결정질실리콘 역피라미드 텍스처링 신공법 개발

결정질실리콘 원가가 대폭 감소되는 동시에 규모화 효과가 나타남에 따라 결정질실리콘 태양전지는 현재 태양광발전 산업분야에서 절대적인 지위를 차지하고 있으며, 향후 상당히 긴 기간 동안 이런 국면은 지속적으로 유지될 것으로 전망된다. 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 표면 텍스처링은 결정질실리콘 전지를 제조하는 첫 번째 공법으로서 ‘표면 조직(Surface Texture)’이라고도 하는데 전지 제조의 핵심부분이 되고 있다.

양호한 표면 텍스처링 구조는 태양광 반사 비율을 감소시키고 광 흡수를 증가시킬 뿐만 아니라 표면 패시베이션(Surface Passivation) 및 전극 접촉 등 특성을 강화시켜 캐리어(Carrier)의 수집 효율을 향상시킨다. 때문에 텍스처링 공법 혁신 연구는 결정질실리콘 태양전지 연구 분야의 이슈가 되고 있다.

현재 제조 공법의 중에서 단결정 혹은 준 단결정 실리콘 웨이퍼의 범용 텍스처링 공법은 알칼리 액체 피라미드 에칭 방법을 이용해 실리콘 표면에 랜덤 피라미드 구조를 형성함으로써 태양광에 대해 2회의 반사를 실행할 수 있게 됐으며, 일반 반사율은 10% 수준에 달하는 것으로 나타났다.

하지만 역피라미드 형태를 보유하고 있는 피트 구조는 더욱 이상적인 텍스처링으로 되고 있다. 태양광은 역피라미드 텍스처링 상에서 3회의 반사 과정을 거치며 피라미드 텍스처링에 비해 1회를 한 번 더 흡수해 반사율은 5% 정도 감소돼 전지 효율을 향상시킨다. 때문에 저렴한 동시에 산업화 가능한 역피라미드 텍스처링은 연구개발 이슈가 되고 있다. 최근 20년 동안 과학자들은 여러 가지 솔루션 개발을 실행했지만 지금까지 큰 진전이 없는 상황이며 세계적으로 인정하고 있는 국제적인 난제로 되고 있다.

우월한 광 포획 성능 보유 능력 검증

중국과학원 물리연구소 산하 ‘청정에너지실험실’ 두샤오룽연구팀은 지난 5년간 지속적인 연구를 실행하고 나노 금속 입자 촉매 화학 에칭이라는 새로운 공법을 이용해 역피라미드 텍스처링 연구에서 중대한 혁신적인 연구개발 성과를 취득해 이슈가 되고 있다. 연구팀은 단결정 실리콘 표면상에서 구리 나노 입자의 이방성 침적 특성을 이용해 산성 용해액 속에서 구리 촉매 이방성 에칭을 실현하고 대면적의 균일하고 치밀한 역피라미드 텍스처링을 취득하는데 성공했다(그림 1).

연구팀이 개발한 156×156mm² 공업용 단결정 실리콘 역피라미드 텍스처링 웨이퍼는 대면적의 균일한 특징, 역피라미드의 사이즈를 조절할 수 있는 특징을 보유하고 있으며, 반사 비율은 5% 정도에 달하며 우월한 광 포획 성능(Light Trapping Performance)을 보유하고 있다는 점이 검증됐다(그림 2).

연구팀이 개발한 새로운 공법은 저렴한 구리 화합물과 산성 용해액을 구리 촉매 및 에칭 액체 원료로 사용하고 있는 동시에 텍스처링 온도는 50℃ 수준밖에 되지 않아 현재 일반적으로 사용되는 피라미드 알칼리 텍스처링의 온도보다 30℃ 정도 낮을 뿐만 아니라 에칭 시간도 30분 수준에서 10분 수준으로 단축됨으로써 텍스처링 에너지 소모, 에칭 액체 원가 및 시간 원가를 최대한 감소시켰다.

기존의 생산 라인과 호환될 수 있기 때문에 연구팀이 개발한 원천적인 역피라미드 텍스처링 공법은 일종 신형의 범용 텍스처링 공법이 될 전망이며, 각종 단결정 실리콘 태양전지 대규모 제조에 응용될 수 있다. 연구팀은 역피라미드 텍스처링 기술에 기반해 2건의 특허를 신청했는데, 그중 1건은 이미 특허권을 취득했으며, 또 다른 한 건은 PCT 국제 특허(미국, 일본, EU, 인도 등 나라와 지역)를 신청하는 단계에 들어갔다.

연구팀이 작성한 ‘탬플릿이 없는 방법을 이용한 역피라미드 메커니즘에 대한 연구’ 관련 논문은 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 발표됐다.연구팀은 역피라미드 결정질실리콘 태양전지에 대한 심층적인 연구개발을 실행했는데, 태양전지의 광전기 전환 효율은 일상적인 피라미드 텍스처링 전지를 초월한 것으로 나타났다. 역피라미드 밑 부분은 원활하기 때문에 은 전극이 균일하게 텍스처링 표면을 커버할 수 있도록 하는데 유리하고 접촉 전기 저항을 뚜렷이 감소시켜 역피라미드 텍스처링 표면으로 하여금 동시에 광흡수와 캐리어 수집 두 가지 분야에서의 우월성을 충분히 나타낼 수 있도록 했다.

실리콘 전지산업에 폭넓게 활용될 것

연구팀은 이런 연구개발 작업을 통해 결정질 실리콘 역피라미드 텍스처링을 기초 연구로부터 중대 산업화 응용으로 전환할 수 있도록 하기 위한 탄탄한 기반을 구축했다. 연구팀은 폴리실리콘/단결정 실리콘 나노 텍스처링 연구 분야에서도 혁신적인 성과를 취득했다. 연구팀은 금속 은 입자 촉매 화학 에칭 방법을 이용하고 산성 에칭 액체 속에서 대면적의 균일한 폴리실리콘 웨이퍼 나노 텍스처링 공법을 개발했는데 반사율이 2% 수준으로 낮아지고 전형적인 블랙 실리콘(Black Silicon) 형태를 나타냈다.

동시에 연구팀은 실리콘 나노 구조를 보유한 저온 오존 패시베이션 기술(Low Temperature ozone Passivation Technology)을 개발하고 선택성 발사극 공법과 결합해 선택성 나노 발사극 블랙 실리콘 태양전지를 개발하고 폴리 크리스털 블랙 실리콘 전지의 효율성을 대폭 향상시켰으며, 비교적 완벽한 블랙 실리콘 전지 특허 기술 시스템을 구축했다.

실리콘 웨어퍼의 절단 공법은 점차 철 와이어에서 다이아몬드 와이어로 전환하고 있다. 다이아몬드 와이어에 대한 절단 공법을 통해 취득한 실리콘 웨어퍼는 표면이 매끄럽고 텍스처링 시작점이 비교적 적다. 전통적인 공법은 폴리실리콘 상에서 고성능 텍스처링을 실현할 수 없지만 금속 촉매 화학 에칭 공법은 실리콘 웨이퍼 표면 형태의 영향을 받지 않는다. 때문에 폴리실리콘 전지산업의 텍스처링 신공법으로 폭넓게 활용될 수 있게 될 것으로 전망된다.

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

SOLAR TODAY 편집국 (st@infothe.com)

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