The Korean Society For New And Renewable Energy

[ Article ]

New & Renewable Energy - Vol. 13, No. 3, pp.4-9

ISSN: 1738-3935 (Print)

Article No. [2017-9-PV-001]

Print publication date 25 Sep 2017

Received 25 May 2017 Revised 19 Sep 2017 Accepted 20 Sep 2017

DOI: https://doi.org/10.7849/ksnre.2017.9.13.3.004

선택적 캐리어 수집을 위한 터널 산화막을 이용한 결정질 실리콘 태양전지

한상욱¹⁾

; 심경배¹⁾ ; 박수영¹⁾ ; 안시현¹⁾ ; 박철민²⁾ ; 조영현¹⁾ ; 김현후³⁾ ; 이준신¹⁾^{, *}

A Study on Crystalline Silicon Solar Cells Using Tunnel Oxide Layer for Carrier Selective Contacts

Sanguk Han¹⁾

; Gyungbae Shim¹⁾ ; Sooyoung Park¹⁾ ; Shihyun Ahn¹⁾ ; Cheolmin Park²⁾ ; Younghyun Cho¹⁾ ; Hyunhoo Kim³⁾ ; Junsin Yi¹⁾^{, *}

1)College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University
2)Department of Energy Science, Sungkyunkwan University
3)Department of Display Engineering, Doowon Technical University

Correspondence to: * junsin@skku.edu Tel: +82-31-290-6571 Fax: +82-31-290-6570

© 2017 by the The Korean Society for New and Renewable Energy
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Abstract

In silicon solar cells, the doping process is performed to form a Back Surface Field (BSF) layer and is followed by many other processes. In this study, phosphorus doped a-Si:H doped at a high concentration in the tunnel oxide layer was crystallized through furnace annealing and Excimer Laser Annealing (ELA), in order to apply it to the Polycrystalline (Poly) - BSF layer in the Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) structure. In the excimer laser annealing fabrication process, an XeCl excimer laser with a wavelength of 308 nm was used, and the thickness of the a-Si layer and energy density of the laser were varied from 20 to 40 nm and from 390 to 450 mJ/cm², respectively. The highest carrier lifetime and implied V_OC were found to be 588 ㎲ and 697 mV, respectively, at an a-Si thickness of 20 nm and energy density of the laser of 450 mJ/cm². The TOPCon cell was fabricated using wet oxidation and plasma oxidation. Its efficiency and FF were found to be higher when fabricated using the wet process, with values of 19.41% and 74.8%, respectively, while its V_OC and J_SC values were higher when it was fabricated using plasma oxidation, with values of 41.04 mJ/cm² and 644 mV, respectively. Therefore, if the conditions providing for a high implied V_OC and carrier lifetime and sufficient crystallization were found, the efficiency of n-type TOPCon solar cells could be increased.

Keywords:

BSF, ELA, Crystallization, TOPCon, Crystalline silicon solar cell

키워드:

후면전계층, 엑시머레이저어닐링, 결정화, 전하선택적수집, 실리콘태양전지

1. 서 론

화석 연료(석유, 석탄 및 천연가스)는 현재 세계 에너지 생산의 80% 이상을 차지하는 주요 에너지원이다^[1]. 하지만 화석 연료는 지구 온난화와 기후 변화의 주요 원인인 온실 가스의 배출로 인해 공급이 제한되고 환경에 매우 유해하다. 그러므로 미래에는 환경에 유해하지 않으면서 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지 개발이 필수적이다^[2]. 태양광에너지는 환경에 유해한 영향이 없이 태양빛을 전기로 변환하기 때문에 주요한 대체 에너지로 성장하고 있다^[3]. 고효율의 실리콘 태양전지를 제작하기 위해서는 조사된 빛에 의해 생성된 Electron-Hole Pair(EHP)의 재결합손실을 최소화 하는 것이 필수적이다. 25%의 효율을 달성한 Passivated Emitter, Rear Locally diffused(PERL) 태양전지는 열 산화공정을 이용하여 전후면 passivation을 상승시키고 선택적 도핑공정을 통하여 금속 재결합을 감소시켰다. 그리고 point contacts 방식을 이용하여 B-diffused emitter로 교체한 passivated contacts는 탁월한 캐리어의 선택적 수집 및 1차원 캐리어의 움직임 패턴으로 인해 715mV의 높은 V_OC 및 82.1%의 매우 높은 충진률(Fill Factor, FF)을 가능하게 했다^[4-5]. 그러나 현재 PERL 태양전지는 부분적인 금속 접촉과 고농도로 도핑된 영역에 의해 재결합 손실이 발생한다. 캐리어 선택적 수집 접합은 흡수영역 외부의 도핑 되거나 금속화된 영역을 분리하거나 대체할 수 있는 기회를 제공하고 더 높은 개방전압을 발생시킬 수 있다. 이러한 예 중 가장 대표적인 구조가 Heterojunction with Intrinsic Thin layer(HIT) 구조 태양전지인데 매우 얇은 진성 비정질 실리콘층이 도핑 된 비정질 실리콘층과 금속화된 영역을 흡수영역 외부에서 분리하여 실리콘 표면에서의 우수한 passivation 특성을 제공한다. 하지만 HIT 태양전지에서의 비정질 실리콘층은 열에 매우 취약하여 셀의 온도가 200℃ 이상이 되면 a-Si:H이 분해되기 시작하여 무수한 dangling bonds가 형성되고 광 생성된 캐리어들의 재결합을 유발한다. 그렇기 때문에 HIT 태양전지는 모든 공정을 저온공정으로 진행해야 하는 큰 단점이 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 Semi-Insulating POlySilicon (SIPOS)를 적용하였는데 이는 실리콘 소자에서의 passivation층으로써 사용되었다^[6]. 태양전지에서의 SIPOS 적용은 Yablonovitch에 의해 입증 되었으며 720mV의 안정적인 개방전압을 달성하였다^[7].

Fig. 1.

Prevention of EHP recombination through selective collection of electron

TOPCon구조는 열 처리시 부분적으로 결정화 되는 poly-BSF 층과 1.5nm 이하의 매우 얇은 터널 산화막으로 구성되고 Quantum-tunneling 효과로 인해 전자의 선택적 수집이 가능하여 광 생성된 EHP의 재결합 방지를 통한 태양전지의 효율 향상에 기여한다.

Fraunhofer ISE는 전면에는 boron doped selective emitter, 후면에는 tunnel oxide passivation을 적용한 4cm²크기의 셀로 24.9%의 효율과 718mV의 V_OC를 달성하였다^[8].

최근에는 터널 산화막을 이용한 전자의 선택적 수집뿐만 아니라 Transition Metal Oxide(TMO)를 이용한 정공의 선택적 수집 연구도 활발히 이루어지고 있다^[9]. 이를 응용하여 결정질 실리콘 태양전지에 적용한다면 재결합의 방지에 의한 carrier lifetime의 상승과 태양전지의 효율향상에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Conventional structure of TOPCon solar cell

2. 실험 방법

2.1 BSF의 결정화

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].

2.2 고효율의 TOPCon solar cell 제작

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.

3. 결과 및 고찰

3.1 열처리를 이용한 BSF의 결정화

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℃)

3.2 Excimer laser를 이용한 BSF 결정화

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

3.3 고효율의 TOPCon solar cell 제작

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

Table 1.

Efficiency data of TOPCon solar cell

4. 결 론

본 연구에서는 tunnel oxide passivation을 이용한 실리콘 태양전지에 대해 서술하였다. BSF layer의 결정화를 위해 furnace annealing과 XeCl excimer laser annealing을 이용하였다. Raman peak는 520nm에서의 peak가 결정화도를 나타내는데 FA는 900℃, 90분 조건에서 가장 높은 raman peak를 나타냈다. 대체적으로 열처리 온도가 높거나 시간이 길면 결정화도가 높은 경향을 확인할 수 있었다. ELA는 a-Si:H 두께 20nm, 에너지 밀도 430mJ/cm²에서 588μs, 697mV의 가장 높은 carrier lifetime과 implied V_OC가 측정 되었다. poly-Si의 두께가 얇을수록, laser의 에너지 밀도가 높을수록 더 높은 수치의 결과가 나타났다. 다음으로 tunnel oxide 성장 방법을 plasma oxidation과 wet oxidation 두 가지를 비교하여 TOPCon 태양전지를 제작하였는데 J_SC와 V_OC는 plasma oxidation이, FF와 효율은 wet oxidation 이 각각 더 높은 결과를 나타냈다. 이를 토대로 최적화된 결정화 방법이나 oxidation 방법을 적용하여 TOPCon 태양전지를 제작한다면 높은 carrier lifetime과 implied V_OC를 통해 고효율의 태양전지를 제작할 수 있을 것이라 판단된다.

Acknowledgments

본 연구(No. 20153030012590)는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.

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