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태양전지용규소잉곳성장기술동향 김영관 인천대학교신소재공학과 j XUG ½ Œ YUG Œ wl ZUG ƒ µ s [UG p Ž SG

1. 신 재생에너지 1.1. 정의 재생에너지 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 (8 개분야 ) 신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 (3 개분야 ) 1.2. 특성 1. 신 재생에너지

1. 신 재생에너지 1.3. 중요성 1. 신 재생에너지 1.4. 단가비교 Solar PV Coal Nuclear Gas Wind Oil 2-4 2-6 2-7 4-6 6-8 25-40 PV power is 3-10 times more expensive 0 10 20 30 40 50 발전단가 (cents/kwh) M. Rogol, Solar Power, CLSA Asia-Pacific, 2004 에너지원별발전단가비교

2. 태양전지분류 2.1. 태양전지개요 반사방지막 전자 앞면전극 n 층 p n접합 p 층 전기부뒷면전극전자정공태양전지의기본구조및작동원리 하정공 2.2. 설치된 Solar cell 모습 2. 태양전지분류

2. 태양전지분류 2.3. System 종류 계통연계형 독립형 적용예 축전지 불필요 필요 과부족전기 전력회사에매매 축전지에충방전 시장점유율 60% 40% 경제성척도 전기요금 전기요금 + 연계비용 경제성 미확보 확보 주요시장 선진국 개발도상국 2.4. 태양전지의재료별분류 2. 태양전지분류

2. 태양전지분류 2.5. 규소태양전지의제조 Wafer 제조공정 Multi-crystalline Multicrystalline Poly-Silicon Casting Cutting and and slicing slicing silicon wafer p-type wafer P-type P-Type Si Si mass Ingot Anti-reflection coating Back Back junction junction formation f Junction formation Surface treatment P-N Junction Surface etching Solar Cell 제조공정 Electrode formation P + -layer Solder Solder immersion Front electrode(-) Solder Back electrode (+) 3. 기술동향및예측 3.1. Deutsche Bank

3. 기술동향및예측 3.2. 핵심분야별국내기술수준 실리콘원료기판실리콘태양전지박막태양전지모듈 PCS 축전지시스템성능평가제조장비 0 20 40 60 80 100 기술수준 (%) 3. 기술동향및예측 3.3. 세부분야별국산화율 실리콘원료 기판 제작 / 생산설계 실리콘태양전지박막태양전지모듈 PCS 축전지시스템 ( 시공포함 ) 성능평가, 표준화제조장비 0 20 40 60 80 100 국산화율 (%)

3. 기술동향및예측 3.4. 세부분야별시급성 원료제조실리콘박막 CIGS 및 CdTe박막박막형태양전지모듈염료감응및유기다결정기판잉곳, 웨이퍼, 셀, 모듈제조장비발전용대용량 PCS 다결정태양전지단결정태양전지단결정기판축전지 BIPV 모듈 GaAs 박막 1 순위 2 순위 0 5 10 15 20 25 30 응답비율 (%) 3.5. 국내태양광발전누적보급 3. 기술동향및예측

3. 기술동향및예측 3.6. 원료 품질 반도체급단결정 Si 태양전지급 ( SoG) Si 소재 단결정 성장 Off-spec Si 고순도 SiO2 + 고순도 C SoG-Si (I) SoG-Si (III) 반도체급다결정 Si 고순도금속 Si UMG-Si 금속 Si SoG-Si (II) Si 석출 저가 Si 석출 반도체급 실란원료 가스화반응 고순도 분리 / 정제 실란원료 원가 < 2$/kg < 15$/kg < 20~30$/kg > 30$/kg SoG-Si 제조기술개발접근방식 3. 기술동향및예측 3.7. 기판 예상되는태양전지의두께변화

3.8. 두께 vs 실리콘사용량 3. 기술동향및예측 웨이퍼의두께변화에따른원료실리콘사용량 3.9. 태양전지가격하락 3. 기술동향및예측 30 25 가격 ($/W) 20 15 10 5 0 Price was down to < 1/7 3-4 $/W 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 0 2 4 태양전지가격하락추이

3. 기술동향및예측 3.10. 종류별태양전지최고효율변화 Best Research-Cell Efficiencies Efficiency (%) 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 1975 Multijunction Concentrators Three-junction (2-terminal, monolithic) Two-junction (2-terminal, monolithic) Crystalline Si Cells Single crystal M ulticrystalline Thin Si Thin Film Technologies Cu(In,Ga)Se 2 CdTe Amorphous Si:H (stabilized) Emerging PV ARCO Organic cells Westinghouse Masushita RCA Monosolar University of Maine RCA RCA Boeing Boeing 1980 Kodak No. Carolina State University RCA RCA RCA Kodak Boeing RCA Solarex 1985 Spire Solarex Stanford ARCO AstroPower Varian AMETEK Boeing Spire UNSW Georgia Tech University So. Florida 1990 Photon Energy Boeing NREL UNSW Sharp NREL UNSW Euro-CIS Japan Energy 1995 UNSW Georgia Tech NREL United Solar UNSW University Konstanz NREL/ Spectrolab NREL Cu(In,Ga)Se 2 14x concentration UNSW NREL NREL NREL NREL AstroPower United Solar Spectrolab 2000 Spectrolab NREL University California Berkeley Princeton NREL 026587136 3. 기술동향및예측 3.11. 일본 (NEDO) 연구개발방향 High-purity silicon Improvement of durability Ingot producing Slicing Cell manufacturing Panel High-quality silicon ingot 50 μm thick ultra-thin slicing technology Light &Carrier-trapping Handling of ultra-thin wafer in cell process High quality crystallization technology Controls of crystal growth and grain boundary New slicing technology 1. Wire sawing (verification of limitation) 2. Plasma etching 3. Laser slicing etc. Light and carrier-trapping of cells with ultra-thin wafers and processing technology 1. Novel hetero-junction solar cells 2. All-dry cells process 3. High efficiency cell 4. manufacturing process 5. Light-trapping, Back reflection 6. Passivation 7. Cell technology for ultra thin wafers

3.12. 일본 (NEDO) PV 2030 3. 기술동향및예측 3.13. 연도별각국태양전지생산량 3. 기술동향및예측 2500 생산량 (MWp) 2000 1500 1000 기타유럽일본미국총계 500 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 연도

3. 기술동향및예측 3.14. 연도별각국태양전지생산량점유율 100% 90% 80% 70% 미국일본유럽기타 비율 (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 연도 3. 기술동향및예측 3.15. 재료별시장점유율

3.16. Poly-Si 업체별생산능력 8,000 3. 기술동향및예측 7,000 생산능력 ( 톤 / 년 ) 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000-1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 년도 Sumitomo ( 일 ) MEMC ( 미 / 이 ) Mitsubishi ( 미 / 일 ) SGS ( 미 ) ASiMl( 미 ) Wacker ( 독 ) Heml ock ( 미 ) Tokuyama ( 일 ) 3.17. 2010 실리콘생산전망 3. 기술동향및예측

3. 기술동향및예측 3.18. 요소별비용분율 3. 기술동향및예측 3.19. 업체별기판생산량 etc 10% Deutsche solar 14% Sharp 3% AWE Schott 3% Sumco 4% Sanyo 4% JFE 4% Shell Solar 7% Setec 14% Kuocera 10% ScanWafer 10% Deutsche solar Setec Kuocera ScanWafer BP Solar PV Crystallox Shell Solar JFE Sanyo Sumco AWE Schott Sharp etc PV Crystallox 8% BP Solar 9%

3. 기술동향및예측 3.20. 업체별전지생산량 Other 36.3% Isofotón (Spain) 2.4% SunPower (Philippines) 2.5% Schott Solar (Germany ) 3.3% Production Volume 2,521.4MW (2006) MOTECH (Taiwan) 4.4% Sharp (Japan) 17.2% Mitsubishi Electric (MELCO) (Japan) 4.4% Q-Cells (Germany ) 10.0% Kyocera (Japan) 7.1% Suntech (China ) 6.2% Sanyo Electric (Japan) 6.1% 4.1. 전체공정

4.2. Starting Materials MG-Silicon 제조 4.3. 원료 품질 반도체급단결정 Si 태양전지급 ( SoG) Si 소재 단결정 성장 Off-spec Si 고순도 SiO2 + 고순도 C SoG-Si (I) SoG-Si (III) 반도체급다결정 Si 고순도금속 Si UMG-Si 금속 Si SoG-Si (II) Si 석출 저가 Si 석출 반도체급 실란원료 가스화반응 고순도 분리 / 정제 실란원료 원가 < 2$/kg < 15$/kg < 20~30$/kg > 30$/kg SoG-Si 제조기술개발접근방식

4.4. Siemens Process 4.5. Fluidized Bed Process

4.6. UMG (Upgraded Metallurgical Grade) Metallurgical silicon Slag treatment Leaching Solidification Ingot 4.7. MG, UMG, SoG 성분비교표

4.8. Impurity Distribution K 0 = C S /C L [C] S = k 0 [C] 0 (1 g) K 0 1 K 0 (O) = 1.25 K 0 (C) = 7ⅹ10-2 K 0 (B) = 8ⅹ10-1 K 0 (P) = 3.5ⅹ10-1 K 0 (metal) < 10-4 4.9. UMG 공정 P, Metal MG-Si 괴 진공용해 + 방향성응고 O 2 B,C 괴 산화성용해 H 2

4.10. UMG ingot 의 type change p + p n 4.11. UMG ingot 의 type change

4.12. UMG ingot 의 Resistivity Variation 4.13.G s 에따른불순물영입 P/B 초기농도 1ppm a, exp(-g s δ/d)=0.1 에서 G s 변화에따른농도변화

4.14.G s 에따른불순물영입 Fe/Al 초기농도 1ppm a, exp(-g s δ/d)=0.1 에서 G s 변화에따른농도변화 4.15. N-type cell Higher tolerance to common transition metal impurities Unused potential supply of n-type silicon waste Higher carrier lifetime Less recombination-active defects Tolerance in high temperature process No light induces degradation

4.16. Light Induced Degradation (p-type cell) 4.17. N-type cell 의종류 4.17.1. IBC & HIT IBC solar cell HIT solar cell

4.17.2. Al Back E x p e r I m e n t R e s u l t Title Solar cells on n-type silicon materials with screen-printed rear aluminum-p+ emitter Large area screen printed n-type silicon solar cells with rear aluminum emitter Source 20th PVSEC (2005) 2006 IEEE 21th PVSEC (2006) Cell Structure Base n + p + ARC CZ-Si : 300 μm, 4Ω cm Textured CZ-Si : 280 μm, 4Ω cm mc-si : 230 μm, 1.7Ω cm EFG-Si : 160 μm, 3.6Ω cm Area : 2 2 cm2 Front contact Al evaporation (shadow mask) Ag screen printing Textured FZ-Si : 150 μm, 20Ω cm Untextured mc1-si : 180 μm, 50Ω cm Textured mc2-si : 150 μm, 50Ω cm Area : 12.5 12.5 cm2 POCl 3 diffusion Al screen printing PECVD SiN x Rear contact AgAl : screen printing at 400 SiNx Ag n + (POCl 3 diffusion) n-type Si p + (Al Screen Printing) Al-Si eutectic AgAl pad (screen printing) Advanced in the manufacturing of n-type silicon solar cells with screen-printed aluminum-alloyed rear emitter Textured CZ1-Si : 210 μm, 4Ω cm Textured CZ2-Si : 220 μm, 4Ω cm Area : 10 10 cm2, 2 2 cm2 CZ1 : Ag screen printing CZ2 : Al evaporation CZ1 CZ2 mc EFG FZ mc1 mc2 CZ1 CZ2 J sc ( ma / cm2 ) 35.0 37.0 31.1 32.6 34.0 31.7 33.1 34.8 38.6 V oc ( mv ) 625 621 610 609 618 604 589 625 627 FF(%) 79.2 79.5 75.8 74.9 77.9 76.6 71.3 78.3 78.2 η(%) 17.3 18.3 14.4 14.9 16.4 14.4 13.9 17.0 18.9 SiNx Ag n + (POCl 3 diffusion) n-type Si p + (Al Screen Printing) Al-Si eutectic Resistivity(Ω cm ) 4.17.3. BRL (Boron rich layer) Boron 의 solubility : Si < SiO2 Diffusion 공정중 Si wafer 표면에 SiO2 layer 생성 Boron 이 Si 이아닌 Si 표면의 SiO2 에머물게됨 Si wafer 표면에 Boron rich layer 가생성 n-type Si wafer 로 Boron 이 doping 되지않음 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 #1 #2 #3 Concentration 1.E+20 1.E+19 1.E+18 1.E+17 1.E+16 1.E+15 1.E+14 1.E+13 #1 : insitu oxidation #2 : capping #3 : barrier #1 #2 #3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Depth ( μm ) Depth ( μm )

4.18. 단결정 (1) Float Zone & Czochralski 4.19. 단결정 (2) Cz 법에의해성장된 Si 잉곳

4.20. 단결정 (3) Czochralski silicon crystal growth system 4.21. 단결정 (4) Initial stage

4.22. 단결정 (5) Later stage 4.23. 단결정 (6) Dislocated crystal

4.24. 단결정 (7) Multiple Cz growth method 4.25. 단결정 (8) Dislocation

4.26. 다결정 (1) 69 cm square cross section multicrystalline silicon ingot. Process parameter data for a 69 cm square cross section multicrystalline silicon ingot. 4.27. 다결정 (2)- 독일 P 사 HEATER liquid solid 독일 P 사

4.28. 다결정 (3)- 일본 N 사 liquid solid 일본 N 사 4.29. 다결정 (4)- 미국 G 사 liquid solid 미국 -G 사

4.30. 다결정 (5)- 한국 Insolteq liquid solid 한국 Insolteq 4.31. 다결정 (6)- 한국 Insolteq 장비모습

4.32. 다결정 (7)-ALD (Germany) HEATER INSULATOR liquid solid INSULATOR 4.33. 다결정 (8)-Multi crystalline blocks Resistivity mapping Resistivity decreases from bottom to top due to dopant segregation top bottom Lifetime mapping Lifetime measurement to determine the spread of the contaminated region at the edges Cut off Cut off 0.23μs 1.78μs

4.34. 다결정 (9) 4.35. 다결정 (10)-Crucible Lowering vs Temperature Lowering Resistivity Variation T. Eguchi, et. al.

4.36. 다결정 (11)-Crucible Lowering vs Temperature Lowering Diffusion Length Variation T. Eguchi, et. al. 4.37. 다결정 (12)-Crucible Lowering vs Temperature Lowering Effect of P-gettering and hydrogen passivation (a) temperature- lowering (b) crucible-lowering T. Eguchi, et. al.

4.38. 다결정 (13)- 박판형 EFG 기술 (a) 및 String 기술 (b) 4.39. 다결정 (14)- 제조원가비교 S/Wp 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Ingot growing Wafering Solar cell fab. Fabrication step Module fab. Factory cost Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 1 : EFG Si sheets, printed contacts = 15% Case 2 : direct solidification multi-si, screen printed contacts, η=15% Case 3 : CZ mono-si, LGBC, η=18% Case 4: CZ mono-si, screen printed contacts, η=16% Case 5 : mono-si, MIS contacted, η=17% Wafer size in all cases is 125mm 125mm and thickness 250 μm Reference : Photovoltaics Fundamentals and Applications ; Tom Markvart & Luis Castaner (2003)

Theories and Applications of Chem. Eng., 2008, Vol. 14, No. 2 4164