태양전지 응용을 위한 레이저에 의한 실리콘 표면구조화 연구

국문 초록 (Abstract)

실리콘은 굴절률이 커서 반사율이 매우 높다. 태양전지와 같은 광전소자 응용 시, 실리콘 표면은 반사 손실 감소와 빛 흡수를 증가시키기 위해서 텍스쳐링으로 불리는 표면구조화 공정이 필요하다. 평평한 웨이퍼에서는 반사되는 빛이 바로 공기 중으로 되돌아가지만, 표면구조화 된 웨이퍼에서는 1차 반사되는 빛이 공기 중으로 바로 나가지 않고 그 일부가 다시 물질 내부로 들어오게 되므로 최종 반사율이 그만큼 낮아지게 된다. 단결정 실리콘 표면구조화를 위한 대표적인 방안은 KOH와 NaOH와 같은 알칼리 용액으로 에칭함으로써 피라미드 구조를 형성하는 것이다. 이 피라미드 구조가 형성 되면 전체 반사율은 20%이하로 감소한다. 또한 블랙 실리콘은 반사율은 매우 낮지만 태양전지에 사용되지 못하고 있는데, 이는 급속한 경사의 미세구조에 따른 지나친 표면적 확대로 재결합 확률이 급격히 증가하기 때문이다. 광흡수 증대를 위해 반사율을 낮추는 것이 필수적이지만 그것이 반드시 고효율을 보장하지는 않는다. 그러므로 실리콘 태양전지 효율 향상을 위해서는 기판 표면적 확대를 최소화하면서 반사율을 낮출 수 있는 방안이 필요하다. 표면구조화를 위한 수많은 방안들이 제시되고 있는데, 단결정 실리콘에서는 주기적인 역피라미드 형태의 표면구조, 다결정에서는 벌집 구조가 반사율 감소와 그에 따른 전지의 성능 향상에 있어서 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 실제로 현재까지의 단결정과 다결정 실리콘 태양전지 최대효율은 역피라미드와 벌집 구조를 적용한 셀에서 얻어졌다. 하지만 이는 감광층의 증착, 노광 및 제거 등 복잡한 리소그래피 공정을 필요로 하기 때문에 태양전지 제조의 표준기술로 이용되고 있지 않다. 본 연구에서는, 감광층의 증착 및 패터닝 같은 리소그래피 과정 없이 레이저에 의한 실리콘 표면의 직접적인 조사와 에칭만으로 기판 표면적 확대를 최소화하면서 반사율을 낮출 수 있는 역피라미드, 벌집 구조를 형성하는 연구를 수행하였다. 먼저 실리콘이 5 ns의 펄스폭을 가진 532 nm 레이저에 의해 용융된다는 사실을 확인하였다. 레이저 빔을 삼각뿔 모양의 프리즘을 통과시켜 3개의 중첩되는 빔을 얻었다. 3개의 간섭 빔으로 실리콘 표면을 조사하면 빔의 강도가 2차원적으로 주기적으로 변하게 되는데, 이러한 간섭패턴을 따라 국부적인 용융이 일어나고 녹은 부분은 흘러나와 주변에 싸여 응고되므로 홈이 생기게 된다. 이러한 상태에서 에칭 용액에 따라 실리콘 표면 구조가 달라진다. 먼저 단결정 실리콘의 경우, 알칼리 용액으로 에칭하면 주기적인 역피라미드 구조가 형성되었고 평균 반사율은 15.8%(파장범위 400nm-1000nm)로 나타났다. 또한 다결정 실리콘을 산용액으로 에칭하면 규칙적인 벌집 구조가 형성되었고 평균 반사율은 10%정도로 나타났다.