향상된 금속 보조 화학 식각으로 6인치 단결정 및 다결정 태양전지上的 대면적 실리콘 나노와이어 어레이

요약

우리는 6인치 단결정 및 다결정 웨이퍼 위에 균일한 실리콘 나노와이어(SiNW) 어레이를 생성하는 확장 가능하고 용액 공정의 금속 보조 화학 식각(MacEtch) 기술을 시연한다. 길이 470 nm, 밀도 3.02 × 10¹¹ cm⁻²의 SiNW는 300-1100 nm에서 <6% 반사율의 광대역 반사 방지 효과를 제공한다. 웨이퍼 전체에 걸친 균일성이 우수하여 중심-가장자리 반사율 변동이 <22%이다. 표면적 증가로 인한 유효 소수 캐리어 수명의 약간의 감소에도 불구하고, SiNW 텍스처 다결정 Al-BSF 셀은 평균 17.83% 효율을 달성하여 기존 산성 텍스처 대조군을 능가한다. 저비용, 상온 공정 및 높은 처리량으로 이 접근법은 상업용 광전지 배치에 준비되어 있다.

서론

실리콘 나노구조는 평면 실리콘에 비해 우수한 빛 가둠과 반사 방지 효과를 제공하여 고가의 반사 방지 코팅 없이 더 높은 태양전지 효율을 가능하게 한다. 금속 보조 화학 식각(MacEtch)은 이러한 나노구조를 제조하는 비용 효율적이고 상온의 경로를 제공하지만, 균일한 대면적 생산은 제한적이었다. 이 연구는 6인치 웨이퍼용 MacEtch를 개선하고 산업 규모 Al-BSF 태양전지에서 결과적인 SiNW 어레이를 검증함으로써 이 격차를 해소한다.

실험 방법

MacEtch 메커니즘

AgNO₃/HF 용액에서 Ag⁺는 Si를 SiO₂로 산화시키고, 환원된 Ag가 표면에 증착된다. HF가 산화물을 제거하여 Ag 보호 영역이 이방성으로 식각되어 SiNW를 형성한다. 이 공정은 산화제 농도와 금속 증착 패턴을 통해 높은 제어성이 가능하다.

6인치 웨이퍼上的 SiNW 제조

단결정 (100) 및 다결정 p형 웨이퍼(두께 180 μm, 0.5-3 Ω·cm)를 세척한 후, 실온에서 23 mM AgNO₃/6.4 M HF에 3분 19초간 침지하였다. 두 가지 식각 프로토콜을 비교하였다: (1) 기존 단일 배치 침지, (2) 전체 웨이퍼가 식각액에 동시에 노출되도록 보장하는 수정된 홀더 기반 방법으로 균일한 SiNW를 생성한다.

Al-BSF 태양전지 제조

SiNW 텍스처링 후, 웨이퍼는 POCl₃ 확산(850°C, 30분)을 거쳐 N⁺ 이미터(시트 저항 ≈75 Ω/□)를 형성하고, HF 식각으로 PSG를 제거하였다. 70 nm SiNx:H 반사 방지 층을 PECVD로 증착하고, 표준 Ag 페이스트(전면) 및 Al 페이스트(후면) 스크린 인쇄를 수행하였다. SiNW 텍스처 및 산성 텍스처 기준 두 세트의 소자를 제조하여 AM 1.5G 조명 하에서 테스트하였다.

결과 및 논의

6인치 웨이퍼上的 균일한 SiNW 어레이

방법 2는 우수한 균일성을 가진 SiNW 어레이를 생성하였다: SEM 단면은 웨이퍼 전체에서 470 nm 길이와 높은 밀도를 보여준다. 방법 1은 침지 중 차등 Ag⁺ 농도로 인해 가장자리-중심 불균일성이 두드러졌다.

표면 형태학

(생략된 그림들은) 피라미드 또는 원절단 표면에서 조밀한 SiNW 어레이로의 전이를 보여준다. 다결정 웨이퍼는 방향 의존적 SiNW 성장(<100>, <110>, <111>)을 보여주며, 광학적 착색과 반사율에 영향을 미친다.

광학 반사율

단결정 SiNW 웨이퍼의 측정된 반사율은 400-1000 nm에서 <6%로 유지되며, 500 nm에서 최소 3%이다. 웨이퍼 전체 반사율 변동은 <22%이다. 다결정 웨이퍼는 <10% 반사율(400 nm에서 최소 4%)을 보인다. 균일성은 1.5 × 1.5 cm와 6인치 기판 간에 보존된다(차이 <1%).

소수 캐리어 수명

유효 소수 캐리어 수명은 단결정에서 2.55 μs에서 2.11 μs로, 다결정에서 1.51 μs에서 1.37 μs로 SiNW 형성 후 감소하며, 이는 표면 재결합 속도(S_eff) 증가에 기인한다. 그럼에도 불구하고 반사율 감소로 인해 소자 성능은 향상된다.

소자 성능

SiNW 텍스처 Al-BSF 셀은 산성 텍스처 대조군의 17.23% 대비 평균 17.83% 효율을 제공한다—0.6% 절대 이득. 단락 전류 밀도는 1.2%, 개방 회로 전압은 1.35% 증가하고, 필 팩터가 개선되었으며, 이는 향상된 빛 가둠과 더 큰 전극 접촉 면적 때문일 것이다.

결론

개선된 MacEtch 공정은 6인치 단결정 및 다결정 웨이퍼上에 균일하고 낮은 반사율의 SiNW 어레이를 신뢰성 있게 생성한다. 결과적인 Al-BSF 셀은 >17.8% 효율을 달성하여 이 기술의 상업적 실행 가능성을 확인한다. 저비용, 단순성, 확장성은 이를 차세대 광전지 제조를 위한 강력한 후보로 위치시킨다.