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일본 연구팀이 결정 결함 밀도가 실리콘 웨이퍼 레벨까지 감소된 고품질 박막 단결정 실리콘을 10 이상의 성장률로 성공적으로 생산했다 (CrystEngComm, 'Critical effect of nanometer-size surface roughness of a porous Si seed layer on the defect density of epitaxial Si films for solar cells by rapid vapor deposition'). 원칙적으로 이 방법은 원료 수율을 거의 100 %까지 향상시킬 수 있습니다. 따라서 이 기술은 대부분의 고효율 태양 전지에 사용되는 단결정 실리콘 태양 전지의 발전 효율을 유지하면서 제조 비용을 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 태양 광 발전은 태양 광 에너지가 '태양 전지 (solar cell)'라는 장치를 사용하여 직접 전기로 변환되는 전력을 생성하는 방법이다. 에너지를 지속적으로 생산하는 태양 에너지를 효율적으로 변환하는 것은 CO2 배출과 관련된 지구 온난화 문제에 대한 효과적인 해결책이다. 태양 광 발전 시스템의 핵심인 단결정 Si 태양 전지를 보다 얇게 만들면 현재 모듈의 약 40 %를 차지하는 원자재 비용을 크게 줄일 수 있고 유연하고 가벼워서 사용이 가능하여 확장될 수 있고 설치 비용이 감소할 것이다. 또한, 제조 비용을 저감시키는 방법으로서, 리프트 오프 (lift-off)를 통해 다공질 실리콘 (이중 다공질 실리콘 층: DPSL)을 사용하는 박막 단결정 Si 태양 전지가 미래 경쟁력으로 주목받고 있다. 리프트 오프를 사용하는 단결정 Si 태양 전지와 관련된 기술적 과제 중 하나는 1) Si 웨이퍼 레벨에서 고품질의 박막 Si를 형성하는 것, 2) 쉽게 리프트 오프될 (벗겨낼) 수 있는 다공성 구조를 달성하는 것, 3) 성장 속도 및 Si 원재료 수율 향상 (필요한 장비 비용은 성장률에 의해 결정됨), 4) 리프트 오프 후 기판을 낭비없이 사용할 수 있어야 한다. 도전 과제 1)을 극복하기 위해서, 다공성 실리콘 상에 성장된 박막 결정의 품질을 결정하는 주요 요인을 명확히 하고 이들을 제어하기위한 기술을 개발할 필요가 있다. 연구팀은 두께가 약 10 mu;m이고 이전보다 10 배 이상 높은 성장률로 실리콘 웨이퍼 레벨까지 결정 결함 밀도가 감소된 고품질 박막 단결정 실리콘을 개발했다. 첫째, 이중층 나노 수준 다공성 실리콘이 전기 화학적 기술을 사용하여 단결정 웨이퍼의 표면 상에 생성된다. 다음으로, 독특한 존 가열 재결정 법 (ZHR 법)을 통해 표면을 0.2 내지 0.3 nm의 거칠기로 평탄화시키고, 이 기판을 고속 성장에 사용하여 높은 결정 품질을 갖는 단결정질 박막을 획득 하였다. 성장된 막은 이중층 다공성 Si 층을 사용하여 쉽게 박리될 수 있으며, 기판은 재사용되거나 박막 성장을 위한 증기원료로 사용될 수 있어 재료 손실을 크게 감소시킨다. ZHR 방법 조건을 변경하여 하부 기판의 표면 거칠기를 줄이면 성장된 박막 결정의 결함 밀도가 감소하고 Si 웨이퍼 레벨로 약 1/10로 감소시키는데 성공했다. 이것은 단지 0.1-0.2nm (수십 층 수준)의 표면 거칠기가 결정 결함 메커니즘 형성에 중요한 영향을 미치는 결정 결함에 중요한 영향을 미친다는 것을 정량적으로 보여준다. Si 원료와 박막 Si의 성막 속도 및 전환율은 박막 단결정 Si의 제조시 병목 현상이 된다. 주로 에피택시에 사용되는 화학 기상 증착 (CVD)의 경우, 최대 막 형성 속도는 수 mu;m / h이고 수율은 약 10 %이다. 원료 Si가 1414 ° C의 융점 부근에서 기화되는 규칙적인 물리 기상 증착 (PVD) 대신 2000 ° C 이상의 훨씬 높은 온도에서 원시 Si를 기화시킴으로써 급속한 10 mu;m/분으로 Si를 증착할 수 있는 높은 Si 증기압을 갖는 증발법 (RVD)이 개발되었다. 이번에 개발된 ZHR 기술은 기술적 문제를 해결할 수 있으며 리프트 오프 공정의 제조 비용을 대폭 절감할 수 있음이 밝혀졌다. 이 연구의 결과를 바탕으로 연구팀은 리프트 오프 공정에 사용된 다공성 실리콘에서 급속 성장하는 동안 결정 품질을 향상시키는 주요 요인을 발견했을 뿐만 아니라 이들을 제어하는데 성공했다. 미래에는 태양 전지의 성능에 직접적으로 연결된 박막의 캐리어 수명 측정과 태양 전지의 제조가 기술을 실용화하기위한 목적으로 수행될 것이다. 30 % 이상의 효율을 갖는 탠덤형 태양 전지에서 이 Si 박막을 저비용 하부 전지로 사용하는 것도 고려할 수 있다. |
