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Poly-BSF를 형성하는 방법은 크게 열처리를 이용한 결정화 FA와 excimer laser를 이용한 결정화 ELA가 있다. 먼저 단일막 테스트를 위해 두께 200nm의 일반적인 태양전지 웨이퍼를 준비한 뒤 표면의 polishing을 위해 Saw Damage Removal(SDR) 공정(NaOCl : Di-water: NaOH = 10:10:1)을 진행하였다. 그 다음 PECVD 또는 acid chemical용액을 이용하여 양면에 매우 얇은 산화 막(1.4nm)을 성장시켰다. 그 후 poly-BSF를 형성하기 위해 PECVD를 이용하여 양면에 a-Si:H 를 증착 하였다. 이 때 가스비는 SiH₄과 PH₃는 1:1 비율로 고정하고 H₂의 비를 가변 하여 실험을 진행하였고 막의 두께는 20nm~40nm까지 가변 하여 실험을 진행하였다. 마지막으로 poly-Si을 형성하기 위해 FA와 ELA를 이용하여 결정화 하였다. Fig. 3은 가스비 영역에 따른 결정화 영역을 나타낸다^[13].

Fig. 3. 
Crystalline region according to gas ratio

먼저 열처리 온도는 200℃~900℃, 시간은 30분~90분으로 각각 가변 하였다. 열처리 온도가 900℃를 넘어가면 tunnel oxide layer가 부분적으로 파괴되어 (SiO_2(s)+Si_(s)= SiO_(g)) passivation 효과가 감소하므로 900℃ 까지만 열처리 온도를 증가시켜 실험을 진행하였다^[10]. 그리고 ELA를 진행하기 전에 막 내에 존재하는 수소를 모두 제거해주는 탈수소화 공정을 진행해야 한다. 막에 laser를 조사하게 되면 laser의 에너지에 의해 막 내에 존재하는 수소가 밖으로 확산하게 되고 이 과정에서 막 내에 공백이 생기거나 막이 벗겨지는 peeling현상이 일어나게 된다. 탈수소화 공정은 Rapid Thermal Process(RTP) 장비에서 450℃, 60분 동안 진행하였다^[11]. 레이저 종류는 파장 308nm인 XeCl excimer laser를 사용하였고 에너지 밀도는 390mJ/cm²~ 450mJ/cm²까지 가변 하였다. 막의 두께는 20nm~40nm로 이전 실험과 동일하게 진행하였다. 그리고 막 내의 dangling bonds를 없애기 위해 Forming Gas Annealing(FGA) 공정을 진행한 뒤 Quasi-Steady-State PhotoConductance (QSSPC)를 이용하여 carrier lifetime과 implied V_OC를 측정하였다. 그 후 결정화도를 측정하기 위해 ramanspectroscopy를 이용하였고 elipsometry(VASE, J. A. Woollam 240nm < λ < 1700nm) 를 이용하여 막의 두께와 결함을 측정하였다^[9].

단일막 시험용 웨이퍼와 마찬가지로 두께 200μm의 웨이퍼를 SDR 공정 후 수광부에서의 태양광을 최대한 흡수하기 위해 표면을 texturing 하였다. 그리고 전면 emitter를 형성할 때 BBr₃ 확산 도핑을 진행하였는데 후면까지 counter doping되는 것을 막기 위해 후면에 nitride barrier를 증착 한 뒤 공정을 진행하였다. Emitter를 형성하고 난 뒤 후면의 nitride barrier를 지우고 질산을 이용한 wet oxidation과 PECVD를 이용하여 매우 얇은 tunnel oxide layer(1.4nm)를 성장시켰다. Poly-BSF 형성을 위해 PECVD를 이용하여 a-Si:H를 증착 한 뒤 열처리를 통해 결정화 하여 BSF를 형성하였다. 열처리는 900℃, 60분 동안 진행하였다. 그 다음 전면 emitter위에 passivation을 하기 위해 PECVD를 이용하여 SiN_x를 증착 하였다. 그리고 전극 형성을 위해 전면에 Ag/Al paste를 screen printing하였고 소성을 진행하였다. 마지막으로 후면 전극을 증착하기 위해 Ag를 thermal evaporation을 이용하여 300nm 증착 한 뒤 Al을 600nm 추가로 증착 하여 TOPCon cell을 완성하였다.

Raman peak는 520nm에서의 peak가 c-Si peak를 나타내고 약 480nm는 a-Si의 peak를 나타낸다. Fig. 4는 공정 시간은 30분, a-Si 가스비는 SiH₄:PH₃:H₂ = 1:1:9로 고정한 뒤 온도를 300℃~900℃로 가변한 결과 그래프이다. 700℃ 미만에서는 a-Si peak가 나타났고 700℃ 이상부터 crystalline peak가 나타나기 시작하였다. 300℃부터 600℃ 까지는 a-Si:H의 충분한 결정화가 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4. 
Raman-spectroscopy according to thermal process temperature. The process time was fixed to 30 minutes and the temperature was varied

Fig. 5는 이전 실험에서 결정화가 잘 이루어진 온도인 800℃부터 900℃까지만 가변하고 시간을 30분부터 90분까지 추가로 가변 하여 실험을 진행한 뒤 열처리 온도와 시간에 따른 결정화도를 측정하였다. 그래프 상에서는 900℃에서 90분 동안 열처리를 하고 난 뒤 FGA공정을 진행한 sample이 가장 높은 raman peak를 나타냈다. 대체적으로 열처리 온도가 높을수록, 열처리 시간이 길수록 결정화도가 높은 경향을 보이는 것이 확인되었다.

Fig. 5. 
(a) Raman spectroscopy process time (800℃). (b) Raman spectroscopy process time (900℃)

Fig. 6은 XeCl excimer laser 이용하여 단일막 테스트를 진행한 결과 그래프이다. 에너지 밀도는 390mJ/cm²~ 450mJ/cm²,a-Si:H의 두께는 20nm~40nm까지 각각 가변 하였다. 가장 높은 carrier lifetime과 iV_oc를 달성한 조건은 20nm, 430mJ/cm²로 FGA 공정 후 588μs, 697mV로 측정 되었다. 대체적으로 poly-Si 의 두께가 얇을수록, 레이저의 에너지밀도가 높을수록 carrier lifetime과 implied V_OC가 상승한 것으로 보인다.

Fig. 6. 
Carrier lifetime and implied VOC according to excimer laser energy density and a-Si:H thickness variation

Tunnel oxide layer를 형성하는 방법을 질산을 이용한 wet oxidation과 N₂O gas를 이용한 plasma oxidation을 서로 비교하여 실험을 진행하였다. Wet oxidation은 저온 공정(110℃) 이며 한 번에 여러 웨이퍼를 동시에 공정이 가능하여 생산성이 매우 높다. Plasma oxidation은 한 면만 선택적으로 공정이 가능하기 때문에 양면 증착에 따른 후속공정이 필요 없고 표면의 damage를 최소로 줄일 수 있다^[12]

Fig. 7과 Table 1은 plasma oxidation과 wet oxidation을 이용하여 제작한 TOPCon cell의 최고 효율 결과이다. J_SC와 V_OC는 plasma oxidation을 이용한 셀이 너 높게 측정되었지만 충진률과 효율은 chemical oxidation 을 이용한 cell이 너 높게 측정되었다. 이를 바탕으로 chemical 용액의 종류에 따라 형성되는 oxide layer의 특성을 분석하고 최적의 조건을 적용하여 소자의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.

Fig. 7. 
LIV graph of TOPCon solar cell using plasma oxidation and wet oxidation