[논문]결정질 실리콘 태양전지를 위한 PA-ALD Al2O3 막의 패시베이션 효과 향상 연구

송세영; 강민구; 송희은; 장효식

doi:10.4313/jkem.2013.26.10.754

결정질 실리콘 태양전지를 위한 PA-ALD Al2O3 막의 패시베이션 효과 향상 연구
Improvement on the Passivation Effect of PA-ALD Al2O3 Layer Deposited by PA-ALD in Crystalline Silicon Solar Cells 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.10, 2013년, pp.754 - 759

송세영 (충남대학교 녹색에너지기술전문대학원 녹색에너지기술학과) , 강민구 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) , 송희은 (한국에너지기술연구원 태양에너지연구단) , 장효식 (충남대학교 녹색에너지기술전문대학원 녹색에너지기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Aluminum oxide($Al_2O_3$) film deposited by atomic layer deposition (ALD) is known to supply excellent surface passivation properties on crystalline Si surfaces. Since $Al_2O_3$ has fixed negative charge, it forms effective surface passivation by field effect passivation on the rear side in p-type silicon solar cell. However, $Al_2O_3$ layer formed by ALD process needs very long process time, which is not applicable in mass production of silicon solar cells. In this paper, plasma-assisted ALD(PA-ALD) was applied to form $Al_2O_3$ to reduce the process time. $Al_2O_3$ synthesized by ALD on c-Si (100) wafers contains a very thin interfacial $SiO_2$ layer, which was confirmed by FTIR and TEM. To improve passivation quality of $Al_2O_3$ layer, the deposition temperature was changed in range of $150{\sim}350^{\circ}C$, then the annealing temperature and time were varied. As a result, the silicon wafer with aluminum oxide film formed in $250^{\circ}C$, $400^{\circ}C$ and 10 min for the deposition temperature, the annealing temperature and time, respectively, showed the best lifetime of 1.6ms. We also observed blistering with nanometer size during firing of $Al_2O_3$ deposited on p-type silicon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

을 적용한 태양전지의 고효율화에 기여할 수 있을 것으로 여겨진다. 다음 연구에서는 이러한 조건을 적용하여 태양전지의 후면 패시베이션 막으로 Al₂O₃을 적용한 후 태양전지의 전기적 특성의 변화를 알아보고자 한다.
6 ms의 유효 반송자 수명을 얻었다. 또한 결정질 실리콘 태양전지는 고온의 소성 과정을 거치므로 고온의 열처리 공정이 Al₂O₃ 막에 미치는 영향에 대해서도 연구하였다. 기존 ALD를 이용한 증착 시 Al₂O₃ 막에 발생하는 blistering의 크기에 비해 PA-ALD를 이용해 증착된 막에서 작은 크기의 blistering을 확인하였다.
본 논문에서 결정질 실리콘 태양전지에 활용하고자 PA-ALD를 이용한 Al₂O₃에 대해서 연구했다. PA-ALD를 이용한 Al₂O₃ 막의 구조를 확인하기 위해 FTIR과 TEM을 측정하여 Al₂O₃와 c-Si 계면 사이에서의 SiO₂의 생성을 확인하였다.
본 논문에서는 PA-ALD를 이용한 Al₂O₃의 패시베이션 효과를 향상시키기 위해서 공정 온도, 열처리온도 및 시간의 변화에 따른 유효 반송자 수명(effective carrier lifetime)을 측정하여 결정질 실리콘태양전지 적용을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구는 결정질 실리콘 태양전지에 Al₂O₃ 막을 적용할 때 저해 요인인 기존 ALD 방식의 공정 시간을 단축하고 온도를 낮춤으로써 Al₂O₃을 적용한 태양전지의 고효율화에 기여할 수 있을 것으로 여겨진다. 다음 연구에서는 이러한 조건을 적용하여 태양전지의 후면 패시베이션 막으로 Al₂O₃을 적용한 후 태양전지의 전기적 특성의 변화를 알아보고자 한다.
위에 언급한 패시베이션 효과를 최적화하기 위해서 후속 열처리 온도와 시간을 변화시키면서 연구를 진행하였다.
0 Å/cycle로 기존 ALD에 비해 높은 증착률을 나타냈다. 이는 기존의 ALD를 양산 공정에 적용 시 문제시 되던 긴 공정 시간을 PA-ALD 방식을 통해 해결할 수 있다는 가능성을 제시한다. 또한 막 두께는 공정 온도를 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다.
하지만 태양전지에 적용할 경우 낮은 증착률로 인한 양산화의 어려움을 가지고 있다. 이와 같은 문제를 극복하고자 본 연구에서는 PA-ALD (plasma assisted atomic layer deposition)를 사용해 Al₂O₃을 증착했다. PA-ALD는 기존의 ALD와는 다르게 플라즈마를 사용하여 증착하는 방식으로서 활성화된 반응물은 보다 빠른 증착 속도를 가진다 [5].

제안 방법

에 대해서 연구했다. PA-ALD를 이용한 Al₂O₃ 막의 구조를 확인하기 위해 FTIR과 TEM을 측정하여 Al₂O₃와 c-Si 계면 사이에서의 SiO₂의 생성을 확인하였다. 그 후 Al₂O₃ 막의 공정 조건을 확립하기 위해 PA-ALD의 공정 온도, 후속 열처리 온도 및 시간에 따른 결정질 실리콘 기판의 유효 반송자 수명의 변화에 대해 알아보았다.
열처리 온도를 300∼600℃ 사이에서 100℃씩 가변하여 15분간 수행하였고, 열처리 온도를 400℃로 고정한 후 열처리 시간을 5, 10, 15, 20분으로 가변하여 실험을 진행하였다. 각각의 열처리 공정 조건은 Al₂O₃ 막의 유효 반송자 수명 측정을 통해 패시베시션 특성을 확인하였다. 각각의 유효 반송자 수명은 실리콘 기판 위에 Al₂O₃을 양면으로 증착하여 측정하였다.
각각의 열처리 공정 조건은 Al₂O₃ 막의 유효 반송자 수명 측정을 통해 패시베시션 특성을 확인하였다. 각각의 유효 반송자 수명은 실리콘 기판 위에 Al₂O₃을 양면으로 증착하여 측정하였다. 이후 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 880℃ 온도에서 Al₂O₃ 막내의 blistering의 영향을 확인하였다.
공정 조건을 확립하기 위해서 PA-ALD의 공정 온도를 150∼350℃까지 각각 50℃씩 변화시켜 5가지 온도 조건에서 Al2O3을 증착하여 유효 반송자 수명을 측정하였고, 확산로를 사용해 열처리하였다.
PA-ALD를 이용한 Al₂O₃ 막의 구조를 확인하기 위해 FTIR과 TEM을 측정하여 Al₂O₃와 c-Si 계면 사이에서의 SiO₂의 생성을 확인하였다. 그 후 Al₂O₃ 막의 공정 조건을 확립하기 위해 PA-ALD의 공정 온도, 후속 열처리 온도 및 시간에 따른 결정질 실리콘 기판의 유효 반송자 수명의 변화에 대해 알아보았다. PA-ALD의 공정온도를 가변하여 증착하였을 때 350℃에서 가장 높은 유효 반송자 수명, 0.
이 과정을 1 cycle로 하여 공정을 반복적으로 진행하였고, 공정 완료 후 잔류 가스를 제거하였다. 그 후 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)와 TEM (transmission electron microscope)을 이용하여 Al₂O₃막의 결합 구조와 SiO₂의 물리적 두께를 확인하였다.
열처리 온도를 300∼600℃ 사이에서 100℃씩 가변하여 15분간 수행하였고, 열처리 온도를 400℃로 고정한 후 열처리 시간을 5, 10, 15, 20분으로 가변하여 실험을 진행하였다.
Si-O의 결합은 실리콘 기판과 Al₂O₃ 계면에서 SiO₂의 생성을 예측하게 한다 [4]. 이이를 확인하기 위해 TEM을 이용하여 SiO₂의 실질적 위치 확인과 물리적 두께를 측정해 보았다.
각각의 유효 반송자 수명은 실리콘 기판 위에 Al₂O₃을 양면으로 증착하여 측정하였다. 이후 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 880℃ 온도에서 Al₂O₃ 막내의 blistering의 영향을 확인하였다.
을 증착하였다. 증착 과정은 TMA (trimthylaluminum)를 주입한 후 purging을 진행하였다. 그 후 1,000 sccm의 산소 (O₂)를 주입하였고, RF power 200 W에서 O₂ 플라즈마를 유지하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 두께 600∼700 μm, 비저항 3∼7 Ω·㎝, 6인치 p-type 실리콘 기판 위에 PA-ALD를 이용하여 Al2O3을 증착하였다.
계면에서의 SiO₂는 화학적 패시베이션 효과에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 요인이다 [8]. 엘립소미터를 이용하여 측정한 광학적 두께는 약 20 nm 이였고, TEM을 이용한 Al₂O₃와 SiO₂의 물리적 두께는 각각 17.6 nm, 1.5 nm의 측정결과를 나타냈다.
의 V-VASE 엘립소미터를 사용하였고, Sinton instruments의 WCT-120의 QSS모드 (<300 μs)와 transient 모드 (>300 μs)를 사용하여 유효 반송자 수명을 측정하였다.

성능/효과

이는 결정질 실리콘 벌크의 Auger 재결합에 의한 원인으로 보고된 바 있다 [11]. 400℃에서 후속 열처리과정을 진행했을 때 공정 온도 변화에 관계없이 유효반송자 수명이 상당히 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (그림 5와 6).
Al2O3의 공정 온도가 150℃일 때 5 μs의 가장 낮은 유효 반송자 수명을 나타냈고, 공정온도가 높아짐에 따라서 유효 반송자 수명이 증가하는 경향을 보였다.
또한 결정질 실리콘 태양전지는 고온의 소성 과정을 거치므로 고온의 열처리 공정이 Al₂O₃ 막에 미치는 영향에 대해서도 연구하였다. 기존 ALD를 이용한 증착 시 Al₂O₃ 막에 발생하는 blistering의 크기에 비해 PA-ALD를 이용해 증착된 막에서 작은 크기의 blistering을 확인하였다.
본 연구에서 사용한 PA-ALD의 경우 기존의 ALD를 이용한 Al2O3 막의 증착률에 비해 상대적으로 높아진 1.75∼2.34 Å/cycle의 증착률을 보였다 [5].
소수 반송자 밀도가 (1∼3)×1015 cm-3일 경우 열처리 온도가 400℃에서 가장 좋은 유효 반송자 수명을 보였고 400℃ 이상 온도를 증가할수록 유효 반송자 수명이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
그림 8은 공정 온도를 250℃로 고정하여 증착한 후 400℃에서의 열처리 시간 가변에 따른 유효 반송자수명의 변화를 보여준다. 열처리 시간을 10분 동안 진행하여 1.6 ms의 가장 높은 유효 반송자 수명을 나타내었고 10분 이상의 열처리 시간에서는 감소하는 경향을 보였다. 이는 비정질 상태의 Al₂O₃막이 결정화되는 가장 적합한 시간이라 여겨진다.

후속연구

이는 태양전지를 제작할 경우 고온의 소성과정에서 나타나는 Al₂O₃막의 단점을 PA-ALD 방식으로 보완할 수 있다는 가능성을 제시한다. Al₂O₃ 증착 시 ALD와 PA-ALD 방식 차이가 실리콘 태양전지에 미치는 영향에 대해서는 추후에 연구를 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 산화막은 어떻게 태양 전지의 전기적 특성을 향상시키는가?	이러한 전기적 특성의 감소는 태양전지의 변환 효율을 하락시킨다. 반면 알루미늄 산화막 (Al2O3)은 fixed negative charge의 성질을 가지므로 p형 태양전지 후면에서 재결합되는 소수 캐리어인 전자를 밀어내고 다수 캐리어인 전공의 수집 확률을 상승시킴으로써 태양 전지의 전기적 특성을 향상시킨다 [2]. 이러한 패시베이션 특성의 변화는 Al2O3과 결정질 실리콘 사이에 존재하는 SiO2의 영향이라고 추측하고 있으며, SiO2의 의존성을 찾기 위한 다양한 연구가 진행 중이다 [3,4]
	결정질 실리콘 태양전지에서 패시베이션 역할을 수행하는 것은?	현재 결정질 실리콘 태양전지에서는 표면에 존재하는 결함 (dangling bond)을 제거하기 위하여 일반적으로 패시베이션 역할을 수행하는 실리콘 질화막(SiNx)과 실리콘 산화막 (SiO2)을 사용하고 있다. p형의 결정질 실리콘 태양전지의 후면에 패시베이션 막으로 fixed positive charge를 가진 SiNx을 사용하면 입사된 빛 에너지에 의해 생성된 소수 캐리어인 전자의 재결합률을 상승시킨다.
	ALD를 이용하여 Al2O3를 증착할 경우 생길 수 있는 문제는?	기존의 상용화된 ALD의 경우 용이한 막 두께 조절과 균일한 증착으로 우수한 화학적 패시베이션 효과를 얻을 수 있다. 하지만 태양전지에 적용할 경우 낮은 증착률로 인한 양산화의 어려움을 가지고 있다. 이와 같은 문제를 극복하고자 본 연구에서는 PA-ALD (plasma assisted atomic layer deposition)를 사용해 Al2O3을 증착했다.

참고문헌 (18)

S. Dauwe, L. Mittelstadt, A. Metz, and R. Hezel, Prog. Photovolt: Res. Appl., 10, 271 (2002).

상세보기
B. Hoex, S. B. Heil, E. Langereis, M. C. Van de Sanden, and W. M. Kessels, Appl. Phys. Lett., 89, 042112 (2006).

상세보기
V. Naumann, M. Otto, R. B. Whrspohn, M. Werner, and C. Hagendorf, Proc, 2nd Int. Conf. Crystalline Silicon Photovolt. Silicon PV, 27, 312 (2012).
H. Goverde, B. Vermang, A. Morato, J. Horzel, G Meneghesso, and J. Poortmans, Proc, 2nd Int. Conf. Crystalline Silicon Photovolt. Silicon PV, 27, 355 (2012).
J. L. Van Hemmen, S. B. S. Heil, J. H. Kootwijk, F. Roozeboom, C. J. Hodson, M. C. M. Van de Sanden, and W. M. M. Kessels, J . Elecrtrochem. Soc., 154, 165 (2007).
S. J. Yun, J. W. Lim, and J. H. Lee, Elecrtrochem. Solid-State Lett., 7, C13 (2004).

상세보기
J. W. Lim and S. J. Yun, Elecrtrochem. Solid-State Lett., 7, F45 (2004).

상세보기
G. Dingemans, N. M. Terlinden, M. A. Verheijen, M. C. M. Van de Sanden, and W. M. M. Kessels, Appl. Phys. Lett., 110, 093715 (2011).
G. Dingemans, W. Beyer, M. C. M. Van de Sanden, and W. M. M. Kessels, Appl. Phys. Lett., 97, 152106 (2010).

상세보기
J. J. Park, M. S. Jeong, J. K .Kim, H. D .Lee, M. G. Kang, and H. E. Song, J . KIEEME, 26, 73 (2013).

원문보기 상세보기
B. Hoex, J. Schmidt, P. Pohl, M. C. M. van de Sanden, and W. M. M. Kessels, J . Appl. phys., 104, 044903 (2008).

상세보기
P. Saint-Cast, D. Kania, M. Hofmann, J. Benick, J. Rentsch, and R. Preu, Appl. Phys. Lett., 95, 151502 (2009).

상세보기
B. Hoex, J. J. H. Gielis, M. C. M. Van de Sanden, and W. M. M. Kessels, J . Appl. Phys., 104, 113107 (2008).

상세보기
S. M. Gorge, Chem. Rev., 110, 111 (2010).

상세보기
B. Kafle, S. Kuehnhold, W. Beyer, S. Lindekugel, P. Saint-Cast, M. Hofmann, and J. Rentsch, in 27th EUPVSEC and Exhibition (2012).
G. Dingemans, P. Engelhart, R. Seguin, F. Einsele, B. Hoex, M. C. M Van de Sanden, and W. M. M. Kessels, Appl. Phys. Lett., 106, 114907 (2009).
T. Ludera, T. Lauermann, A. Zuschiag, G. Hahn, and B. Terheiden, Proc. 2nd Int. Conf. Crystalline Silicon Photovolt. Silicon PV, 27, 426 (2012).
B. Vermang, H. Goverde, A. Uruena, A. Lorenz, E. Cornagliotti, A. Rothschild, J. John, J. Poortmans, and R. Mertens, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 101, 204 (2012).

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저자의 다른 논문 :

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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