[논문]결정질 태양전지의 후면 패시베이션을 위한 ALD <tex>$Al_2O_3$</tex> 막 연구

노시철; 서화일

결정질 태양전지의 후면 패시베이션을 위한 ALD $Al_2O_3$ 막 연구
A Study on ALD $Al_2O_3$ Films for Rear Surface Passivation of Crystalline Silicon Solar Cells 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.1, 2011년, pp.57 - 61

노시철 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과) , 서화일 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To develop high efficiency crystalline solar cells, the rear surface passivation is very important. In this paper, $Al_2O_3$ films deposited by thermal ALD(atomic layer deposition) method were studied for rear surface passivation of crystalline solar cells and their passivation properties were evaluated. After the deposition of $Al_2O_3$ films on p-type Si wafers, the lifetime was increased very much due to the reduction of interface state density and the field effects of the negative fixed charge in the films. Also, optimum annealing condition and effects of SiNx capping layer were investigated. The best lifetime was obtained when the films were annealed at $400^{\circ}C$ for 15min. And the lifetime degradation of the $Al_2O_3$ films with SiNx capping layers was improved compared to those without the capping layers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

분위기에서 진행하였다. Al₂O₃ 막의 효과를 극대화하기 위해 어닐링 시간과 온도의 최적 조건을 알아보는 실험을 하였다. 어닐링 온도를 400℃로 고정하고 시간을 5분에서 25분까지 변화시켰으며, 또한 어닐링 시간을 20분으로 고정하고 온도를 350℃에서 425℃까지 변화시키면서 lifetime을 조사하였다.
본 논문에서는 결정질 실리콘 태양전지 적용을 위해 Al₂O₃ 막의 후면 패시베이션 특성을 조사하였다. Thermal ALD 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime을 측정한 결과, 고정전하에 의한 전계효과 및 계면 결함 감소로 인해 소수캐리어의 lifetime이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 결정질 태양전지의 효율 향상을 위해 Al₂O₃ 막의 후면 패시베이션 특성을 조사하고자 하였다. Thermal ALD(atomic layer deposition) 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime의 증가 여부를 비교하고, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위한 어닐링(annealing) 최적 조건을 제안하였다.

제안 방법

어닐링 공정의 주 요소인 시간과 온도에 대해 조건별 실험을 통해 Al₂O₃의 어닐링 최적 조건이 400℃, 15분임을 알 수 있었다. Al₂O₃ 막 증착 후 lifetime의 열화현상 개선을 위해 PECVD 방법을 사용하여 SiNx 막을 증착한 후 시간에 따른 패시베이션 효과를 관찰하였다. Al₂O₃/SiNx의 stack 구조를 갖는 시료가 Al₂O₃ 단일막 구조 시료에 비해 시간에 따른 lifetime 감소율이 작음을 알 수 있었으며, 따라서 SiNx가 Al₂O₃ 막의 열화현상을 감소시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
Cleaning은 웨이퍼에 남아있는 불순물을 제거하기 위한 목적으로 RCA I(APM), RCA II(HPM) 모두 80℃에서 10분간 진행하였다. Cleaning이 웨이퍼의 lifetime에 어떠한 영향을 미치는 지를 알아보기 위해 RCA I · II cleaning을 한 시료와 No-RCA 시료를 준비하였다.
막의 후면 패시베이션 특성을 조사하고자 하였다. Thermal ALD(atomic layer deposition) 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime의 증가 여부를 비교하고, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위한 어닐링(annealing) 최적 조건을 제안하였다. 그리고 Al₂O₃ 막 증착 후 lifetime의 열화현상의 개선을 위해 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) SiNx 막을 증착하여 시간에 따른 패시베이션 효과를 관찰하였다.
Thermal ALD(atomic layer deposition) 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime의 증가 여부를 비교하고, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위한 어닐링(annealing) 최적 조건을 제안하였다. 그리고 Al₂O₃ 막 증착 후 lifetime의 열화현상의 개선을 위해 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) SiNx 막을 증착하여 시간에 따른 패시베이션 효과를 관찰하였다.
시료는 3×3 cm로 컷팅하여 실험을 진행하였으며, lifetime 측정은 µ-PCD(microwave-detected photoconductivity decay)방식의 SEMILAB사 WT-1000으로 측정하였다.
Al₂O₃ 막의 효과를 극대화하기 위해 어닐링 시간과 온도의 최적 조건을 알아보는 실험을 하였다. 어닐링 온도를 400℃로 고정하고 시간을 5분에서 25분까지 변화시켰으며, 또한 어닐링 시간을 20분으로 고정하고 온도를 350℃에서 425℃까지 변화시키면서 lifetime을 조사하였다.
RCA cleaning 후 HF처리한 시료와 HF처리만 한 시료의 lifetime 증가율은 큰 차이를 나타내지 않았다. 이 결과를 토대로 이 후의 모든 실험에서는 cleaning 단계를 생략하고 DHF처리만 하여 진행하였다.
막의 패시베이션 효과는 습도(수분)에 의해 크게 영향을 받으며, 따라서 공기 중 보관시 습도(수분)에 의해 시간에 따른 열화현상을 나타낸다. 이러한 열화현상 등을 개선하기 위해 capping 막으로 SiNx를 증착하였다.
Cleaning이 웨이퍼의 lifetime에 어떠한 영향을 미치는 지를 알아보기 위해 RCA I · II cleaning을 한 시료와 No-RCA 시료를 준비하였다. 이후 두 시료 모두 상온에서 10초간 DHF(HF:H₂O=1:10) 처리를 진행하였다. Cleaning 한 시료를 DHF 처리하는 이유는 RCA II 과정에서 생기는 화학적 산화막을 제거하기 위해서이다[5].

대상 데이터

Cleaning이 웨이퍼의 lifetime에 어떠한 영향을 미치는 지를 알아보기 위해 RCA I · II cleaning을 한 시료와 No-RCA 시료를 준비하였다.
SiNx 막은 AMAT사의 P5000 PECVD 장비를 사용하여 두께 100 nm, 굴절률(reflectance index) 1.97인 막을 증착하였다[6]. 가스는 NH₃, SiH₄, N₂가 사용되었고, 가스비 조건은 NH₃/SiH₄ = 4, RF frequency 13.
97인 막을 증착하였다[6]. 가스는 NH₃, SiH₄, N₂가 사용되었고, 가스비 조건은 NH₃/SiH₄ = 4, RF frequency 13.56 MHz, 공정 압력 및 power, 온도는 각각 1.0Torr, 600W, 400℃이다.
막은 Thermal ALD 장비로 두께 20㎚ 정도로 증착하였다[4]. 가스는 TMA(tri-methyl-aluminum), H₂O, Ar(argon)이 사용되었다. 여기서 TMA는 precousor, H₂O는 reactant, Ar은 purge 용도로 사용되었다.
본 실험을 위해 Boron 도핑된 p-type 단결정 실리콘 웨이퍼(100)를 사용하였으며, 비저항은 2.0~3.0 Ωcm, 두께는 525±25 µm 였다.

성능/효과

Al₂O₃ 막 증착 후 lifetime의 열화현상 개선을 위해 PECVD 방법을 사용하여 SiNx 막을 증착한 후 시간에 따른 패시베이션 효과를 관찰하였다. Al₂O₃/SiNx의 stack 구조를 갖는 시료가 Al₂O₃ 단일막 구조 시료에 비해 시간에 따른 lifetime 감소율이 작음을 알 수 있었으며, 따라서 SiNx가 Al₂O₃ 막의 열화현상을 감소시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 3과 Fig. 4의 결과를 비교해 보면 상대적으로 Al₂O₃ 막의 어닐링 조건은 온도보다는 시간에 더 영향을 많이 받는다는 것을 확인할 수 있었다.
3은 어닐링 온도를 400℃로 고정하고, 시간을 5~25분으로 변화시키면서 lifetime의 증가율을 측정한 결과이다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 초기에는 어닐링 시간이 늘어날수록 lifetime 증가율이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 최대 증가율은 15분에서 관찰되었다. 이후 시간부터는 lifetime 증가율이 떨어지고 saturation되는 것을 볼 수 있다.
막의 후면 패시베이션 특성을 조사하였다. Thermal ALD 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime을 측정한 결과, 고정전하에 의한 전계효과 및 계면 결함 감소로 인해 소수캐리어의 lifetime이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위해 어닐링이 필수적이라는 것을 확인하였다.
6은 시간에 따른 패시베이션 효과를 알아보기 위해 SiNx 막의 유무 시료를 30일까지 관찰한 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이 Al₂O₃/SiNx의 stack 구조를 한 시료가 시간에 따른 lifetime 감소율이 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서 SiNx 막이 cell의 패시베이션에 효과가 있음을 알 수 있다.
이후 시간부터는 lifetime 증가율이 떨어지고 saturation되는 것을 볼 수 있다. 따라서 이 실험 결과를 토대로 최적의 어닐링 시간은 15분이라는 것을 알 수 있다.
이후 온도부터는 lifetime 증가율이 다시 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 실험 결과를 토대로 최적의 어닐링 온도는 400℃라는 것을 알 수 있다.
Thermal ALD 방법으로 Al₂O₃ 막을 증착한 후 lifetime을 측정한 결과, 고정전하에 의한 전계효과 및 계면 결함 감소로 인해 소수캐리어의 lifetime이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위해 어닐링이 필수적이라는 것을 확인하였다. 어닐링 공정의 주 요소인 시간과 온도에 대해 조건별 실험을 통해 Al₂O₃의 어닐링 최적 조건이 400℃, 15분임을 알 수 있었다.
또한, Al₂O₃ 막의 전계효과를 극대화하기 위해 어닐링이 필수적이라는 것을 확인하였다. 어닐링 공정의 주 요소인 시간과 온도에 대해 조건별 실험을 통해 Al₂O₃의 어닐링 최적 조건이 400℃, 15분임을 알 수 있었다. Al₂O₃ 막 증착 후 lifetime의 열화현상 개선을 위해 PECVD 방법을 사용하여 SiNx 막을 증착한 후 시간에 따른 패시베이션 효과를 관찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매년 빠르게 성장하고 있는 대표적인 그린에너지는?	고갈되는 화석연료와 지구온난화 등의 환경문제로 그린에너지에 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 태양전지는 매년 빠르게 성장하고 있으며, 결정질 태양전지는 전체 태양전지의 80% 넘게 차지하고 있을 정도로 중심에 있다고 할 수 있다. 이러한 결정질 태양전지 주도 추세는 앞으로 당분간 지속할 것으로 예측되고 있다[1-2].
	그린에너지에 관심이 증가하고 있는 이유는?	고갈되는 화석연료와 지구온난화 등의 환경문제로 그린에너지에 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 태양전지는 매년 빠르게 성장하고 있으며, 결정질 태양전지는 전체 태양전지의 80% 넘게 차지하고 있을 정도로 중심에 있다고 할 수 있다.
	결정질 태양전지는 전체 태양전지에서 몇 퍼센트를 차지하고 있는가?	고갈되는 화석연료와 지구온난화 등의 환경문제로 그린에너지에 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 태양전지는 매년 빠르게 성장하고 있으며, 결정질 태양전지는 전체 태양전지의 80% 넘게 차지하고 있을 정도로 중심에 있다고 할 수 있다. 이러한 결정질 태양전지 주도 추세는 앞으로 당분간 지속할 것으로 예측되고 있다[1-2].

참고문헌 (9)

Korea Institute of Energy Research, "PV research association workshop 2011", KIER, pp. 1-122, 2011.
Korea Photovoltaic Industry Association, "PV World Forum 2011: 1st Day - Conference Data Book", Infothe, pp. 9-188, 2011.
Erwin Kessels, "Excellent passivation of crystalline Si solar cells by atomic layer deposited $Al_2O_3$ ", Dept. of Applied Physics, Technische Universiteit Eindhoven University of technology, pp. 3-39.
Paul Poodt, "Ultrafast ALD of alumina layers for solar cell passivation", TNO Science & Industry, pp. 7-8, 2010.
H. angermann, W. Henrion, M. Rebien, and A. Roseler, "Wet-chemical passivation and characterization of silicon interfaces for solar cell applications", Solar Energy Materials & Solar Cells, 83, pp. 331-346, 2004.
R. Jayakrishnan and Prakash Suratkar, "Dielectric coating: agents for passivation and anti-reflection", J. of Photovoltaics International, Edition 6, pp. 83-86, 2009.
Wen-Ching Sun, Chien-Hsun Chen, Chien-Rong Huang, Chen-Hsun Du, T.Y. Wang, and Chung-Wen Lan, "Excellent passivation structure of high efficiency multicrystalline silicon solar cells", 33rd IEEE PVSC, 978-1-4244-1641-7, 2008.
Daniel Kania, Pierre Saint-Cast, Dirk Wagenmann, Marc Hofmann, Jochen Rentsch, and Ralf Preu, "Industrial Negatively Charged c-Si Surface Passivation by Inline PECVD AlOx", 24th EUPVSEC, pp. 2275-2278, 2009.
W.L. Chang, W.C. Sun, C.H. Lin, and C.W. Lan, "High Performance Monocrystalline Silicon Solar Cells by Using Rear Surface Passivation of $Al_2O_3$ /SiNx Stacks Structure", 23rd EUPVSEC, pp. 1349-1351, 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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