단결정 실리콘 태양전지 Solar Cell

▣ 단결정 태양전지의 역사

▣ 단결정 실리콘 태양전지 특징

구분	특 징	상세 설명
1	최고의 변환효율	태양전지 모듈 중 최고의 에너지 변환효율을 가지고 있다.
2	안정화 된 기본기술	반도체 웨이퍼 제조공정과 동일한 과정으로 생산이 되므로 반도체 기술과 함게 공정이 발전해 옴
3	검증된 신뢰성	오랜 전 부터 인공위성등에 탑재되면서 성능학 신뢰성에 대한 검증이 완료됨

 

▣ 실리콘 단결정 태양전지 셀의 제조방법

Solar Cell 제조공정

▣ 실리콘 잉곳 제조
원재료 규사 (${SIO}_{2}$)사용하고 이것을 환원(*)하여 순도 97%~98%의 금속실리콘을 만든다.
순도를 높이기 위해서 금속실리콘과 염산을 반응시켜 트리클로로실란(SIHCl3)를 만들고 이것을 환원  열 분해 하여 순도 99.99999%의 다결정 실리콘을 만든다.  (`제조법 : 1950~1960년대 초 지멘스법)

이렇게 해서 얻어진 다결정 실리콘을 녹여 단결정 실리콘을 만드는데 제조법으로는 초크랄스키법(Czochralski, CZ법)과 플로팅존법(부유대 용융, Floating Zonemelting, FZ)이 있다.

CZ법은 용융한 다결정 실리콘에 작은 단결정 종결정을 접촉하고 이것을 천천히 회전시키면서 끌어올림으로써 결정을 성장시켜 긴 막대 모양의 단결정 실리콘 잉곳을 얻는데 이들은 통상적인 LSI나 IC용 반도체와 같은 공정을 거친다.

** 환원(reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것을 말한다.

▣ 웨이퍼 제조
 CZ법으로 만들어진 잉곳을 다이아몬드 컷 또는 와이어 소 (Wire Saw)를 이용하여 절단을 한다. 태양전지용 웨이퍼는  주로 와이어 소를 이용하여 절단한다. 절단면은 연마과정을 통해 표면을 평탄하게 한다. 변형된 결정이 남아있으면 전기적 특성에 영향을 주기 때문에 HF(플루오르산) + HNO3(질산)을 이용하여 1~20nm정도 표면애칭한다. 최종적으로 300 nm의 웨이퍼를 만든다. 

▣ 셀의 형성
단결정 실리콘 웨이퍼는 통상 P형의 전기능성을 갖고 있다. PN 접합 및 전극 형성 등을 실시함으로써 태양전지 셀이 완성된다. 맨 처음에는 실리콘 웨이퍼의 표면에 n형(두계 : 0.5/m 이하)을 형성함으로써 pn 접합을 만든다.  n형 증을 형성하는 방법에는 가스 확산법 및 도포 확산법 등이 있다.  가스 확산법은 인(P)을 함유하는  가스(POCI)를 고온(800~900 ℃)에서 실리콘에 확산하여 pn 접합을 형성한다 일반적으로는 가스 확산법 프로세스가 적용된다.도포 확산법은 가스 대신에 실리콘 웨이퍼에 인(P)을 함유하는 용액을 도포· 가열(~900 ℃)하여 인을 실리콘 중에 확산시킴이로써 pn 접합을 형성한다. 간단하고 양산성이 우수하다는 특징이 있다. pn 접한으형성한 후 웨이퍼 표면측에는 반사방지막과 표면전극을, 웨이퍼 이면측에는 이면전극을 각각 형성함으로써 단결정 실리콘 태양전지 셀을 완성한다.
태양전지를 실제로 옥외에서 사용하려면 복수의 셀을 접속·봉지(t, encapsulation)하여 패널화 할 필요가 있다. 패널화 한 것을 모듈이라고 한다. 

▣ 고효율화기술

구분	고효율화 방법	적용 기술
1	입사광의 유효 이용	반사방지막에 의한 표면반사 저감,  텍스처 표면의 에칭에 의한 빛 가두기
2	광생성 캐리어의 수집효율 개선	BSF, 초격자의 이용
3	광생성 캐리어의 재결합 손실 저감	광생성 활성층의 막질 개선, 접합계면의 재결합 억제
4	직렬저항 손실의 저감	투명전극의 낮은 저항화, 집전극의 최적화
5	전압인자 손실의 저감	BSF, 드리프트형 광기전력효과의 이용

 a. 웨이퍼 표면의 텍스처 애칭 
 절단 · 연마가 끝난 단결정 실리본 웨이퍼의 표면은 평탄하지만 표면에서 입사한 빛의 반사를 줄이고 광전류를 증가시 키기 위해 웨이퍼 표면을 텍스처 가공(요철화한다. 알칼리 용액(KOHH, NaOH 등)을 사용해서 실리콘 단결정면에 대한 에칭속도의 이방성을 이용하면 단결정 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 모양의 요철(폭과 높이 10~20 42m)로 가공할 수 있다. 이 요철에 의해 셀 표면에 입사한 빛이 다중 반사되고 광로(光路) 거리가 늘어남으로써 광전류를 증가시킬 수 있다.

 b. BSF(Back Surface Field) 구조
  단결정 실리콘 태양전지 구조는 pn접합인데, 이면측에 고농도 도핑을 하여 BSF층을 형성하여 전자의 수집효율을 개선한 셀의 형태가 된다. 이 구조를 BSF(Back Surface Field)형 셀이라고 한다. 아래의 그림은 전극부분에 BSF를 형성한 Local BSF층을 형성한 셀의 단면구조를 보여주고 있다, 시장에서는 PERC셀 이라는 말로 불리운다.