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문제 정의
- 본 논문에서는 고주파 PECVD를 사용해 SiNx막의 증착 조건에 따른 특성에 대해 조사하고자 하였다[5]. PECVD 공정에서 RF(radio frequency) power는 막 특성을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다.
- 본 논문에서는 고주파 PECVD 사용하여 RF power에 따른 SiNx막의 특성에 대해 조사하였다. RF power를 변화시켜 SiNx막을 증착한 후 굴절률, 식각률 등 막 특성을 조사하였으며, 소수캐리어 수명 측정을 통해 패시베이션 특성을 연구하였다.
제안 방법
- 비저항 3.0-12.0 Ω·cm, 두께180 µm를 갖는 156 × 156 mm2 CZ[100] n-type 단결정 실리콘 Solar wafer를 사용하여 Bare → SDR → Texturing → SiNx 순으로 공정을 진행하였고, 각 공정마다 Microwave Photoconductive Decay(ìw-PCD) 방법(SEMILAB, WT-1000)을 사용하여 소수캐리어 수명을 측정하였다[7].
- 비저항 0.5-3.0 Ω·cm, 두께200±20 µm를 갖는 156 × 156 mm2 CZ [100] p-type 단결정 실리콘 Solar wafer를 사용하였으며, SDR(saw damage removal) 후 KOH를 사용하여Texturing 공정을 수행하였다.
- PECVD 공정에서 RF(radio frequency) power는 막 특성을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 따라서 RF power를 변화시켜 SiNx막을 증착한 후 굴절률(refractive index), 식각률(etch rate) 등 막 특성을 조사하였으며, 소수캐리어 수명 측정을 통해 패시베이션 특성을 연구하였다. 마지막으로 태양전지를 직접 제작하여 SiNx막의 RF power 별 셀(cell) 효율을 측정 및 비교하였다.
- 따라서 RF power를 변화시켜 SiNx막을 증착한 후 굴절률(refractive index), 식각률(etch rate) 등 막 특성을 조사하였으며, 소수캐리어 수명 측정을 통해 패시베이션 특성을 연구하였다. 마지막으로 태양전지를 직접 제작하여 SiNx막의 RF power 별 셀(cell) 효율을 측정 및 비교하였다.
- Table 1은 고주파 PECVD SiNx막의 특성을 조사하기 위한 실험 순서이다. 굴절률, 식각률 등 막 자체 특성을 위한 실험과 소수캐리어 수명 측정을 통한 패시베이션 특성 조사를 위한 실험으로 구성되었다. RF power별 SiNx 막의 굴절률과 식각률을 측정하기 위해 8inch CZ [100] p-type 단결정 실리콘 반도체 wafer를 사용하였다.
- 굴절률과 식각률 측정은 RF power별 증착된 SiNx 막을 BOE(Buffered Oxide Etchant, 100 : 1)에 5분 동안 식각을 하였고, 식각 전 SiNx 막과 BOE 식각 후 SiNx 막에 대해서 Ellipsometer로 632.8 nm 파장에서 굴절률과 두께를 측정하였다[6].
- 패시베이션 특성 조사를 위한 소수캐리어 수명 측정을 위해서는 SiNx 막이 n-type emitter 위에 형성되는 것을 고려하여 n-type wafer를 사용하였다. 비저항 3.
- 0(Ω/□)의 n+ emitter층을 형성하였다. 도핑 과정에서 생긴 부산물인 PSG(Phosphorus Silicate Glass) 제거를 한 후, 반사방지막 형성을 위해 SiNx 막을 RF power별로 100 nm증착하였다. 그 후, 전극 형성을 위해 Screen Printing 방식으로 전면에는 Ag, 후면에는 Al 전극을 인쇄하였다.
- 그 후, 전극 형성을 위해 Screen Printing 방식으로 전면에는 Ag, 후면에는 Al 전극을 인쇄하였다. 전극과 Si substrate의 접촉을 위해 belt형 furnace로 firing공정을 수행하였다. 마지막으로 누설을 막기 위해 532nm green 레이저로 isolation 하였다.
- 본 논문에서는 고주파 PECVD 사용하여 RF power에 따른 SiNx막의 특성에 대해 조사하였다. RF power를 변화시켜 SiNx막을 증착한 후 굴절률, 식각률 등 막 특성을 조사하였으며, 소수캐리어 수명 측정을 통해 패시베이션 특성을 연구하였다.
- SiNx 막의 증착 조건이 셀의 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해서 실제 태양전지를 제작하여 셀 효율을 측정하였다. Table 4는 RF power 별로 제작한 셀의 평균 Voc, Isc, FF, 변환효율 등의 특성을 나타낸 것이다.
- 또한 태양전지를 직접 제작하여 SiNx막의 RF power 조건별 셀 효율을 측정 및 비교하였다. 식각률이 낮은, 즉 상대적으로 밀도가 높은 SiNx 막에서 높은 굴절률을 갖는 경향을 관찰할 수 있었으며, 550W 조건에서 증착된 SiNx 막이 굴절률은 2.
- 완성된 셀은 성능 평가를 위해 solar simulator로 1SUN(1000 W/m2), AM 1.5, 25℃ 조건에서 Voc, Isc, FF(fill factor), 변환효율 등을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 굴절률, 식각률 등 막 자체 특성을 위한 실험과 소수캐리어 수명 측정을 통한 패시베이션 특성 조사를 위한 실험으로 구성되었다. RF power별 SiNx 막의 굴절률과 식각률을 측정하기 위해 8inch CZ [100] p-type 단결정 실리콘 반도체 wafer를 사용하였다.
- SiNx 막은 13.56 MHz의 고주파 PECVD 장비(AMAT, P-5000)를 사용하였으며, RF power를 210W, 380 W, 550 W, 720 W로 변화시켜 두께 100 nm증착하였다. 가스는 NH3(ammonia), SiH4(silane), N2(nitrogen)가 사용되었고, NH3/SiH4 가스비(gas ratio), 공정압력(pressure), showerhead와 wafer의 간격(susceptor spacing)와 온도(temperature)는 Table 2와 같다.
- 56 MHz의 고주파 PECVD 장비(AMAT, P-5000)를 사용하였으며, RF power를 210W, 380 W, 550 W, 720 W로 변화시켜 두께 100 nm증착하였다. 가스는 NH3(ammonia), SiH4(silane), N2(nitrogen)가 사용되었고, NH3/SiH4 가스비(gas ratio), 공정압력(pressure), showerhead와 wafer의 간격(susceptor spacing)와 온도(temperature)는 Table 2와 같다.
성능/효과
- SiNx막의 밀도, 즉 기공(pore)을 포함한 정도는 BOE를 사용한 식각률을 보고 상대적으로 판단할 수 있는데, BOE 식각률이 낮을수록 밀도가 높은, 즉 기공이 적은 SiNx막이라고 할 수 있다[8-10]. SiNx 막이 dense 할수록 막질과 패시베이션 효과가 우수하다고 알려져 있어, 본 실험결과 최적의 RF power 조건은 550 W라고 할 수 있다. 실제로 550 W에서 굴절률은 2.
- 특히, 550 W 증착 조건에서 6.61 µs로 소수캐리어 수명이 가장 높게 나왔으며, 이것은 Fig. 2의 굴절률과 식각률 측정 결과와 같이550 W 조건에서 SiNx막이 최적임을 알게 해준다.
- 이는 앞선 굴절률과 식각률, 소수캐리어 수명 측정 실험결과의 결론과 동일하다. 따라서, 550 W 조건의 SiNx 막이 가장 우수하다는 것을 확인할 수 있었으며, SiNx 막이 dense할수록 막질과 패시베이션 효과가 우수하다는 것을 셀 제작을 통해 알 수 있었다. Fig.
- RF power별 소수캐리어 수명을 비교한 결과, 550 W 조건에서 SiNx 막 증착 후 6.61 µs로 가장 높게 측정되었다.
- 또한 태양전지를 직접 제작하여 SiNx막의 RF power 조건별 셀 효율을 측정 및 비교하였다. 식각률이 낮은, 즉 상대적으로 밀도가 높은 SiNx 막에서 높은 굴절률을 갖는 경향을 관찰할 수 있었으며, 550W 조건에서 증착된 SiNx 막이 굴절률은 2.07로 높고, 식각률은 27.06 Å/min로 낮아서 가장 dense한 막임을 알 수 있었다.
- 최종적으로 셀을 제작하여 효율을 측정한 결과, 550 W조건의 SiNx막을 가진 셀이 16.98%로 가장 높은 효율을 나타내었으며, Voc, Isc, FF도 상대적으로 모두 높은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 굴절률과 식각률, 소수캐리어 수명 실험에서 예측된 결과로서, 본 연구에서 수행한 RF power 조건 중550 W 가 최적임을 알 수 있었다.
- 98%로 가장 높은 효율을 나타내었으며, Voc, Isc, FF도 상대적으로 모두 높은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 굴절률과 식각률, 소수캐리어 수명 실험에서 예측된 결과로서, 본 연구에서 수행한 RF power 조건 중550 W 가 최적임을 알 수 있었다.
- 2에 도시하였다. 측정 결과 RF power가 증가함에 따라 굴절률은 높아지고, 식각률은 낮아지는 경향을 확인 할 수 있었다.
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