RWTH Aachen University § ISC - Konstanz § 양면수광형 태양광 모듈의 발전량에 대한 시뮬레이션을 진행

§ INES

§ 유사 단결정 실리콘

-3. IBC 태양전지

IBC 태양전지9)_{에서 IBC는 Interdigitated Back Contact의 약자이다.}

‘Interdigitated’는 손가락을 깍지를 낀 형태를 의미한다. 그림 2-15 [47]는 IBC 태양전지의 대표적인 그림인데, 후면에 금속 전극이 손가락으로 깍지 를 낀 모양으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. IBC 태양전지는 pn 접합과 금속 전극이 모두 후면에 형성되어 있어서 일반 양산형 실리콘 태 양전지에 형성된 전면 금속 전극에 의한 shading loss10)_{를 없앨 수 있다} 는 장점이 있다. 이러한 점 때문에 전면에 금속 전극이 형성된 실리콘 태양 전지에 비해 Jsc를 높일 수 있는 장점을 가지고 있는 태양전지이다.

그림 2-15. ANU(Autralian National University)에서 개발 중인 IBC 태양전지 [47]

9) IBC Interdigitated Back Contact 태양전지의 줄임말로 실리콘 후면전극 태양전지라 한다. 본 보고서에서는 편의상 실리콘 후면전극 태양전지를 IBC 태양전지라고 하였다.

그림 2-16. Sunpower社 GEN III IBC 태양전지 개략도 [48]

그림 2-16은 Sunpower社의 GEN III IBC 태양전지 개략도를 나타내고 있다. pn 도핑층이 형성된 부위를 제외하고는 pn 전극 간격이 텍스쳐되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 부분에도 빛을 흡수하여 전자/정공 쌍을 생 성할 수 있다. 도핑층과 전극 간의 접촉은 최소화하고, 유전층으로 도핑층 을 보호해주는 보호막을 형성하였다. 이렇게 형성된 보호막은 전면에서 흡 수된 빛을 다시 기판으로 반사시켜주는 반사막 역할도 한다. GEN III IBC 태양전지가 GEN II 대비 가장 차이가 나는 점은 에미터 부위의 전자재결합 특성이 개선되었다는 점이다.

그림 2-17은 Sunpower社의 GEN III IBC 태양전지의 효율 분포를 나타 내고 있다. 효율 중간값 (Median efficiency)이 edge redesign과 passivation improvement를 통해 24.1%까지 증가된 것을 확인할 수 있 다. 현재 Supower社에서는 이러한 효율 분포를 가지고 있는 GEN III IBC 태양전지를 Maxeon®이라는 상품명으로 양산 및 판매를 하고 있다. 모듈의 경우 X-시리즈로 판매되고 있으며, 모듈 효율은 21% 이상을 보이고 있다. ECN에서는 Mercury라는 이름의 IBC 태양전지를 개발하였는데, 전면에 에미터 p+층이 형성되어 있는 것이 특징이다. 기존 IBC 태양전지의 경우 전면에는 n+층의 FSF(Front Surface Field)가 형성되어 있는 것이 일반적 이다. 전면에 에미터 p+층을 형성하는 대신에 후면 BSF층은 넓게 형성하였 고, 13cm2 셀면적으로 19.4%, 239cm2으로 19.0%의 효율을 달성하였다. [50]

그림 2-18. ANU와 Trina社에서 공동개발한 IBC 태양전지 [51]

나 p+층과 같은 에미터층이 형성되어 있지 않고, 보호막층으로 SiNx층만

형성되어 있다. 후면 패터닝은 포토 리소그래피를 이용하여 형성하였고, 후 면 보호막은 SiO2/SiNx층으로 형성하였다. 이러한 방법으로 제작된 IBC 태

양전지는 셀면적 4cm2로 24.6%를 달성하였다. [51]

그림 2-19. SEG(Selective Epitaxial Growth) 프로세스 개략도 [52] Imec에서는 KU Leuven, Universiteit Hasselt와 함께 IBC 태양전지를 공동 개발하였는데, 각 도핑 공정 사이에 산화 공정을 삽입하였고, 도핑 및 산화 공정 후 세정 공정을 최적화하였으며, BSF와 에미터 영역의 비율을 조절하였다. 셀면적 4cm2로 최고효율 23.1%를 달성하였다. [53] 또한, imec에서는 그림 2-19 [52]에서와 같이 SEG 프로세스를 이용해 에미터를 형성하였는데, 일반 확산 공정을 통해 형성한 에미터와 비교를 하였다. SEG 프로세스는 후면에 PSG층을 형성하고, 확산을 통해 인 도핑을 하여 BSF를 형성한 후 에미터 형성 부위를 패터닝을 통해 제거하고, 에미터 형 성을 위해 에피탁셜 방법을 이용해 도핑을 진행하는 방법이다. 에미터를 먼 저 형성하여 셀면적 4cm2의 IBC 태양전지를 제작한 경우에는 21.8%를 달 성하였으나 BSF를 먼저 형성한 경우는 20.9%를 달성하였다. SEG 방법을 이용하여 IBC 태양전지를 제작하는 경우는 에미터보다 BSF를 먼저 형성하 는 것이 원가절감에 유리하다. [52]

IBC 태양전지를 개발하였다. 이온주입 방법으로 도핑을 실시하고, 패터닝의 경우 shadow mask를 삽입하여 이온 빔을 조사하는 방법으로 BSF와 에미 터를 형성하였다. 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고 효율 22.1%를 달성하 였다. [54] Bosch社에서는 Fraunhofer CSP(Center for Silicon Photovoltaics)와 IBC 태양전지 관련하여 PID(Potential Induced Degradation) 실험을 온도와 전압을 변화시켜가면서 진행하였다. 모든 조 건에서 IBC 태양전지는 PID에 의해 효율 저하가 거의 발생하지 않음이 확 인되었다. [55] 삼성전자와 Varian社는 이온주입 방법으로 도핑 및 패터닝을 진행하였 고, 5인치 CZ 웨이퍼로 22.4%의 효율을 달성하였다. [56] ISC-Konstanz 에서는 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하고, 스크린 프린팅 방법으로 전극을 형성 하여 21.3%의 효율을 달성하였다. 대부분의 IBC 태양전지가 PVD나 전기 도금과 같은 양산성이 떨어지는 방법을 사용한 반면 ISC-Konstanz에서는 스크린 프린팅이라는 양산성이 좋은 방법을 택하여 고효율을 달성하였다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다. [57] Hareon solar社에서도 스크린 프 린팅을 하여 금속 전극을 형성한 IBC 태양전지를 제작하였는데, 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 19.6%의 효율을 달성하였다. [58]

그림 2-20. Fraunhofer ISE에서 개발한 floating 에미터 기반 IBC 태양전지 개략도와 효율 [59]

Al2O3/SiNx층을 형성하면 자외선 조사에 큰 영향을 받지 않는 특성이 있

다. 반면 전면에 n+ FSF층을 형성하고, 보호막으로 SiOx/SiNx층을 형성한

경우는 SiOx층이 자외선 조사에 약해 특성이 열화되는 단점이 있다. [59]

또한, Feiburg 대학교, Total社와 그림 2-21과 같은 공정으로 IBC 태양전 지를 공동개발하였는데, PSG와 BSG 증착 후 p+, n+ 도핑층을 동시에 형 성하는 것이 특징이고, p+, n+ 도핑 후 에칭한 다음에 추가 drive-in 공정 을 통해 도핑층을 두껍게 형성하기도 하였다. 동시 확산, 추가 drive-in 방 법 그리고 도금 전극 형성을 통해 5인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고효율 20.5%를 달성하였다. [60]

그림 2-21. Fraunhofer ISE와 Freiburg 대학, Total社와 공동개발한 IBC 태양전지 공정 순서도 [60]

특징이다. 이와 같은 방법으로 셀면적 400mm2의 IBC 태양전지를 제작하여 23.1%의 효율을 달성하였다. [62] 또한, Leibniz Universität Hannover와 공동으로 그림 2-22와 같은 IBC 태양전지를 제작하였는데, 후면 보호막으 로 SiOx층을 사용하여 셀면적 3.96cm2로 24.1%의 효율을 달성하였다.

[63]

그림 2-22. RISE process를 이용한 IBC 태양전지 단면도 [64]

업체 혹은 기관 공정 특이사항 효율 Ref.

§ Sunpower

§ Maxeon® Gen III IBC 태양전지 § 24.1% median effciency § 모듈 효율: >21% (X-시리즈) § 5인치 웨이퍼 사용 24.1% [48] § ECN § Mercury IBC 태양전지 § 전면에 floating 에미터 p+층을 형성 § 19.4% (셀면적 13cm2), 19.0% (셀면적 239cm2) 19.0% [50] § ANU (Australian National University) § Trina § 전면은 FSF나 에미터층 없이 SiNx층만 형성 § 후면 패터닝은 포토 리소그래피 를 이용 § 후면 보호막은 SiO2/SiNx층으로 형성 § 셀면적 4cm2으로 24.6% 달성 24.6% [51] § imec § KU Leuven

§ Bosch solar enegy § ISFH § 이온주입 방법으로 도핑 및 패터 닝 § 패터닝은 shadow mask 삽입하 여 이온 빔을 조사하는 방법을 사 용 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 22.1% [54] § Fraunhofer CSP (Center for Silicon Photovoltaics) § Bosch solar energy

§ Institute for photovoltaics § 레이저 도핑 방법을 통해 도핑층 을 형성 § 전극 형성은 스크린 프린팅 방법 을 사용 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 21.4% [61] § ISFH § Hanwha Solar America § Total

4. HIT 태양전지

그림 2-24. HIT 태양전지 [72]

HIT 태양전지11)_{는 실리콘 이종접합 태양전지라고도 하고, HIT라는 용어}

는 Heterojunction with Intrinsic Thin Layer의 줄임말로 현재 Panasonic社에서 판매되고 있는 실리콘 이종접합 태양전지의 상품명이다. HIT 태양전지는 n형 웨이퍼 양면에 3~10nm 두께의 얇은 진성 비정질 실 리콘층(i-a-Si:H, intrinsic amorphous silicon layer)을 증착하고, 전면에 는 10nm 정도 두께의 p형 비정질 실리콘층(p-a-Si:H, p-type amorphous silicon layer)을 후면에는 10nm 정도 두께의 n형 비정질 실 리콘층(n-a-Si:H, n-type amorphous silicon layer)을 증착하는 과정으 로 제작된다. 전자수집을 위해 p형/n형 비정질 실리콘층 위에 100~150nm 두께의 투명전도층(TCO, Transparent Conductive Oxide)을 형성하고, 전자수집 능력을 극대화시키기 위해 은 금속 전극을 형성해준다. HIT 태양 전지에서 결정질 실리콘(n형)과 비정질 실리콘(p형)이 pn 접합을 이루고 있 기 때문에 이종접합(Heterojunction)이라고 한다. HIT 태양전지의 핵심은

Hannover 대학, King Abdulaziz 대학, CAS, Next Energy 등이 있다. Choshu Industry社에서는 후면에 p형 비정질 실리콘층을 위치시켜 pn 이종접합을 형성한 HIT 태양전지를 제작하였고, 6인치 CZ 웨이퍼를 사용 하여 22.3%의 효율을 달성하였다. Panasonic社에서 제작한 것을 포함하여 대부분의 HIT 태양전지는 전면에 pn 이종접합이 형성되어 있다. Choshu Industry社에서 새롭게 pn 이종접합을 후면에 위치시켜 22% 이상의 고효 율을 달성한 것은 주목할 만한 결과라고 할 수 있겠다. 또한, 60셀 태양광 모듈을 제작하여 모듈 효율 19.2%, 모듈 출력 313.1W를 달성하였고, Meyer Burger社에서 개발한 multi wire를 이용한 SWCT(SmartWire Connecting Technology) 기술을 이용하여 모듈 효율 19.5%, 모듈 출력 319.8W를 달성하였다. [75]

그림 2-26. INES에서 mono-like n형 웨이퍼를 이용하여 제작한 HIT 태양전지 공정 순서도 [76]

미터가 전면에 형성되어 있는 경우와 후면에 형성되어 있는 경우에 대해 2D 시뮬레이션을 진행하였고, 웨이퍼 엣지(wafer edge)에 보호막을 형성할 때의 영향을 확인하였다. [77] OPAL 프리웨어 프로그램으로는 에미터가 후 면에 존재하는 경우 HIT 태양전지 전면에서 일어나는 전자재결합 분석을 시뮬레이션을 통해 진행하였다. [78]

착 조건을 최적화하였다. 이렇게 최적화된 공정으로 4인치 FZ 웨이퍼를 사 용하여 제작된 HIT 태양전지의 최고효율은 20.24%였다. [81, 82, 83] AU Optronics社에서는 에미터층으로 p형 비정질 실리콘층을 사용하지 않고, p형 비정질 실리콘 카바이드층을 사용하여 HIT 태양전지를 제작하였 다. p형 비정질 실리콘 카바이드층 증착시 증착 파워, 전극/기판 간 간격, CH4 도핑량 조절을 통해 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고효율 22.26%를 달성하였다. [84] 또한, p형 비정질 실리콘층을 에미터로 사용하여 HIT 태 양전지를 제작하기도 하였는데, 진성 비정질 실리콘층 증착시 비정질 실리 콘층 두께, 증착 압력, 증착 파워, R값(H2 가스량/SiH4 가스량)을 조절하였 다. 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 HIT 태양전지를 제작하였으며, 효율은 [84] 결과와 동일하다. [85]

Roth&Rau에서는 HIT 태양전지 제작을 위한 pilot line을 만들어서 1년 넘게 1만개 이상의 HIT 태양전지를 제작하였다. 비정질 실리콘층과 결정질 실리콘층의 계면 특성을 향상시키기 위해 PECVD 공정을 개선하였고, 비정 질 실리콘층과 TCO층의 두께 균일도를 향상시켰다. 배치당 평균효율은 20.95%(@ 239cm2)를 달성하였고, 최고효율은 21.1%(@ 239cm2)를 달성하 였다. [86] 또한, 5 busbar를 이용한 태양광 모듈과 smart wire 기술을 이용한 태양광 모듈을 제작하여 290~300W의 모듈출력을 달성하였으며, CTM(Cell To Module) loss는 2% 정도로 낮은 결과를 얻었다. 일반 양산 형 실리콘 태양전지로 제작한 모듈과 HIT 모듈의 발전량 비교를 하였는데, HIT 모듈이 7% 정도 더 많은 발전량을 보이는 것이 확인되었다. [87]

업체 혹은 기관 공정 특이사항 효율 Ref. § Panasonic (구 Sanyo) § 98um 박형 웨이퍼 사용 § 셀면적 101.8cm2 24.7% [73] § Choshu Industry § p형 비정질 실리콘층이 후면에 위치하여 pn 이종접합을 형성 § 6인치 CZ 웨이퍼 사용 22.3% [74] Kaneka社에서는 그림 2-27과 같이 전면 전극을 전기도금 방법을 사용 하여 구리 전극을 형성한 HIT 태양전지를 제작하였다. 6인치 CZ 웨이퍼를 이용하여 최고효율 24.2%를 달성하였다. [88] ISFH에서는 Hannover 대학 과 공동으로 양면 전극을 스크린 프린팅 방법으로 형성한 HIT 태양전지를 제작하였고, 효율이 저하되는 원인을 분석하였다. HIT 태양전지에서 효율이 저하되는 원인은 비정질 실리콘층과 TCO층 간 저항 손실, TCO층 내에서 의 저항 손실, Ag 금속에서의 저항 손실, 전면 Ag 금속에 의한 shading loss, 전면 비정질 실리콘층에 의한 빛흡수로 인한 손실 등이다. 이러한 손 실을 개선하면 25% 이상의 효율을 달성할 수 있다는 것을 확인하였다. 5인 치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고효율 20.2%를 달성하였는데, 효율 측정 시 에는 100cm2 면적을 가진 mask를 사용하였다. [89]

CAS에서는 Chaori solar社와 공동으로 HIT 태양전지 개발을 위한 MW 규모의 R&D pilot line을 가동하였다. 웨이퍼 클리닝, 텍스쳐링, 라운딩과 같은 습식 공정을 최적화하였고, PECVD 방법으로 비정질 실리콘층을 증착 하였으며, RPD 방법으로 ITO층을 증착하였다. 전후면에 은 그리드 패턴을 형성하고, 5인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 평균효율은 18.8%, 최고효율은 19.2%를 달성하였다. [90] NEXT ENERGY에서는 TCO 재료를 AZO(Al doped ZnO)로 사용하여 HIT 태양전지를 제작하였다. AZO층의 두께에 따 른 면저항, mobility, carrier density 변화를 분석하였고, FZ 웨이퍼를 사 용하여 최고효율 18.3%를 달성하였다. [91]

§ INES § Mono-like n형 웨이퍼를 이용 하여 HIT 태양전지를 제작 § 전면 전극을 스크린 프린팅 방 법을 통한 Ag 전극과 도금 방법 을 통한 Cu 전극으로 나누어 형 성 § 셀면적 103.9cm2 21.57% [75] § INES § Silvaco Atlas 프로그램을 이용 해 2D 시뮬레이션 진행 § 전면에 에미터가 있는 경우 후 면에 에미터가 있는 경우 모두 시 뮬레이션 진행 § 웨이퍼 엣지 보호 영향을 확인 - [76] § INES § pn 접합이 후면에 형성되어 있 는 즉, 에미터가 후면에 존재하는 HIT 태양전지에서 전면에서 일어 나는 전자재결합 분석을 OPAL이 라는 프리웨이 프로그램을 사용하 여 시뮬레이션 진행 - [77] § Delft University of Technology § 질산으로 산화시킨 후 불산으로 산화막을 제거하는 실험

§ HTW (Hochschule fur Technik und Wirtschaft) Berlin § HZB § CiS Institut fur Mikrosensorik und Photovoltaik

§ Roth&Rau § Pilot line에서 6인치 CZ 웨이 퍼 사용하여 HIT 태양전지를 제 작 § 비정질 실리콘층에 의한 표면 보호 특성, 비정질 실리콘층과 TCO층의 두께 균일도 등의 개선 § 25개 HIT 태양전지 평균효율 20.94%, 최고효율 21.1% 달성 21.1% [85] § Roth&Rau § Meyer Burger

§ CAS § Chaori Solar § 습식 공정 최적화(웨이퍼 클리닝, 텍스쳐링, 라운딩) § PECVE 방법으로 비정질 실리콘층 증착 § RPD 방법으로 ITO층 증착 § 전후면 Ag 그리드 패턴 형성 § MW 규모의 R&D pilot line 가동 § 5인치 CZ 웨이퍼 사용하여 평균효율 18.8%, 최고효율 19.2% 달성 19.2% [89] § NEXT ENERGY § TCO 재료로 AZO를 사용 § AZO층 두께에 따른 면저항, mobility, carrier density 변화 분석 § FZ 웨이퍼 사용하여 최고효율 18.3% 달성 18.30% [90] § Roth&Rau § Meyer Burger § NTB Buchs § EPFL § 전면에 Ni/Cu 도금전극을 형성 § 5인치 Cz 웨이퍼 사용하여 최 고효율 22.3%, 6인치 CZ 웨이퍼 사용하여 최고효율 21.7% 달성 22.3% [91] § Fraunhofer ISE § Sentaurus TCAD 프로그램 사 용하여 전면 에미터, 후면 에미터 형성시 2D 시뮬레이션 진행

§ Canadian solar

5. MWT 태양전지

그림 2-28. n형 웨이퍼를 사용한 MWT 태양전지 단면도 [96]

MWT 태양전지에서 MWT는 Metal Wrap Through의 줄임말로 그림 2-28과 같이 웨이퍼에 비아 홀(via hole)을 형성하여 금속 전극 일부가 비 아 홀을 관통하여 후면에까지 형성된 태양전지이다. 비아 홀을 통해 기존 일반 실리콘 태양전지에서 shading loss의 가장 큰 부분을 차지했던 버스 바 영역을 후면에 위치시킬 수 있어 전면에 형성된 금속 전극의 shading loss를 줄일 수 있다. 버스바를 후면에 형성함으로써 빛 흡수를 3% 정도 증가시킬 수 있고, 태양광 모듈을 제작하였을 때에는 7%의 발전량 증가 효 과를 얻을 수 있다. 비아 홀을 통해 금속 전극 뿐만 아니라 에미터까지 관 통해서 형성한 경우에는 EWT(Emitter Wrap Through) 태양전지라고 한 다.

그림 2-29. Canadian solar MWT 태양전지 [97]

6. TOPCon 태양전지

그림 2-30. TOPCon 태양전지 단면도 [103]

TOPCon 태양전지는 Fraunhofer ISE의 Glunz 그룹에서 처음으로 개발 한 태양전지로 TOPCon은 Tunnel Oxide Passivated Contact의 줄임말이 다. 그림 2-30과 같이 전면에 확산 방법으로 p+ 에미터를 형성하고, 후면 에는 14~20Å 두께의 매우 얇은 SiO2막을 형성하고, 그 위에 n형 비정질

7. HBC 태양전지

그림 2-31. HBC 태양전지 [104]

HBC 태양전지12)_{는 Heterojunction Back Contact 태양전지의 줄임말로}

Sunpower社의 IBC 태양전지와 Panasonic社의 HIT 태양전지 개념이 융 합된 구조라고 할 수 있다. IBC 태양전지가 후면에 p+층과 n+층이 교대로 형성되어 있는 구조라면 HBC 태양전지는 p형 비정질 실리콘층과 n형 비정 질 실리콘층이 교대로 배열된 구조라고 할 수 있다. HBC 태양전지는 비정 질 실리콘과 결정질 실리콘의 이종접합을 통해 높은 Voc를 달성하고, 후면 전극 구조를 통해 높은 Jsc를 동시에 달성할 수 있다. 그림 2-32. Panasonic社에서 개발한 HBC 태양전지 개략도 [105]

8. 기타

그림 2-34. 하이브리드 실리콘 이종접합 태양전지와 PERT 태양전지 공정 순서도 [111]

그림 2-36. Silevo社 Triex® 태양전지 [113]

Silevo社는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조를 가진 Triex® 태양전지를 제작하고, 판매하고 있다. 그림 2-36과 같이 텍스쳐된 n형 웨 이퍼 양면에 얇은 SiO2 막을 형성하고, 전면에는 비정질 실리콘층으로 추정 되는 박막 에미터를 형성한 후 TCO층을 증착한다. 후면은 SiO2 박막 아래 에 n형 BSF층을 형성한 후 TCO층을 증착한다. 전면 박막 에미터는 graded doping 방법이 사용되었다고 한다. 박막 에미터 전체를 균일하게 도핑하는 것이 아니라 박막 증착 시 도핑량을 증가시키거나 감소시키면서 에미터를 형성하게 된다. 이렇게 제작된 Triex® 태양전지는 5인치 CZ 웨이 퍼를 사용하여 22.1%의 효율을 달성하였고, 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 21.3%의 효율을 달성하였다. 그리고 6인치 Triex® 태양전지로 72셀 태양 광 모듈을 제작하여 355W 모듈 출력을 달성하였다. [113]

에 HIT 태양전지나 IBC 태양전지 관련하여 기존 특허를 회피할 수 있는 전략 수립이 필요하다. HIT 구조와 IBC 구조를 융합한 HBC 구조도 많은 관심을 받고 있는데, Panasonic社와 Sharp社에서 25% 이상의 효율을 이미 달성한 상황이다. HBC 구조가 현재까지는 실리콘 태양전지를 이용하여 가장 높은 효율을 구 현할 수 있는 구조로 보여지며, 310~350W의 고출력 태양광 모듈에 HBC 구조의 비중이 차츰 높아질 것으로 예상된다. 따라서 HBC 태양전지의 고효 율 달성 및 저가 공정 기술 개발도 fast follower 입장에서 반드시 필요할 것으로 판단된다. 양면수광형 태양전지는 LG전자에서 이미 이온주입 공정을 이용하여 21.0~21.5%의 효율을 달성한 상황인데, 양면수광형 태양전지로 만들어진 태양광 모듈은 여전히 일반 태양광 모듈 대비 발전단가가 높은 편이다. 양 면수광형 태양전지를 이용한 양면수광형 태양광 모듈(Glass to Glass 태양 광 모듈)은 바닥에서 반사된 빛이 모듈 후면에 흡수가 일어나면서 추가로 전력을 생산할 수 있는데, 단면수광형 태양광 모듈 대비 발전량이 5~20% 정도 높은 편이다. 양면수광형 태양광 모듈 개발을 통해 발전단가를 20% 이상 높일 수 있는 기술이 개발된다면 n형 양면수광형 태양전지를 이용한 양면수광형 태양광 모듈의 발전단가를 일반 태양광 모듈 수준 이하로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

[1] 네이버 지식백과

[2] 두산백과 (http://www.doopedia.co.kr)

[3] M.A. Green, Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 371, No. 1996 (2013) 20110413

[4] Global Solar Power Market, Frost&Sullivan (2014)

[5] International Technology Roadmap for Photovoltaics 2013 results, SEMI (2014)

[6] A. Edler et al., Proceedings of 25th EUPVSEC (2010)

[7] S.D. Wolf, P. Choulat, et al., Proceedings of 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, (2000) 53–56

[8] A. Richter, J. Benick, A. Kalio, J. Seiffe, M. Horteis, M. Hermle, S.W. Glunz, Energy Procedia 8 (2011) 479-486

[9] M. Aleman, L. Tous, E. Cornagliotti, J. John, N.E. Posthuma, R. Russell, S. Singh, E. Sleeckx, A. Uruena, J. Szlufcik,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 731-735

[10] J. Bartsch, M. Kamp, D. Hartleb, C. Wittich, A. mondon, B. Steinhauser, F. Feldmann, A. Richter, J. Benick, M. Glatthaar, M. Hermle, S. W. Glunz, Energy Procedia 55 (2014) 400-409 [11] B. Steinhauser, M. Mansoor, U. Jager, J. Benick, M. Hermle,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 722-726

[12] Y. Tao, A. Payne, V.D. Upadhyaya, A. Rohatgi, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 22 (2014) 1030-1039 [13] K. Ryu, A. Upadhyaya, V. Upadhyaya, A. Rohatgi, Y.W. Ok,

Progress in Photovoltaics: Research and Applications (2014) in press

[15] Y. Tao, Y.W. Ok, F. Zimbardi, A.D. Upadhyaya, J.H. Lai, S. Ning, V.D. Upadhyaya, A. Rohatgi, IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 4, No. 1 (2014) 58-63

[16] F. Kiefer, R. Peibst, T. Ohrdes, T. Dullweber, J. Krugener, H.J. Osten, C. Schollhorn, A. Grohe, R. Brendel, Physica Status Solidi A (2014) 1-7

[17] P. Liang, P. han, F. Yujie, Y. Xing, Semiconductor Science and Technology 29 (2014) 035011

[18] L. Tous, M. Aleman, R. Russell, E. Cornagliotti, P. Choulat, A. Uruena, S. Singh, J. John, F. Duerinckx, J. Poortmans, R. Mertens, Progress in Photovoltaics: Research and Applications

(2014) in press

[19] J. Engelhardt, A. Frey, L. Mahlstaedt, S. Gloger, G. Hahn, B. Terheiden, Energy Procedia 55 (2014) 235-240

[20] T. Ballmann, V. Mertens, C. Peters, M. Koentopp, J. Cieslak, A. Schonmann, C. Klenke, M. Kauert, G. Zimmermann, S. Bordihn, j.W. Muller, Energy Procedia 55 (2014) 396-399

[21] V. Mertens, T. Ballmann, J. Cieslak, M. Kauert, A.M.F. Stenzel, M. Junghanel, K.Suva, Ch. Klenke, G. Zimmermann, J.W. Muller,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 714-717 {II-41}

[22] F. Werner, Y. Larionova, D. Zielke, T. Ohrdes, J. Schmidt,

Journal of Applied Physics 115 (2014) 073702

[23] 이규민, 2014 결정질 실리콘 태양전지 & 모듈 워크샵, 고려대, 2014/10/21

[24] S. Gonsui, S. Goda, K. Sugibuchi, N. Ishikawa, K. Honda, H. Zama, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 718-721

[25] P. Rothhardt, S. Meier, C. Demberger, A. Wolf, D. Biro,

Energy Procedia 55 (2014) 287-294

[26] P. Rothhardt, S. Meier, S.. Maier, K. Jiang, A. Wolf, D. Biro,

IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 4, No. 3, 827-833

Journal of Photovoltaics, Vol. 4, No. 2, 575-580

[28] Y. Schiele, S. Joos, G. Hahn, B. Terheiden, Energy Procedia 55 (2014) 295-301

[29] A. Edler, V.D. Mihailetchi, L.J. Koduvelikulathu, C. Comparotto, R. Kopecek, R. Harney, Progress in Photovoltaics: Research and Applications (2014) in press

[30] A. Edler, P. Lill, M. Dahlinger, M. Eberspacher, V.D. Mihailetchi, C. Comparrotto, R. Harney, R. Kopecek, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 967-970

[31] S. Barth, O. Doll, I. Koehler, K. Neckermann, M. Blech, A. Lawerenz, A. Edler, R. Kopecek, J.J. Schneider, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1131-1134

[32] U.A. Yusufoglu, T.H. Lee, T.M. Pletzer, A. Halm, L.J. Koduvelikulathu, C. Comparotto, R. Kopecek, H. Kurz, Energy Procedia 55 (2014) 389-395

[33] A. Lanterne, J.L. Perchec, S. Gall, M. Coig, A. Tauzin, Y. Veschetti, Energy Procedia 55 (2014) 437-443

[34] S. Gall, S. Manual, V. Sanzone, R. Cabal, Y. Veschetti, A. Bettinelli, H. Robin, P. Lefillastre, C. Gillot, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 695-698

[35] Y. Veschetti, S. Manual, V. Sanzone, R. Monna, G. Fortin, E. Pihan, P. Lefillastre, B. Novel, A. Jouini, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 727-730

[36] H.C. Chang, C.J. Huang, P.T. Hsieh, S.W. Chiu, C.C. Li,

[37] P.T. Hsieh, C.J. Huang, H.C. Chang, S.W. Chiu, C.C. Li,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1174-1176

[38] H.C. Chang, C.J. Huang, P.T. Hsieh, W.C. Mo, S.H. Yu, C.C. Li, Energy Procedia 55 (2014) 643-648

[39] J. Choi, N. Balaji, V.A. Dao, C. Park, S. Lee, J. Kim, M. Ju, H. Lee, Y.J. Lee, J. Yi, Journal of Electronic Materials, Vol. 43, No. 9 (2014) 3191-3195

[40] I.G. Romijin, B.A.J. Anker, P. Barton, A. Gutjahr, Y. Komatsu, M. Koppes, E.J. Kossen, M. Lampers, D.S. Saynova, C.J.J. Tool, Y. Zhang, P.R. Venema, A.H.G. Vlooswijk, C. Schmitt, H. Kuehnlein, N. Bay, M. Konig, A.F. Stassen, Proceedings of 28th EUPVSEC

(2013) 736-740

[41] C.C. Chen, C.L. Lin, Y.T. Cheng, Y.H. Huang, J.W. Chien,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1053-1056

[42] D. Wang, Z. Yang, H. Yin, J. Xiao, L. Hou, X. Wang, L. Zhang, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1166-1169

[43] A. Uzum, S. Yoshiba, M. Dhamrin, Y. Suda, K. Kamisako, H. Sato, K. Katsuma, K. Kato, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1181-1183

[44] C.M. Kang, S.P. Su, S.H.T. Chen, L.W. Cheng, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1371-1373

1383-1385

[46] Yingli社 홈페이지 (http://www.yinglisolar.com/en/products) [47] http://sun.anu.edu.au/backcontact

[48] D.D. Smith et al., Proceedings of 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) (2012) 1594-1597

[49] D.D. Smith et al., Proceedings of 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) (2013) 908-913

[50] I. Cesar, N. Guillevin, A.R. Burgers, A.A. Mewe, M. Koppes, J. Anker, L.J. Geerligs, A.W. Weeber, Energy Proceida 55 (2014) 633-642

[51] K.C. Fong, K. Teng, K.R. McIntosh, A.W. Blakers, E. Franklin, N. Zin, A. Fell, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 851-855

[52] M.R. Payo, N. Posthuma, A.U. Castro, M. Debucquoy, J. Poortmans, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 941-946

[53] B.J. O’Sullivan, M. Debucquoy, S. Singh, A.U. Castro, M.R. Payo, N. Posthuma, I. Gordon, J.310W~350 Szlufcik, J. Poortmans,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 956-960

[54] http://www.solarserver.com/solar-magazine/solar-news

[55] V. Naumann, T. Geppert, S. Groβer, D. Wichmann, H.J. Krokoszinski, M. Werner, C. Hagendorf, Energy Procedia 55 (2014) 498-503

[59] R. Muller, C. Reichel, J. Benick, M. Hermle, Energy Procedia

55 (2014) 265-271

[60] R. Keding, D. Stuwe, M. Kamp, C. Reichel, A. Wolf, R. 째되, D. Borchert, H. Reinecke, D. Biro, Proceedings of 28th EUPVSEC

(2013) 961-966

[61] M. Dahlinger, K. Carstens, J.R. Kohler, R. Zapf-Gottwick, J.H. Werner, Energy Procedia 55 (2014) 410-415

[62] R. Peibst, N.P. Harder, A. Merkle, T. Neubert, S. Kirstein, J. Schmidt, F. Dross, P. Basore, R. Brendel, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 971-975

[63] A. Merkle, R. Peibst, R. Brendel, Proceedings of 29th EUPVSEC

(2014)

[64] A. Merkle, H. Schulte-Huxel, S. Blankemeyer, I. Feilhaber, R. Bock, V. Steckenreiter, S. Kajari-Schroeder, N.P. Harder, R. Brendel, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 21 (2013) 1354-1362

[65] X. Yang, R. Muller, A. Shalav, L. Xu, W. Liang, R. Zhang, Q. Bi, K. Weber, D. Macdonald, R. Elliman, Energy Procedia 55 (2014) 320-325

[66] R. Sidhu, M. Bennett, G. Hmung, W. Ren, L. Zou, D.W. Cunningham, D. Carlson, J. Dong, X. Li, J. Lu, W. Song, L. Tao, Z. Xia, Z. Yang, G. Xing, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1152-1155

55 (2014) 11-16

[68] D. Carrio, P. Ortega, I. Martin, G. Lopez, J.M. Lopez-Gonzalez, A. Orpella, C. Voz, R. Alcubilla, Energy Procedia 55 (2014) 47-52 [69] P. Procel, V. Maccaronio, F. Crupi, G. Cocorullo, M. Zanuccoli, P. Magnone, C. Fiegna, Energy Procedia 55 (2014) 128-132

[70] S.C. Baker-Finch, P.A. Basore, IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 4, No. 1 (2014) 78-83

[71] K.C. Lai, C.N. Li, K. Huang, P.T. Hsieh, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1787-1791

[72] Panasonic社 홈페이지 (http://eu-solar.panasonic.net)

[73] A. Yano, S. Tohoda, K. Matsuyama, Y. Nakamura, T. Nishiwaki, K. Fujita, M. Taguchi, E. Maruyama, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 748-751

[74] E. Kobayashi, N. Nakamura, K. Hashimoto, Y. Watabe,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 691-694

[75] F. Jay, D. Munoz, T. Desrues, E. Pihan, V.A. Oliveira, N. Enjalbert, A. Jouini, Solar Energy Materials & Solar Cells 130 (2014) 690-695

[76] R. Varache, N. Nguyen, D. Munoz, Energy Procedia 55 (2014) 149-154

[77] R. Varache, A. Valla, N. Nguyen, D. Munoz, Energy Procedia

55 (2014) 302-309

Sebille, R.A.C.M.M. Swaaij, M. Zeman, Energy Procedia 55 (2014) 197-202

[79] M. Mews, E. Conrad, S. Kirner, N. Mingirulli, L. Korte, Energy Procedia 55 (2014) 827-833

[80] B. Stegemann, J. Kegal, M. Mews, E. Conrad, L. Korte, U.　 Sturzebecher, H. Angermann, Energy Procedia 55 (2014) 219-228 [81] J. Kegel, H. Angermann, U. Sturzebecher, E. Conrad, M. Mews, L. Korte, B. Stegemann, Applied Surface Science 301 (2014) 56-62 [82] J. Kegel, H. Angermann, U. Sturzebecher, E. Conrad, L. Korte, B. Stegemann, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1093-1098

[83] Y.L Chang, M.Y. Chen, J.S.Q. Liu, Y.J. Chien, P.C. Yang, M.Y. Huang, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1210-1212

[84] M.Y. Chen, Y.L. Chang, P.C. Yang, M.Y. Huang, Y.J. Chien, J.S.Q. Liu, J. Chang, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1846-1848 [85] J. Z hao, G. Citarella, F. Wunsch, B. Gruber, M. Schorch, M. Richter, S. Pieper, D. Decker, M. Weinke, J. Hausmann, D. Landgraf, D. Sontag, J. Kowalewski, J. Krause, E. Vetter,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1034-1038

[86] J. Z hao, H. Mehlich, J. Hausmann, M. Richter, B. Grubber, M. Weinke, M. Schorch, J. Kowalewski, J. Krause, P. Papet, W. Stein, M. Blanchet, T. Soderstrom, A. Ritcher, S. Beyer, J. Ufheil,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1887-1889

Nakano, H. Uzu, T. Terashita, K. Yoshikawa, T. Kuchiyama, M. Hiraishi, N. Nakanishi, M. Yoshime, K. Yamamoto, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 741-743

[88] R. Gogolin, M. Turcu, R. Ferre, R. Brendel, N.P. Harder, J. Schmidt, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1039-1042

[89] W. Wang, L.Z. Z hao, H. D iao, W. Z hang, C. Zhou, J. Chen, G. Wang, D. Chen, S. Zhou, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1856-1860

[90] O.M. Ghahfarokhi, K. Chakanga, O. Sergeev, K. Maydell, C. Agert, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1928-1931

[91] P. Papet, J. Hermans, T. Soderstrom, M. Cucinelli, L. Andreetta, D. Batzner, W. Frammelsberger, D. lachenal, J. Meixenberger, B. Legradic, B. Strahm, G. Wahli, W. Brok, J. Geissbuhler, A. Tomasi, C. Ballif, E. Vetter, S. Leu, Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1976-1979

[92] M. Bivour, H. Steinkemper, J. Jeurink, S. Schroer, M. Hermle,

Energy Procedia 55 (2014) 229-234

[93] X. Z hang, A. Cuevas, B. Demaurex, S. Wolf, Energy Procedia

55 (2014) 865-872

[94] G. Xiong, X. Wang, L. Z hang, Proceedings of 28th EUPVSEC

(2013) 1061-1063

[95] A. Albadri, K.L. Saenger, B. Hekmatshoar, D.K. Sadana,

Proceedings of 28th EUPVSEC (2013) 1825-1827