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문제 정의
- 본 연구에서는 Spectroscopic Ellipsometer(이하 SE) 모델링과 분석을 통해 Si wafer 세정과 더불어 passivation 효과를 분석하고, 증착조건에 따른 a-Si:H 박막의 물성에 대해 평가할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 비정질 실리콘 층은 RF-PECVD를, TCO는 스퍼터링 공정을 사용하였다 타겟은 . AZO ZnO:2wt% Al2O3를 사용하여 약 150℃에서 증착하였으며, back electrode와 front electrode 는 각각 Al과 Ag를 사용하였는데, 스퍼터링과 e-beam evaporating방식을 적용하였다.
- AZO(90nm) /p(6nm) /i(2nm) /c-Si/n+(20nm)의 구조의 cell을 구현한 후, 두께 측정 역시 SE를 사용하였다. SE 측정 및 모델링 결과를 Fig.
- 비정질 실리콘 단위막 및 cell, TCO의 두께, 막 특성 분석 역시 SE를 사용하였으며, HRTEM으로 다시 확인하였다. cell의 I-V 특성은 WACOM(Japan)사의 solar simulator로 AM1.5(100mW/cm2) 조건에서 측정하였다.
- 56 MHz)의 PECVD 장치를 사용하였으며, Si 박막은 SiH4 gas를, N과 P도핑은 각각 PH3와 B2H6 가스를 사용하였다. 가능한 낮은 결정분율과 높은 밀도를 가지는 우수한 a-Si:H 박막을 위해 증착온도와 반응가스 종류, 희석비를 변화시켰으며, 그 조건을 Table 1에 도시하였다. 또한, cell 제작에 있어 Front TCO 로는 ZnO:Al2O3 2wt%를 RF 스퍼터링 법으로 증착하였으며, 전/후면 전극은 Ag과 Al를 각각 e-beam evaporating 과 DC 스퍼터링으로 성막하였다.
- 각 세정조건에 따른 wafer 표면 상태 분석을 위해 J.A. Woollam(USA)사의 Spectroscopic Ellipsometer (M2000U) 를 250~1000nm의 범위에서 측정하였으며, H-termination 효과는 μ-PCD(SEMIlab.)를 사용하여 유효 캐리어 수명시간을 측정하여 평가하였다.
- 가능한 낮은 결정분율과 높은 밀도를 가지는 우수한 a-Si:H 박막을 위해 증착온도와 반응가스 종류, 희석비를 변화시켰으며, 그 조건을 Table 1에 도시하였다. 또한, cell 제작에 있어 Front TCO 로는 ZnO:Al2O3 2wt%를 RF 스퍼터링 법으로 증착하였으며, 전/후면 전극은 Ag과 Al를 각각 e-beam evaporating 과 DC 스퍼터링으로 성막하였다.
- 본 실험에서 최적화된 wafer 세정 및 비정질 실리콘 박막 증착 조건을 이용하여 이종접합 태양전지를 제작하였다. 세정 조건은 상기 언급한 바와 같이, 유기세정과 SPM, 그리고, Hot water oxidation(90분)을 통해oxide passivation를 형성하였으며, 표면 수소 처리는 BOE(1분)를 사용하였다.
- 비정질 실리콘 단위막 및 cell, TCO의 두께, 막 특성 분석 역시 SE를 사용하였으며, HRTEM으로 다시 확인하였다. cell의 I-V 특성은 WACOM(Japan)사의 solar simulator로 AM1.
- a-Si:H/c-Si 이종접합 태양전지는 구조가 간단하고, 일반적으로 250℃이하의 저온 공정이 가능하고 우수한 온도계수 특성과 높은 개방전압을 갖는 고효율 태양전지로 차세대 초박형 기판에 적용할 수 있는 기술이다. 산요의 HIT(1)로 대표되는 본 소자는 intrinsic a-Si:H을 사용하여 Si wafer 표면을 passivation함으로써 20% 이상의 변환효율과 0.7V 이상의 개방전압을 달성하였다.
- 본 실험에서 최적화된 wafer 세정 및 비정질 실리콘 박막 증착 조건을 이용하여 이종접합 태양전지를 제작하였다. 세정 조건은 상기 언급한 바와 같이, 유기세정과 SPM, 그리고, Hot water oxidation(90분)을 통해oxide passivation를 형성하였으며, 표면 수소 처리는 BOE(1분)를 사용하였다. 비정질 실리콘 층은 RF-PECVD를, TCO는 스퍼터링 공정을 사용하였다 타겟은 .
- 세정된 wafer는 정확도를 기하기 위해 세정 즉시 엘립소미터 분석과 μ-PCD 측정을 실시하였다.
- 기판으로 사용한 실리콘 웨이퍼는 CZ 법으로 제조된 N 타입의 4"(100) EG 등급의 Double Side Polished, 두께 약 500um, 표면 저항은 1~10Ω의 것을 사용하였다. 세정은 RCA 세정법에 따라, 아세톤/메탄올을 초음파와 함께 사용하는 유기 세정, H2SO4/H2O2/DIW를 사용하는 SPM, NH4OH/H2O2/DIW 를 사용하는 SC1 세정법을 그대로 사용하였으며, DIW rinse 후, wafer 표면의 산화막 제거와 H-Termination을 위해 BOE(Buffered oxide etchant, 1:7) 와 HF를 조건에 맞게 사용하였다. DIW를 이용한 Hot-water oxidation 법(4)은 약 80℃의 DIW에 dipping 하여, passivation용 산화막을 성장시켰으며 BOE 또는 HF로 H-termination를 완료하였다.
- 최적의 세정 조건을 도출하기 위해, 각 세정단계별로 <ε2>값과 실제 유효 캐리어 수명시간을 측정하여 그 관계를 고찰하였다.
대상 데이터
- 기판으로 사용한 실리콘 웨이퍼는 CZ 법으로 제조된 N 타입의 4"(100) EG 등급의 Double Side Polished, 두께 약 500um, 표면 저항은 1~10Ω의 것을 사용하였다.
- 세정 조건은 상기 언급한 바와 같이, 유기세정과 SPM, 그리고, Hot water oxidation(90분)을 통해oxide passivation를 형성하였으며, 표면 수소 처리는 BOE(1분)를 사용하였다. 비정질 실리콘 층은 RF-PECVD를, TCO는 스퍼터링 공정을 사용하였다 타겟은 . AZO ZnO:2wt% Al2O3를 사용하여 약 150℃에서 증착하였으며, back electrode와 front electrode 는 각각 Al과 Ag를 사용하였는데, 스퍼터링과 e-beam evaporating방식을 적용하였다.
- 세정된 wafer 상에 비정질 실리콘 막을 증착은 RF(13.56 MHz)의 PECVD 장치를 사용하였으며, Si 박막은 SiH4 gas를, N과 P도핑은 각각 PH3와 B2H6 가스를 사용하였다. 가능한 낮은 결정분율과 높은 밀도를 가지는 우수한 a-Si:H 박막을 위해 증착온도와 반응가스 종류, 희석비를 변화시켰으며, 그 조건을 Table 1에 도시하였다.
이론/모형
- 비정질 실리콘막의SE 분석을 위해Fig. 4에 도시한 바와같이 3개 층으로 모델링하였으며, 주요 분석 대상인 비정질 층은 비정질 실리콘 + 결정질 실리콘 + 기공으로 구성된 3성분계 EMA Effective Medium Approximation)에 Tauc-Lorentz equation 적용하여 분석하였다.
- Si Wafer 세정에 의한 표면 defect 및 H-termination 수준을 평가하는 방법으로 SE로 측정된 data중 imaginary dielectric 값인 <ε2> 값을 사용하였다.
성능/효과
- H2/SiH4 희석비 및 H2/Ar 희석비를 변화시켜 증착한 결과, 0.4 의 희석비를 가질 때, 거의 결정성이 없는 비정질 실리콘 막을 얻을 수 있었다(Fig. 5(a)).
- 동일한 셀 구조을 Textured wafer상에서 구현한 결과, 14.30%의 변환효율을 얻을 수 있었는데, Flat wafer와 비교하여, Jsc와 Voc가 증가한것에기인하였다. 전류량은Texturing 으로 인해 반사도가 감소하고, 광 경로가 증가한 게 그 원인으로 쉽게 집작할 수 있으며, 개방전압 Voc의 경우는 texturing 에 의해 c-Si wafer 표면이 (100)에서 (111)로 변화한 것에 그 일부 원인을 찾을 수 있다.
- , intrinsic 비정질 실리콘 층의 증착시에도 (100) 면에 비해 결정 성장이 더욱 억제되었기 때문으로 짐작할 수 있다. 따라서, Flat wafer의 경우보다 상당히 증가된 개방전압을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서 시도한 Hot-water oxidation 결과(2회 반복) 생성된 표면 산화막 의해 그 값이 감소되었다가 BOE 처리를 통해 일반 RCA 세정의 경우보다 더욱 <ε2>가 증가됨을 관찰하였다.
- 세정 최적화를 통해 <ε2> 값이 증가하여 43이상에 도달하였으며(Fig. 3) 이는 Si(100)의 보고된 값인 43.3(5)에 거의 근접하였음을 알 수 있다.
- 앞의 결과와 비교하였을 때, 4배 정도의 증착속도 감소 (~1.0Å/s)에도 에피성장이 일어나지 않고 우수한 비정질 박막이 증착되었으며, 0.1 Torr에서 가장 낮은 voids 분율을 나타내는데, 이는 더욱 고밀도의 비정질 박막이 얻어졌음을 의미한다.
- 이종접합 태양전지를 구현하는 데 있어 가장 중요한 요소라 할 수 있는 c-Si wafer 표면 상태와 a-Si:H 박막 증착 조건을 도출하는데 있어 Spectroscopic Ellipsometer를 이용한 분석은 매우 유용한 방법임이 확인되었으며, 셀 적용 결과, Flat wafer의 경우, 12.67%, texturing 한 wafer의 경우 14.3%의 변환효율을 얻을 수 있었다.
- 7에 도시하였다. 증착 결과, 원하는 두께가 잘 증착되었음을 알 수 있으며, 매우 낮은 결정질 분율과 voids를 가지는 intrinsic 과 p-doped 비정질 층이 형성되었음을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
후속연구
- 일본산요社의셀특성수준을감안한다면, 앞으로texturing 공정으로 더욱 최적화하고 각 기판별 특성에 맞도록 비정질 실리콘 층의 물성 및 두께 조절이 요구된다.
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