[논문]결정질 실리콘 태양전지를 위한 실리콘 질화막의 특성

박제준; 김진국; 송희은; 강민구; 강기환; 이희덕

doi:10.7836/kses.2013.33.2.011

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Silicon nitride($SiN_x:H$) deposited by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition(RF-PECVD) is commonly used for anti-reflection coating and passivation in crystalline silicon solar cell fabrication. In this paper, characteristics of the deposited silicon nitride was studi...

Silicon nitride($SiN_x:H$) deposited by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition(RF-PECVD) is commonly used for anti-reflection coating and passivation in crystalline silicon solar cell fabrication. In this paper, characteristics of the deposited silicon nitride was studied with change of working pressure, deposition temperature, gas ratio of $NH_3$ and $SiH_4$, and RF power during deposition. The deposition rate, refractive index and effective lifetime were analyzed. The (100) p-type silicon wafers with one-side polished, $660-690{\mu}m$, and resistivity $1-10{\Omega}{\cdot}cm$ were used. As a result, when the working pressure increased, the deposition rate of SiNx was increased while the effective life time for the $SiN_x$-deposited wafer was decreased. The result regarding deposition temperature, gas ratio and RF power changes would be explained in detail below. In this paper, the optimized condition in silicon nitride deposition for silicon solar cell was obtained as 1.0 Torr for the working pressure, $400^{\circ}C$ for deposition temperature, 500 W for RF power and 0.88 for $NH_3/SiH_4$ gas ratio. The silicon nitride layer deposited in this condition showed the effective life time of > $1400{\mu}s$ and the surface recombination rate of 25 cm/s. The crystalline silicon solar cell fabricated with this SiNx coating showed 18.1% conversion efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공정 압력, 증착 온도, RF(radiofrequency)power, NH₃와 SiH₄의 가스비를 변경하여 태양전지 적용을 위한 광학적 특성과 패시베이션 효과를 가진 SiN_x:H의 특성에 대하여 분석하였다.

제안 방법

결정질 실리콘 태양전지 제작에 적용할 실리콘 질화막(SiN_x:H)의 공정 파라미터들을 변경하여 그에 따른 증착률, 굴절률, 유효 반송자 수명(τ_eff)을 분석하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 시료는 단면이 polishing된 두께 660-690㎛, 비저항 1-10Ω·㎝인 6인치 크기의 (100) p형 실리콘 웨이퍼이다. 웨이퍼는 30초간 10%의 HF용액에서 표면에 존재하는 자연 산화막을 제거한 후 13.

데이터처리

의 V-VASE로 측정하였고 표면 재결합 속도(Surfacerecombinationvelocity)를 얻기 위한 유효 반송자 수명(Effectivelifetime)은QSSPC(Quasi-steady-statephotoconductance)방식인 Sintoninstruments의 WCT-120으로 도출하였다. 또한 가스비에 따른 SiN_x:H 내의 수소 결합 구조는 Shimadzu의 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fouriertransform infrared spectroscopy)인 IRprestige-21에 의해서 분석되었고 그에 따른 수소함유량을 계산하였다.

이론/모형

(Table.2)증착 온도, 공정 압력, RF power, 공정 가스비에 따른 SiN_x:H의 굴절률과 두께는 분광 분석용 엘립소미터(Spectroscopic ellipsometer)인 J.A.Woollam Co.,Inc.의 V-VASE로 측정하였고 표면 재결합 속도(Surfacerecombinationvelocity)를 얻기 위한 유효 반송자 수명(Effectivelifetime)은QSSPC(Quasi-steady-statephotoconductance)방식인 Sintoninstruments의 WCT-120으로 도출하였다. 또한 가스비에 따른 SiN_x:H 내의 수소 결합 구조는 Shimadzu의 퓨리에 변환 적외선 분광기(Fouriertransform infrared spectroscopy)인 IRprestige-21에 의해서 분석되었고 그에 따른 수소함유량을 계산하였다.

성능/효과

RF power가 500W 일 때 τ_eff이 상대적으로 높게 나타났고 그 이상의 출력에서 공정을 진행하면 τ_eff이 감소하였으며, 증착률의 경우 RF power가 상승할수록 증가하는 경향을 보였다. NH₃의 가스량을 조절하여 굴절률을 2.3에서 1.9까지 0.1단위로 변화되는 가스비 조건을 맞춰 가스비가 증가할수록(굴절률이 감소할수록) 증착률과 굴절률 모두 감소함을 확인하였다. 가스비(NH₃/SiH₄) 0.
또한 증착 온도가 250°C에서 400°C까지 증가할수록 증착률은 감소하고 굴절률과 τ_eff은 증가하였다. RF power가 500W 일 때 τ_eff이 상대적으로 높게 나타났고 그 이상의 출력에서 공정을 진행하면 τ_eff이 감소하였으며, 증착률의 경우 RF power가 상승할수록 증가하는 경향을 보였다. NH₃의 가스량을 조절하여 굴절률을 2.
1단위로 변화되는 가스비 조건을 맞춰 가스비가 증가할수록(굴절률이 감소할수록) 증착률과 굴절률 모두 감소함을 확인하였다. 가스비(NH₃/SiH₄) 0.88일 때, 즉 굴절률 2.2에서 MCD가 5.0×10¹⁵cm^-3가 주어졌을 때 1300㎲이상의 가장 높은 유효 반송자 수명을 얻었으며, 이 때의 표면 재결합 속도(S_eff)는 약 25cm/s였다.
공정 압력이 1.0Torr에서 1.6Torr까지 0.2Torr씩 증가할 때 SiN_x:H의 증착률은 상승하였고 τ_eff은 감소하였다. 또한 증착 온도가 250°C에서 400°C까지 증가할수록 증착률은 감소하고 굴절률과 τ_eff은 증가하였다.
2Torr씩 증가할 때 SiN_x:H의 증착률은 상승하였고 τ_eff은 감소하였다. 또한 증착 온도가 250°C에서 400°C까지 증가할수록 증착률은 감소하고 굴절률과 τ_eff은 증가하였다. RF power가 500W 일 때 τ_eff이 상대적으로 높게 나타났고 그 이상의 출력에서 공정을 진행하면 τ_eff이 감소하였으며, 증착률의 경우 RF power가 상승할수록 증가하는 경향을 보였다.

후속연구

본 실험에서는 공정 파라미터의 변경을 통한 결정질 실리콘 태양전지에 적용이 가능한 최적화된 SiN_x:H의 특성을 분석하였고 향후 실험 데이터를 바탕으로 굴절률이 서로 다른 SiN_x:H을 이층 구조로 증착하여 실리콘 웨이퍼 표면에서의 패시베이션 특성 향상과 평균 반사도 저감을 통한 태양전지 효율 향상에 기여할 수 있는 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유효 반송자 수명의 역수는 어떻게 표현할 수 있는가?	유효 반송자 수명(Effectivecarrierlifetime, τeff)의 역수는 식(1)과 같이 시료의 벌크 반송자 수명(Bulkcarrierlifetime, τbulk)과 표면 반송자 수명(Surfacecarrierlifetime, τsurface)의 각각의 역수의 합으로 표현할 수 있다.이동거리는 시간과 속력의 곱이므로 τsurface은 표면 재결합속도(Seff)와 웨이퍼의 두께(W)로 나타낼 수 있다.
	태양전지는 무엇인가?	태양전지는 외부로부터 입사된 빛에 의해 전자-전공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되어 부하를 연결하면 전기가 발생하는 소자이다.외부로부터 입사된 빛이 태양전지 표면에서의 반사로 인해 태양전지 내부로 입사되는 광량이 감소하고, 태양전지 제작 시 사용된 실리콘 웨이퍼의 결함(defect)들로 인해 광생성된 전자-전공 쌍을 재결합시켜 태양전지 효율 하락을 초래한다.
	실리콘 질화막은 어떤 문제점을 보완할 수 있는가?	태양전지는 외부로부터 입사된 빛에 의해 전자-전공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되어 부하를 연결하면 전기가 발생하는 소자이다.외부로부터 입사된 빛이 태양전지 표면에서의 반사로 인해 태양전지 내부로 입사되는 광량이 감소하고, 태양전지 제작 시 사용된 실리콘 웨이퍼의 결함(defect)들로 인해 광생성된 전자-전공 쌍을 재결합시켜 태양전지 효율 하락을 초래한다.이러한 문제점을 보완할 수 있는 실리콘 질화막(SiNx:H)은 태양전지 산업에서 보편적으로 사용되고 있으며,결정질 실리콘 태양전지 제작에 있어서 매우 중요한 요소이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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