Recently, there has been an increasing demand for environmentally friendly renewable energy as an alternative to the depletion of fossil fuels and climate change. Among the various renewable energy sources, energy generated by solar energy conversion is considered a realistic alternative. However, due to the higher cost of solar energy conversion systems, such as photovoltaic modules, than the conventional fossil fuels, it has been difficult to implement solar energy conversion systems. Among the costs of photovoltaic modules, about 40% is for the silicon wafer that is used as a light absorbing material. Thus, it is crucial to reduce the cost of the silicon wafer in order to lower the cost of the solar energy conversion system. The reason for the high cost of silicon wafers is that the conventional wafering process has a high material loss and it is difficult to produce silicon wafers with appropriate thicknesses. In this dissertation, we introduce a new wafering process using a spalling process to overcome the limitation of the conventional wafering process and demonstrate a sub-50 $\mu$m-thick Si wafer without material loss. In addition, we developed a cost-effective and efficient solar energy conversion device using the ultra-thin silicon wafer fabricated by the spalling process.
In this dissertation, chapter 3 describes a new spalling technique that can control the thickness of an ultra-thin semiconductor by decoupling the crack initiation and propagation. The advanced method shows that the exfoliated Si thickness can be adjusted to sub- 5 – 50 $\mu$m. In chapter 4, we describe the systematically analyzed results of the material properties on fabricated ultra-thin silicon. In particular, we inspect the defects on the fabricated ultra-thin silicon that occurred in the spalling process and improve the minority carrier lifetime by appropriate removal of the analyzed defects. Chapter 5 demonstrates a cost-effective and efficient photoelectrochemical cell using the fabricated ultra-thin silicon as a light absorber. We analyzed the effect of the silicon light absorber thickness on the photoelectrochemical properties. In addition, the performance improvement strategy for producing the ultra-thin silicon-based photoelectrochemical cell is proposed and demonstrated.
The spalling process developed through this study shows that it is possible to fabricate an ultra-thin silicon substrate with a sub-50 $\mu$m thickness by overcoming the limitations of conventional wafering technology. The ultra-thin semiconductor fabrication technology using the spalling process can be applied not only to silicon but also to other high-cost semiconductor substrates, such as GaAs, GaN, InP, and Ge, and the manufactured ultra-thin semiconductor substrate will be used as a cost-effective and efficient solar energy conversion device in the future. Furthermore, it can be used in various fields, such as flexible devices and transmission type optical devices.
최근 화석 연료의 고갈 및 기후 변화 문제를 해결 할 수 있는 대안으로 친환경 재생 가능 에너지에 대한 요구가 증가하고 있다. 여러 가지 재생 에너지 자원 중, 태양 에너지 변환을 통해 생성된 재생 에너지 사용이 현실적인 대안 중 하나라고 보고 있다. 하지만, 태양 에너지 변환 시스템 제작 비용이 기존 화석 연료를 이용한 에너지 생산 비용에 비해 높기 때문에, 태양 에너지 변환 시스템 보급에 어려움을 겪고 있다. 태양 에너지 변환 시스템 제작 비용 중 ~40% 는 광흡수층으로 사용하는 실리콘 기판이 차지 한다. 따라서, 태양 에너지 변환 소자 비용 저하를 위해서는 실리콘 기판의 가격 감소가 중요하다고 볼 수 있겠다. 실리콘 기판이 고비용인 이유는, 결정질 실리콘 잉곳을 성장하고 그것을 웨이퍼 형태로 자르는 웨이퍼링 공정 에서 낮은 수율 및 적정 두께로의 wafer 생산이 어렵기 때문이다. 이에 본 학위 논문에서는 기존의 웨이퍼링 공정의 한계 점을 극복하기 위한 방법으로, 균열 생성 및 진전을 이용한 스폴링 공정을 통해 50 $\mu$m 두께 이하의 초박형 실리콘 기판 생산 기술을 개발, 제작된 초박형 실리콘 기판의 특성 분석 및 초박형 실리콘 기판을 이용한 저비용 고성능 태양 에너지 변환 소자를 구현 하였다.
본 논문에서, 3장은 균열 생성 및 균열 진전 지점 분리를 통해 박리되는 웨이퍼의 두께 조절을 5 – 50 $\mu$m로 조절 가능한 새로운 스폴링 기술에 대해서 기술하였다. 4 장은 제작된 실리콘 웨이퍼의 특성에 대해 체계적으로 분석하였다. 특히 스폴링 공정에서 생성되는 결함 조사 및 제거를 통한 실리콘 기판의 소수 반송자 수명 향상 방법에 대하여 기술 하였다. 5장은 제작된 초박형 실리콘 기판을 광흡수층으로 사용하여, 저비용 고성능 광전기화학 전지를 제작하였다. 실리콘 광흡수층 두께가 광전지화학 전지 특성에 미치는 영향에 대해서 분석 및 광전지 화학 전지 특성 향상을 위한 방법 제시 및 구현 하였다.
본 연구를 통해 개발된 스폴링 기술은, 기존 웨이퍼링 기술의 한계를 극복 하여 50 $\mu$m 두께 이하의 초박형 실리콘 기판을 제작 가능 함을 보여 주었다. 이러한 스폴링 고정을 이용한 초박형 웨이퍼 제작 기술은 실리콘뿐만 아니라, 화합물 반도체인 GaAs, GaN, InP 등의 고비용의 반도체 기판에도 적용이 가능 하며, 제작된 박형 반도체 기판은 향후 저비용 고성능의 태양 에너지 변환 소자 제작 가능하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 유연 전자 소자, 투과형 광소자 등 다양한 분야에도 사용될 수 있으리라 예상 된다.
