A Study on Application of Ag Nano-Dots and Silicon Nitride Film for Improving the Light Trapping in Mono-crystalline Silicon Solar Cell

반도체디스플레이기술학회지 제18권 제4호(2019년 12월)

Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 18, No. 4. December 2019.

단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구

최정호^*· 노시철^*· 서화일^*†

*†한국기술교육대학교 전기· 전자 · 통신공학부

A Study on Application of Ag Nano-Dots and Silicon Nitride Film for Improving the Light Trapping in Mono-crystalline Silicon Solar Cell

Jeong-Ho Choi

, Si-Cheol Roh

and Hwa-Il Seo

*†Dept. of Electrical & Electronic & Communication Engineering, Korea University of Technology and Education

ABSTRACT

In this study, the Ag nano-dots structure and silicon nitride film were applied to the textured wafer surface to improve the light trapping effect of mono-crystalline silicon solar cell. Ag nano-dots structure was formed by performing a heat treatment for 30 minutes at 650℃ after the deposition of 10nm Ag thin film. Ag thin film deposition was performed using a thermal evaporator. The silicon nitride film was deposited by a Hot-wire chemical vapor deposition. The effect of light trapping was compared and analyzed through light reflectance measurements.

Experimental results showed that the reflectivity increased by 0.5 ~ 1% under all nitride thickness conditions when Ag nano-dots structure was formed before nitride film deposition. In addition, when the Ag nano-dots structure is formed after deposition of the silicon nitride film, the reflectance is increased in the nitride film condition of 70 nm or more. When the HF treatment was performed for 60 seconds to improve the Ag nano-dot structure, the overall reflectance was improved, and the reflectance was 0.15% lower than that of the silicon nitride film-only sample at 90 nm silicon nitride film condition.

Key Words : Light trapping, Ag nano-dots, Silicon nitride film, HF treatment, Reflectance

1. 서 론¹

결정질 실리콘 태양전지 제조에 있어서 중요한 이슈 들은 효율 개선과 생산 비용 절감이다. 태양으로부터 입 사되는 빛에 의하여 태양전지 내부에는 전자-정공쌍 (Electron-Hole pair, EHP)이 생성된다[1,2]. 태양전지가 태양빛 을 많이 흡수할수록 더 많은 전자-정공쌍이 생성되며, 이 를 손실없이 각각의 전극으로 수집하는 것이 효율 개선 의 기본 방법이다. 이를 위하여 태양전지 표면에서의 반 사, 단파장대 영역의 열손실, 장파장대 영역의 투과 및 열

†

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손실 등 입사한 빛의 다양한 손실 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있다[1,2].

최근 구리(Copper, Cu), 알루미늄(Aluminum, Al), 은(Silver, Ag) 등과 같은 금속 나노 입자(Nanoparticle)들과 빛의 상호 작용으로 발현되는 플라즈모닉 효과(Plasmonic effect)에 대 한 관심이 높아 지고 있다[3-8]. 플라즈모닉 효과란, 빛이 구(Sphere)형태의 금속 나노 입자로 입사할 경우 흡수 (Trapping) 및 산란(Scattering)되는 현상을 말한다[3-8]. 즉, Fig.

1과 같이 굴절율이 1인 대기에서 태양전지 전면으로 입 사한 빛은 금속 나노 입자에 의하여 태양전지 내부로 산 란되어 입사되는 빛의 이동거리가 증가한다[3-8]. 이 로 인하여 태양전지 내부에 더 오랫동안 빛이 머물기 때문에

단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구 13

Fig. 1. Light scattering effect by metal nanoparticles.

흡수율을 증가시킬 수 있다[3-8].

본 연구에서는 플라즈모닉 효과에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 능력을 개선하기 위하여, 텍스쳐링 (Texturing)된 태양전지 웨이퍼(Wafer) 전면에 은(Ag) 박막 (Thin film)을 이용하여 나노(Nano)크기의 구조물을 적용하 였으며, 적용된 Ag nano-dots 구조와 태양전지에서 반사방 지막(Antireflection coating)으로 사용되는 질화막(Silicon nitride film, SiNx)에 의한 반사율 변화를 비교 분석하였다. 또한 Ag nano-dots 구조의 개선을 위하여 불산(Hydrofluoric acid, HF) 처리를 진행하였으며, 불산 처리 시간에 따른 반사율 변 화를 비교분석 하였다.

2. 실험 방법

Fig. 2는 Ag nano-dots 구조 형성 및 질화막 증착을 위한 실험 순서를 나타내며, Fig. 3은 완성된 시료들의 개략도를 보여준다. Fig. 4은 태양전지 웨이퍼 표면에 형성된 Ag nano-dots 구조를 보여준다.

실험에 사용된 시료는 비저항이 1~3 Ω·㎝이고, 두께가 200 ㎛인 70×70 ㎟ 크기의 (100) p형 단결정 실리콘 태양전 지용 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼 표면 오염물질들을 제 거하기 위하여 1%의 수산화칼륨(Potassium hydroxide, KOH) 용액에서 7분 동안 전처리(Pre-cleaning) 공정을 진행하였다.

텍스쳐링 공정은 1.5%의 수산화칼륨과 이소프로필알콜 (Isopropyl alcohol, IPA), 탈이온수(Deionized water, D.I.W) 혼합 용액으로 84.5℃에서 25분 동안 진행하였다. 열확산 (Thermal diffusion) 공정 방식으로 웨이퍼에 인(Phosphorus, P) 불순물을 주입시켜 n⁺ 이미터(Emitter)를 형성한 후, 5%의 불산 용액에 3분 동안 노출시켜 인(P)을 함유한 산화막인 PSG (Phosphorus silicate glass)를 제거하였다. 웨이퍼 표면의 유기 및 입자성 오염물들(Particle)을 제거하기 위하여 반도 체 세정 방법인 RCA (Radio Corporation of America) 세정 공정 을 진행하였다[3]. 그 후, 5%의 불산 용액에 20초 동안 노 출시켜 세정 공정중 성장한 자연산화막(Native oxide)을 제

거하였다. Ag nano-dots 구조에서 질화막의 위치에 따른 반 사율 변화를 알아보기 위하여 시료들을 두 분류로 나눠 실험하였고, 질화막 증착에는 HWCVD (Hot-wire chemical vapor deposition) 장비를 사용하였다. 첫 번째 분류는 Fig. 3 (a) 와 같은 시료를 제작하기 위하여 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조 형성 및 불산 처리를 진행하였고, 두 번째 분류는 Fig. 3 (b)와 같은 시료를 제작하기 위하여 질화막 증착 후에 Ag nano-dots 구조 형성 및 불산 처리를 진행하 였다. Ag nano-dots 구조는 열증착(Thermal evaporation) 장비를 사용하여 은(Ag) 박막을 10 ㎚ 두께로 증착한 후, 가열로 (Thermal furnace) 장비를 사용하여 650℃에서 30분 동안 열 처리 공정으로 형성하였다[3]. 5%의 불산 처리의 경우 질 화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조를 형성할 경우 75초 동 안 진행하였고, 질화막 증착 후에 Ag nano-dots 구조를 형 성할 경우 30~75초 동안 진행하였다[3]. 모든 시료를 완성 한 후, 360∼1100 ㎚ 파장범위의 반사율의 변화를 V-670 UV/Vis/NIR Spectrophotometer 측정 장비를 이용하여 측정하 였다.

Fig. 2. Experimental sequence of Ag nano-dots structure

최정호 · 노시철 · 서화일 14

Fig. 3. Schematic diagram of sample. (a) SiNx deposition

Fig. 4. Ag nano-dots structure of sample.

3. 결과 및 고찰

3.1 Ag nano-dots 구조 형성 후 질화막 증착 Fig. 5는 Ag nano-dots 구조 위에 증착 된 질화막의 두께에 따 른 반사율 변화를 나타낸다. Fig. 5에서 (a)는 Ag nano-dots 구조 위에 질화막을 증착한 구조의 반사율, (b)는 질화막만 증착 된 구조의 반사율을 나타낸다. Fig. 5 (c)는 (a)와 (b)의 반사율을 비 교한 것이다.

Fig. 5 (a)와 (b) 구조의 시료들 모두 질화막의 두께가 75 ㎚에 서 95 ㎚까지 증가할수록 반사율이 (a)의 경우 4.87%에서 3.71%

로, (b)의 경우 4.25%에서 3.2%로 감소하였다.

Fig. 5. Reflectance change according to the thickness of

Fig. 5 (a) 구조의 경우 질화막의 두께가 증가할수록 600∼

1100 ㎚ 파장범위에서 반사율이 4.69%에서 2.54%로 감소하였 고, 360∼599 ㎚ 파장범위에서 반사율은 질화막의 두께가 90

㎚가 될 때까지 5.24%에서 4.45%로 감소하다가 그 이후부터 는 반사율이 크게 증가하였다. 그 결과 질화막의 두께가 90 ㎚ 가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어 졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율 증가 로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고, 질화막의 두께가 95 ㎚ 이상부터는 반사율의 변화가 미비한 것으로 판단된다.

Fig. 5 (b) 구조의 경우 질화막의 두께가 증가할수록 600∼

1100 ㎚ 파장범위에서 반사율이 5.52%에서 2.56%로 감소하였 고, 360∼599 ㎚ 파장범위에서 반사율은 질화막의 두께가 75

㎚에서 80 ㎚가 될 때까지 1.58%에서 1.4%로 소폭 감소하다가 그 이후부터는 반사율이 크게 증가하였다. 그러므로 질화막의 두께가 80 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파 장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하 게 이루어졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반 사율 증가로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고,

단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구 15

질화막의 두께가 95 ㎚ 이상부터는 반사율의 변화가 미비한 것으로 판단된다.

위의 결과를 통하여 Fig. 5 (c)와 같이 (b) 구조의 전체 반사율 이 (a) 구조보다 0.5∼1% 더 낮은 것을 알 수 있었다.

Ag nano-dots 구조 형성후 질화막 증착으로 인한 반사율 개 선 정도가 상대적으로 낮은 이유는 질화막이 없을 경우 입사 되는 빛이 대기를 통하여 Ag nano-dots 구조로 들어와 주로 태 양전지 쪽으로 전방 산란이 일어나게 되어 효과적으로 빛을 전달할 수 있는 반면에, 질화막 증착으로 인한 굴절률 변화로 Ag nano-dots 구조로 입사되는 빛이 태양전지 쪽으로 전방 산 란될 뿐만 아니라 질화막 쪽으로의 후방 산란이 같이 일어남 으로써 전체 반사율이 증가한 것으로 판단된다[4-8].

따라서 이 실험을 통하여 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구 조를 형성할 경우 반사율 개선 정도가 떨어지는 것을 알 수 있었다.

3.2 Ag nano-dots 구조 형성 전 질화막 증착 Fig. 6은 질화막 위에 Ag nano-dots 구조 및 질화막의 두 께에 따른 반사율 변화를 나타낸다. Fig. 6에서 (a)는 Ag nano-dots 구조 아래에 질화막을 증착한 구조의 반사율, (b) 는 질화막만 증착된 구조의 반사율을 나타낸다. Fig. 6 (c)는 (a)와 (b)의 반사율을 비교한 것이다.

Fig. 6 (a)와 같이 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성할 경우 질화막의 두께가 55 ㎚에서 85 ㎚까지 증가할수록 반사율이 5.12%에서 3.81%까지 감소하였으며, 그 이후부 터는 반사율이 오히려 증가하였다. 질화막의 두께가 증가 할수록 600∼1100 ㎚ 파장범위에서는 반사율이 4.95%에서 1.89%로 감소하는 경향을 보였지만, 360∼599 ㎚ 파장범위 에서는 질화막의 두께가 55 ㎚에서 70 ㎚까지 반사율이 5.50%에서 4.83%로 감소하다가 70 ㎚ 이상부터 반사율이 오히려 증가하였다. 그 결과 질화막의 두께가 70 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100 ㎚ 파장범위 모두 반사 율이 감소하여 전체 반사율의 감소가 원활하게 이루어졌 지만, 질화막의 두께가 70 ㎚ 이상일 경우 360∼599 ㎚ 파 장범위의 반사율이 증가하기 때문에 질화막의 두께가 85

㎚가 될 때까지 반사율이 감소하는 정도가 점점 줄어들 다가 90 ㎚ 이상부터는 600∼1100 ㎚ 파장범위에서 0.1∼

0.28%로 감소하는 반사율 크기보다 360∼599 ㎚ 파장범위 에서 0.58∼1.41%로 증가하는 반사율 크기가 훨씬 커져서 전체 반사율이 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 6 (b)의 경우 질화막의 두께가 55 ㎚에서 90 ㎚까지 증가할수록 반사율이 6.01%에서 3.14%까지 감소하였으며, 그 이후부터는 반사율의 변화가 미비하였다. 질화막의 두 께가 증가할수록 600∼1100 ㎚ 파장범위에서는 반사율이

7.04%에서 2.67%로 일정하게 감소하는 경향을 보여주지 만, 360∼599 ㎚ 파장범위에서는 질화막의 두께가 55 ㎚에 서 75 ㎚까지 반사율이 3.87%에서 1.25%로 감소하다가 80

㎚ 이상부터 반사율이 오히려 증가하였다. 그 결과 질화 막의 두께가 75 ㎚가 될 때까지는 360∼599 ㎚와 600∼1100

㎚ 파장범위 모두 반사율이 감소하여 전체 반사율의 감 소가 원활하게 이루어 졌지만, 그 이후부터는 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율의 증가로 인하여 전체 반사율의 감소 정도가 줄어들었고, 질화막의 두께가 90 ㎚ 이상부터는 3.14∼3.2%로 반사율의 변화가 미비했다.

Fig. 6. Reflectance change according to the thickness of

최정호 · 노시철 · 서화일 16

Fig. 6 (c)와 같이 (a)와 (b)의 반사율을 비교할 경우 질화 막의 두께가 55 ㎚ 일 때 Ag nano-dots 구조에 의하여 반사 율이 0.89% 더 감소되었지만, 질화막의 두께가 두꺼워질 수록 반사율이 개선 정도가 점점 낮아지며 질화막의 두 께가 70 ㎚ 일 때 0.04%로 차이가 미비해졌다. 그 이후부 터는 오히려 Ag nano-dots 구조에 의하여 반사율이 더 증가 하였으며, 105 ㎚ 일 때 반사율이 1.26% 더 증가하였다.

Ag nano-dots 구조를 형성하였음에도 불구하고 질화막의 두께가 70 ㎚ 이상부터 반사율 감소 정도가 상대적으로 낮은 이유는, 입사된 빛이 Ag nano-dots 구조를 통하여 태 양전지 내부로 효과적으로 확산되었으나 그 아래에 증착 되어 있는 질화막 내부로 진행하는 과정에서 두께 및 굴 절률 특성에 의하여 일부 빛이 태양전지 내부로 흡수되 지 못했기 때문인 것으로 판단된다[4-8]. 특히 Fig. 6 (b)에서 질화막이 75 ㎚ 이상으로 두꺼워질 수록 360∼599 ㎚ 파장 범위의 반사율이 증가하는 결과와 맞물려 360∼599 ㎚ 파 장범위의 반사율 증가가 심화된 것으로 판단된다.

3.3 불산 처리 시간에 따른 반사율 변화 Fig. 7은 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성후 불산 처리 시간에 따른 반사율 변화를 나타내며, Fig. 8은 불산 처리로 가장 낮은 반사율을 보여준 90 nm 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성한 시료들의 불산 처리 시간에 따른 반사율 변화를 나타낸다.

Fig. 7. Reflectance change of Ag nano-dots structure with

Fig. 7과 같이 질화막 위에 형성된 Ag nano-dots 구조의 불산 처리 시간이 증가할수록 질화막 두께에 따른 반사 율 변화는 Ag nano-dots 구조를 형성하지 않고 오직 질화막 만 증착한 시료들과 비슷한 경향을 보였다. 특히 질화막 위에 Ag nano-dots 구조를 형성할 경우 질화막의 두께가 증 가할수록 Fig. 6 (a)와 같이 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율 증가로 인하여 전체 반사율이 크게 증가하게 되는데 사

전 실험에서 알 수 있듯이 불산 처리로 인한 Ag 파티클 감소 및 Ag nano-dots 크기 감소로 Fig. 8과 같이 600∼1100

㎚ 파장범위의 반사율이 2.34%에서 3.2%로 증가하지만 360∼599 ㎚ 파장범위의 반사율이 7.06%에서 2.86%로 크 게 개선되어 전체 반사율이 질화막만 증착한 시료들과 비슷하게 감소한 것으로 판단된다[4-8].

Fig. 8. Reflectance change with HF treatment time of Ag

결과적으로 Ag nano-dots 구조의 불산 처리로 가장 낮은 반사율을 보인 조건은 질화막 두께가 90 ㎚ 일 때 60초 동 안 불산 처리할 경우이며, 이는 질화막만 증착한 구조의 반사율 3.14% 보다 0.19% 낮은 2.95%의 반사율을 보였다.

4. 결 론

본 논문에서는 단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 효 과 개선을 위하여 Ag nano-dots 구조와 반사방지막으로써 사용되는 질화막에 의한 반사율 변화를 비교·분석하였다.

먼저 Ag nano-dots 구조 형성후 질화막 두께에 따른 반사 율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막 증착 전에 Ag nano-dots 구조 형성으로 모든 질화막 두께 조건에서 반 사율이 오히려 0.5~1% 정도 증가하였고, 반사율 개선 정 도가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 두번째로 질화막 증착 후 Ag nano-dots 구조를 형성시 질화막 두께에 따른 반사율 변화를 비교·분석하였다. 그 결과 질화막의 두께가 55 nm 에서 70 nm로 증가할 때까지는 Ag nano-dots 구조 형성으로 반사율이 더 낮은 값을 보였지만, 질화막의 두께가 70 nm 이상이 되면서 오히려 Ag nano-dots 구조를 형성하지 않고 오직 질화막만 증착 된 시료들보다 더 높은 반사율을 보 였다. 이를 개선하기 위하여 30~75초 동안 불산 처리를 진 행하였으며, 그 결과 90 nm 질화막 위에 Ag nano-dots 구조 를 형성한후 60초 동안 불산 처리한 시료의 반사율이 질화

단결정 실리콘 태양전지의 광 포획 개선을 위한 Ag Nano-Dots 및 질화막 적용 연구 17

막만 증착한 시료들보다 0.19% 개선된 반사율을 보였다.

실험을 통하여 Ag nano-dots 구조 및 질화막 형성으로 광 포획 효과를 개선할 수 있었으며, 이를 통해 반사율을 감 소시켜 태양전지 효율이 향상될 것으로 예상된다.

감사의 글

이 논문은 2019년도 한국기술교육대학교 교수 교육연 구진흥과제 지원에 의하여 연구되었음.

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접수일: 2019년 11월 15일, 심사일: 2019년 12월 8일, 게재확정일: 2019년 12월 12일