펨토세컨드레이저 펄스 처리된 블랙실리콘

블랙실리콘 레이저 처리공정

유황을 함유하고 있는 물질로 실리콘 웨이퍼를 코팅하고 높은 에너지의 펨토세컨드레이저 펄스로 처리하면 실리콘 표면은 나노 규모로 표면이 재처리되며, 광전자 자질도 상당히 변화하게 된다. 표면 구조는 완벽한 광 추적이 가능해지며, 결합한 황 성분으로 인해 적외선에 활성화된다. 황 성분은 두 개의 IR 광자를 흡수함으로써 전자가 밴드 갭(띠 간격)에서 활성화되도록 만든다.

흡수된 광자는 IR 상태에서 파장에 상응하는 에너지를 갖는다(λ > 1,100nm). 이렇게 합성된 물질이 블랙(무반사)실리콘이다. 검은색으로 보이는 이유는 표면의 원뿔 모양 구조들 사이에 빛이 완벽하게 포획되기 때문이다. 그림 1은 얻어진 표면 구조의 전자 현미경 스캔(SEM)을 나타내는 그림과 함께 실리콘 기질의 레이저 방사 동안 공정 챔버를 보여준다.

블랙실리콘의 특징

펨토 레이저 처리된 블랙실리콘의 두드러진 장점은 합성된 재질의 광적, 전기적 특징이 적절한 레이저 변수들을 다양화하면서 다양한 범위에서 조절 가능하다는 것이다. 표면 구조는 거의 매끄러운 표면에서 울퉁불퉁한 표면까지 조작이 가능하다. 그림 2는 이것을 보여준다.

그림 2-a에서는 단 하나의 펨토세컨드레이저 펄스가 적용되었다. 일부분을 제외하고는 표면은 편평하게 유지된다. 다섯 개의 레이저 펄스를 이용하면 그림 2-b에서처럼 울퉁불퉁한 표면이 얻어진다. 그림 2-c에서 레이저 효과를 높이고 펄스의 수를 유지하면 습식 화학 임의 피라미드 구조와 비교할 만한 구조가 생성된다. 부위 당 500펄스로 원뿔 모양의 스파이크가 그림 1의 삽화에 제시된 바와 같이 표면에 형성된다.

그림 3은 비구조화된 실리콘에 비해 블랙실리콘의 광 흡수 스펙트럼을 보여준다. 블랙실리콘 구조는 매우 낮은 반사율을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 블랙실리콘은 250nm < λ < 2,500nm 사이의 파장에 들어오는 빛 중에서 95% 이상을 흡수한다. 이 파장 대는 가시광선과 근적외선까지 포함한다. 가시광선 파장 대에서 빛의 흡수율이 증가하는 것은 구조화된 표면의 빛 포획 자질이 개선되었기 때문이다.

놀랍게도 블랙실리콘은 λ = 1,100nm 파장 이상의 빛도 흡수한다. 이 파장은 1.1eV의 실리콘 밴드 갭 에너지보다 더 적은 에너지에 해당한다. 1,100nm 이상의 파장에서 블랙실리콘 표본의 빛 흡수는 95% 이상으로 이는 이 파장에서 흡수율이 10% 미만인 참고 표본과 비교하면 상당히 대조적이다. 레이저 처리가 황이나 다른 주변물질을 함유한 칼고겐 하에서 일어날 때 IR 흡수가 일어난다.

높은 IR 흡수율은 에너지 준위를 도입하는 황에서 기인하거나 혹은 충분한 밀도에서 이용 가능할 때 실리콘 밴드 갭 내에서 에너지띠가 생성된다. 그런 다음 밴드 갭 이하에서 에너지를 갖는 광자가 흡수된다. 덜 구조화된 표면은 아직 아래의 밴드 갭 흡수율을 보인다. 이는 황과 대전입자의 재결합이 PV 애플리케이션에서 상당히 중요할 때 특히 흥미를 끄는 대목이다.

실리콘에 황을 결합함으로써 IR 흡수가 현실화될 뿐만 아니라 n-타입 에미터 또한 형성된다. 장점은 레이저 실리콘 상호작용 시간이 펨토세컨드 단위이고 이로써 황과 실리콘 시스템은 평형상태에서 멀어져 소위 최고 수준의 결합, ‘하이퍼도핑’이 가능해진다는 것이다. 이로 인해 평형상태일 때보다 더 많은 황이 실리콘에 결합된다. 이차 이온 질량 분석(SIMS)으로 황 도핑 정도를 측정하고 표본의 적절한 황 밀도를 계산하면서 황 분위기 가스 하에서 구조화된 레이저는 한편으로는 양호한 측면 전도성과 다른 한편으로는 낮은 접촉 저항에서 얻기 위한 충분한 황을 함유한 얕은 에미터를 생성한다.

블랙실리콘 태양전지

블랙실리콘을 기질로 사용하면 블랙실리콘 태양전지의 제조가 가능하다. 블랙실리콘 레이저 처리 공정에 있어서 레이저 펄스 모양은 광 레이저 펄스 성형 장비에 의해 바뀌었다. 이렇게 형태가 만들어진 레이저 펄스로 레이저 실리콘 상호작용 중에 실리콘에 보다 적은 결정 손상이 가능해진다. 이로 인해 표면 재결합 손실을 최소화할 수 있다. 레이저를 통한 형태 구성은 그 자체로 앞쪽의 표면과 에미터를 하나의 단일 공정 단계에서 형성하고 태양 스펙트럼의 IR 부분의 흡수를 가능하게 하는 실리콘 원재료를 변화시키는 역할도 한다.

레이저 형태 처리 후에 탈수된 앞면 접촉면과 스크린 인쇄된 뒷면 접촉면이 접착된다. 가장자리 분리는 할 필요가 없다. 왜냐하면 에미터는 앞쪽에서만 형성되기 때문이다. 펨토세컨드레이저 처리된 블랙실리콘의 공정 흐름이 그림 4에 제시되어 있다. 이는 표준형 실리콘 태양전지의 필요한 공정 단계와 대조적이다. 앞면 표면처리와 에미터 형성이 레이저 처리공정 중에 일어나기 때문에 공정 단계의 총 수는 상당히 줄어들고 이로 인해 생산비용이 절감될 것이다.

최종 제조 완료된 태양전지는 IR 광선의 흡수 증가로 38mA/cm2 < Jsc < 42mA/cm2의 범위에서 높은 단락 전류 밀도를 보인다. 우리는 페시베이션(반도체 칩 표면에 보호막을 씌움) 층을 적용하지 않고도 4.5%의 효율성을 얻는다. 이전에 보고된 것에 의하면 레이저 처리된 블랙실리콘 태양전지의 최고 효율성이 하버드대학교에서 보고한 2.2%인데 반해 상당한 효율성 개선이 이루어진 셈이다. 그림 5는 실리콘 표면과 용착 금속에 대한 확대와 함께 획기적인 블랙실리콘 태양전지를 제시하고 있다.

제조 문제와 향후 개발

현재 블랙실리콘을 얻기 위한 레이저 처리 속도는 분당 1cm2/6min이다. 더 많은 출력 전력으로 레이저를 이용함으로써 빔은 직경 당 80㎛ 이상으로 확대될 수 있다. 20kJ/m2의 플루엔스에서 1cm2까지 부위 크기가 펄스 처리된 레이저로 얻어질 수 있다. 그 결과 초당 55cm2/s의 속도까지 가능해진다. 이 말의 의미는  125×125mm2 규격 웨이퍼 당 약 3초의 시간이 걸린다는 의미이다.

블랙실리콘 레이저 처리공정은 순수 블랙실리콘 태양전지에 사용가능하지만 표면처리가 필요한 다른 응용분야에도 사용할 수 있다. 우리의 다음 단계 중 하나는 실리콘 태양전지의 순수 앞면 표면의 레이저 처리를 최적화하는 것이다. 그림 1, 2에 제시된 바와 같이 펨토세컨드레이저 펄스 공정으로 유도된 구조는 매우 가변적이다. 따라서 레이저 처리 공정은 조정 가능한 표면 특징을 갖는 단일 면 표면을 얻는 데 잘 활용될 수 있다. 이는 발전된 태양전지 콘셉트, 이를 테면 후면 페시베이션 에미터 전지(PERC) 컨셉에서 단일 면 표면이 필요할 때 특히 중요하다.

습식 화학적 표면처리 방법에서는 일반적으로 양면이 표면처리되며 추가 공정 단계에서 보호막의 적용이 필요하다. 습식 화학적 표면처리에 비해 이 방법의 가장 중요한 장점은 펨토세컨드레이저로 유도된 표면 구조가 실리콘 결정 방향과는 상관이 없다는 것이다. 따라서 이 표면처리 방법은 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면처리에 안성맞춤이다.

레이저 표면처리 이후 최대한으로 얻을 수 있는 표면 부위 확대는 약 700%이기 때문에 이 레이저 구조는 특히 금속공정 목적으로 편평한 층의 태양전지 코팅에서 기계적인 접착 자질 개선에 사용될 수 있다.

순수 블랙실리콘 전지의 전반적인 효율성은 아직 산업용 태양전지의 현재 성능과는 경쟁이 되지 못한다. 따라서 우리는 일반적으로 손실되는 IR 광선의 전환을 위해 블랙실리콘이 부분적으로 산업용 표준 실리콘 태양전지의 후면 부위에 도입될 수 있도록 직렬 태양전지를 개발 중에 있다.

이에 대한 콘셉트를 그림 6에 제시했다. 이 직렬 전지 콘셉트의 기본 개념은 블랙실리콘의 IR광선 전환 능력을 기존의 실리콘 태양전지에 부착한다는 것이다.

이런 이유로 우리는 표준형 산업용 태양전지의 후면에 블랙실리콘의 부위로 만들어진 제2의 pn-접합을 통합한다. 제1전지의 p-형 기질은 pn-접합의 기초로 사용된다. 태양광 스펙트럼의 가시광선 부분은 주로 앞면에 있는 제1전지에서 흡수된다. 태양광 스펙트럼의 IR 부분은 제1 pn-접합부분을 통과하며 후면에 있는 제2의 블랙실리콘 pn-접합 부분에서 집광된다. 태양광 스펙트럼의 IR부분의 에너지는 태양광 스펙트럼에 포함된 전체 광선 에너지의 25%를 차지하기 때문에 순수 블랙실리콘 태양전지와 직렬 태양전지 콘셉트는 표준형 산업 실리콘 태양전지의 효율성을 25%까지 높일 수 있는 잠재성을 갖고 있다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.

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