Investigation on the Electrical Characteristics of mc-Si Wafer and Solar Cell with a Textured Surface by RIE

Reactive ion etching (RIE) technique for maskless surface texturing of mc-silicon solar wafers has been applied and succeed in fabricating a grass-like black-silicon with an average reflectance of $4{\pm}1%$ in a wavelength range of 300~1,200 nm. In order to investigate the optimized texturing conditions for mass production of high quantum efficiency solar cell Surface characteristics such as the spatial distribution of average reflectance, micrscopic surface morphology and minority carrier lifetime were monitored for samples from saw-damaged $15.6{\times}15.6\;cm^2$ bare wafer to key-processed wafers as well as the mc-Si solar cells. We observed that RIE textured wafers reveal lower average reflectance along from center to edges by 1% and referred the origin to the non-uniform surface structures with a depth of 2 times deeper and half-maximum width of 3 times. Samples with anti-reflection coating after forming emitter layer also revealed longer minority carrier lifetime by 40% for the edge compared to wafer center due to size effects. As results, mc-Si solar cells with RIE-textured surface also revealed higher efficiency by 2% and better external quantum efficiency by 15% for edge positions with higher height.

플라즈마기반 표면 Texturing 공정에 따른 다결정 실리콘 웨이퍼 표면물성과 태양전지 동작특성 연구

다결정 실리콘 태양전지 표면의 광흡수율을 극대화시키기 위하여 플라즈마기반의 reactive ion etching (RIE) 공정을 적용하였으며 maskless 표면 texturing조건을 최적화하여 310~1,100 nm 파장대역의 평균 표면반사율을 $4{\pm}1%$ 내외로 감소시킬 수 있는 grass-like 한 블랙실리콘을 제조할 수 있었다. Saw damage를 가진 $15.6{\times}15.6\;cm^2$ bare 웨이퍼에서부터 중요 공정단계별로 처리된 시료들의 평균반사율, 표면형상, 소수운반자 수명 등의 위치분포를 측정하여 최종 제작된 태양전지의 광전변환효율과 외부양자효율 등과 비교 검토하여 고효율 다결정 실리콘 태양전지 양산에 필요한 표면 texturing 조건들을 연구하였다. 평균 반사율을 4% 이하로 감소시키는 texturing 공정조건에서 웨이퍼 중앙에서 가장자리로 갈 수록 표면구조의 깊이 2배 반치폭 3배의 불균일성이 발생하였으며 이에 따라 입사광자의 다중반사확률이 높아져 평균반사율이 1% 정도 낮아지는 것으로 밝혀졌다. 비반사막이 코팅된 시료에서 측정된 소수운반자수명분포도 중앙에서 가장자리로 갈수록 약 40% 이상 더 긴 수명을 갖는 것으로 밝혀져 표면구조의 크기에 따른 사이즈효과가 발생하는 것으로 판단된다. 제조된 태양전지의 위치에 따른 광전변환효율도 낮은 반사율과 더 긴 소수운반자수명을 갖는 가장자리에서 2% 가량 높은 광전변환효율을 보였으며, 380~1,100nm 파장대역의 외부양자효율 측정결과도 이를 뒷받침하고 있다. 균일한 에미터 층 형성 및 ARC 증착에 있어서 구조적으로 가장자리 부분의 구조가 유리한 것으로 예상되며, 동시에 표면 구조의 사이즈 효과 때문에 표면 재결합확률이 중앙보다 가장자리에서 더 감소되어 더 높은 광전변환효율을 보이는 것으로 해석된다.