[논문]N-type 결정질 실리콘 태양전지 응용을 위한 Al2O3 박막의 패시베이션 특성 연구

정명일; 최철종

doi:10.6111/jkcgct.2014.24.3.106

N-type 결정질 실리콘 태양전지 응용을 위한 Al2O3 박막의 패시베이션 특성 연구
Passivation property of Al2O3 thin film for the application of n-type crystalline Si solar cells 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.24 no.3, 2014년, pp.106 - 110

정명일 (전북대학교 반도체화학공학부) , 최철종 (전북대학교 반도체화학공학부)

초록
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Atomic layer deposition(ALD)을 이용하여 $Al_2O_3$ 박막을 형성하고 이에 대한 패시베이션 특성에 대한 연구를 수행하였다. ALD로 증착된 $Al_2O_3$ 박막은 $400^{\circ}C$ 5분간 후속 열처리 공정 후에도 $Al_2O_3$ - 실리콘 계면 반응 없이 비정질 상태를 유지할 만큼 구조적으로 안정한 특성을 나타내었다. 후속 열처리 후 $Al_2O_3$ 박막의 패시베이션 특성이 향상되었으며, 이는 field effective 패시베이션과 화학적 패시베이션 효과가 동시에 상승에 기인하는 것으로 판단된다. $Al_2O_3$ 박막의 음고정 전하를 정량적으로 평가하기 위해서 후속 열처리 공정을 거친 $Al_2O_3$ 박막을 이용하여 metal-oxide-semiconductor(MOS) 소자를 제작하고 capacitance-voltage(C-V) 분석을 수행하였다. C-V 결과로부터 추출된 flatband voltage($V_{FB}$)와 equivalent oxide thickness(EOT)의 관계식을 통하여 $Al_2O_3$ 박막의 고정음전하는 $2.5{\times}10^{12}cm^{-2}$로 계산되었으며, 이는 본 연구에서 제시된 $Al_2O_3$ 박막 공정이 N-type 실리콘 태양전지의 패시베이션 공정에 응용 가능하다는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The passivation property of $Al_2O_3$ thin film formed using atomic layer deposition (ALD) for the application of crystalline Si solar cells was investigated using microwave photoconductance decay (${\mu}$-PCD). After post-annealing at $400^{\circ}C$ for 5 min, $Al_2O_3$ thin film exhibited the structural stability having amorphous nature without the interfacial reaction between $Al_2O_3$ and Si. The post-annealing at $400^{\circ}C$ for 5 min led to an increase in the relative effective lifetime of $Al_2O_3$ thin film. This could be associated with the field effective passivation combined with surface passivation of textured Si. The capacitance-voltage (C-V) characteristics of the metal-oxide-semiconductor (MOS) with $Al_2O_3$ thin film post-annealed at $400^{\circ}C$ for 5 min was carried out to evaluate the negative fixed charge of $Al_2O_3$ thin film. From the relationship between flatband voltage ($V_{FB}$) and equivalent oxide thickness (EOT), which were extracted from C-V characteristics, the negative fixed charge of $Al_2O_3$ thin film was calculated to be $2.5{\times}10^{12}cm^{-2}$, of which value was applicable to the passivation layer of n-type crystalline Si solar cells.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ALD를 이용하여 증착된 Al₂O₃ 박막에 대한 패시베이션 특성에 대하여 연구하였다. 400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al₂O₃ 박막은 Al₂O₃ - 실리콘 계면 반응 없이 비정질 상태를 유지하였다.
따라서 N-type 실리콘 태양전지의 에너지 변환 효율의 극대화를 위해 더욱더 발전된 고품질 패시베이션 공정 기술에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다[9, 10]. 본 연구에서는 N-type 실리콘 태양전지에 가장 널리 사용되고 있는 Al₂O₃박막의 패시베이션 특성에 대해 연구하였다. 또한, Metal-Oxide-Semiconductor(MOS) 소자를 제작하여 Al₂O₃패시베이션 박막의 음전하를 정량적 평가하였다.

제안 방법

Al₂O₃ 박막의 패시베이션 특성을 좌우하는 음고정전하에 대한 정량적인 평가를 위해서 ALD를 이용하여 다양한 두께(9.2~10.7 nm)로 Al₂O₃ 박막을 증착하고 400℃에서후속 열처리 공정을 진행한 후 100 nm 두께의 백금(Pt) 금속 전극을 상부 및 하부에 형성하여 Fig. 4에 삽입된 그림과 같은 구조로 MOS 소자를 제작하고 capacitancevoltage(C-V) 분석을 수행하였다. 백금 금속 전극 면적은 300 × 300 μm²이며 Photolithography 공정을 이용하여 패터닝하였다.
비등방석 식각으로 인하여 실리콘 표면에 무수히 많은 피라미드 형태의 구조가 형성된 것을 관찰할 수 있다. SDR 및 텍스쳐링 공정을 수행한 후 Al₂O₃ 박막을 이용하여 패시베이션 공정을 진행하였다. Al₂O₃박막은 atomic layer deposition(ALD) 장비를 사용하여 250℃에서 증착하였으며, precursor로 tri-methylaluminum(TMA), reactant로 H₂O, purge gas로 Ar을 사용하였다.
먼저 SPM (Surfuric acid peroxide mixture) 용액(H₂SO₄ : H₂O₂ =1 : 1)과 HPM(Hydrochloric acid and peroxide mixture) 용액(H₂O:H₂O₂ : HCl = 6 : 1 : 1)을 이용하여 실리콘 기판을 세정 한 후 Buffered Oxide Etchant(BOE)를 사용하여기판 표면에 존재하는 자연산화막을 제거하였다. 다음으로 45 % KOH 용액을 이용하여 80℃에서 3분 동안 saw damage removal(SDR)을 진행한 후 초순수로 세정하였다. 마지막으로 85℃에서 20 wt% tetramethylammonium hydoroxide(TMAH)와 isopropyl alcohol(IPA), H₂O의 혼합용액에 30분간 식각하여 실리콘 표면의 텍스처링 공정을 진행하였다.
본 연구에서는 N-type 실리콘 태양전지에 가장 널리 사용되고 있는 Al₂O₃박막의 패시베이션 특성에 대해 연구하였다. 또한, Metal-Oxide-Semiconductor(MOS) 소자를 제작하여 Al₂O₃패시베이션 박막의 음전하를 정량적 평가하였다.
증착된 Al₂O₃ 박막의 두께와 유효 소수 캐리어 수명은 각각 ellipsometry 와 microwave photoconductance decay(μ-PCD)를 이용 하여 평가하였다. 또한, transmission electron microscope (TEM)를 이용하여 Al₂O₃ 박막의 미세 구조를 분석하였다.
다음으로 45 % KOH 용액을 이용하여 80℃에서 3분 동안 saw damage removal(SDR)을 진행한 후 초순수로 세정하였다. 마지막으로 85℃에서 20 wt% tetramethylammonium hydoroxide(TMAH)와 isopropyl alcohol(IPA), H₂O의 혼합용액에 30분간 식각하여 실리콘 표면의 텍스처링 공정을 진행하였다. Fig.
5~3 cm과 200 μm였다. 먼저 SPM (Surfuric acid peroxide mixture) 용액(H₂SO₄ : H₂O₂ =1 : 1)과 HPM(Hydrochloric acid and peroxide mixture) 용액(H₂O:H₂O₂ : HCl = 6 : 1 : 1)을 이용하여 실리콘 기판을 세정 한 후 Buffered Oxide Etchant(BOE)를 사용하여기판 표면에 존재하는 자연산화막을 제거하였다. 다음으로 45 % KOH 용액을 이용하여 80℃에서 3분 동안 saw damage removal(SDR)을 진행한 후 초순수로 세정하였다.
백금 금속 전극 면적은 300 × 300 μm2이며 Photolithography 공정을 이용하여 패터닝하였다.
증착된 Al2O3 박막의 두께와 유효 소수 캐리어 수명은 각각 ellipsometry 와 microwave photoconductance decay(μ-PCD)를 이용 하여 평가하였다.
400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al₂O₃ 박막의 패시베이션 특성은 향상되었으며, 이는 Al₂O₃ 박막의 음고정전하가 증가하고 계면 결함 밀도는 감소하였기 때문으로 판단된다. 후속 열처리 공정을 거친 Al₂O₃ 박막에 대한 음고정전하를 정량적으로 평가하기 위해서 이를 이용하여 MOS 소자를 제작하고 C-V 특성을 분석하였다. C-V 특성 곡선으로부터 얻어진 VFB와 EOT 값들부터 후속 열처리 공정 후 Al2O3 박막의 음고정전하는 2.

대상 데이터

SDR 및 텍스쳐링 공정을 수행한 후 Al₂O₃ 박막을 이용하여 패시베이션 공정을 진행하였다. Al₂O₃박막은 atomic layer deposition(ALD) 장비를 사용하여 250℃에서 증착하였으며, precursor로 tri-methylaluminum(TMA), reactant로 H₂O, purge gas로 Ar을 사용하였다. Al₂O₃ 박막 증착 후 400℃에서 5분간 N2 분위기에서 후속 열처리 공정을 진행하였다.
본 연구에서는 붕소(boron)가 도핑된 P 형 (100) CZ 단결정 실리콘 기판을 사용하였다. 실리콘 기판의 비저항과 두께는 각각 0.

성능/효과

즉, 후속 열처리 시 Al₂O₃박막의 열적 열화 현상은 없는 것을 알 수 있었다. 400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al₂O₃ 박막의 패시베이션 특성은 향상되었으며, 이는 Al₂O₃ 박막의 음고정전하가 증가하고 계면 결함 밀도는 감소하였기 때문으로 판단된다. 후속 열처리 공정을 거친 Al₂O₃ 박막에 대한 음고정전하를 정량적으로 평가하기 위해서 이를 이용하여 MOS 소자를 제작하고 C-V 특성을 분석하였다.
3은 ALD를 이용하여 증착된 Al₂O₃ 박막의 패시베이션 특성을 보여주는 결과이다. Al₂O₃박막을 9.2 nm 두께(Ellipsometry로 측정)로 증착 한 후 증착 전과 비교해 보면, Al₂O₃ 박막 증착 후 유효 소수 캐리어 수명이 크게 향상된 것을 알 수 있다(Fig. 3(a)).
5 × 10¹² cm⁻²으로 이 값은 기존에 20 % 이상의 고효율을 갖는 N-type 실리콘 태양전지에서 보고된 값과 비교적 잘 일치하였다[19]. 따라서 본 연구에서 연구된 Al₂O₃ 박막이 N-type 실리콘 태양전지의 패시베이션 공정에 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
즉, TEM과 Ellipsometry의 측정 시 발생할 수 있는 오차를 고려할 때 두 방법으로 계산된 Al₂O₃박막의 두께는 서로 동일한 것으로 판단된다. 또한, Al₂O₃ 박막과 실리콘 기판 사이에 층간 생성물이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
5 × 10¹²cm⁻²으로 계산되었다. 이는 본 연구에서 보고하는 Al₂O₃ 박막 공정이 고효율 N-type 실리콘 태양전지의 패시베이션 공정에 효과적으로 적용 가능하다는 것을 의미한다.
400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al₂O₃ 박막은 Al₂O₃ - 실리콘 계면 반응 없이 비정질 상태를 유지하였다. 즉, 후속 열처리 시 Al₂O₃박막의 열적 열화 현상은 없는 것을 알 수 있었다. 400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al₂O₃ 박막의 패시베이션 특성은 향상되었으며, 이는 Al₂O₃ 박막의 음고정전하가 증가하고 계면 결함 밀도는 감소하였기 때문으로 판단된다.
이는 열처리 과정을 거친 A_l2O₃ 박막의 음고정전하가 증가하고, 실리콘과 Al₂O₃ 박막 계면에서의 결함 밀도가 적어지는 특성으로 인해 나타나는 현상으로 사료된다[15, 16]. 즉, 후속 열처리 후 field effective 패시베이션과 화학적 패시베이션 효과가 동시에 상승하여 Al₂O₃박막의 패시베이션 특성이 향상되는 것으로 여겨진다. 부가적으로 다양한 두께 (9.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ALD를 이용하여 증착된 Al2O3 박막에 대한 패시베이션 특성에 대한 연구의 결과는?	ALD를 이용하여 증착된 Al2O3 박막에 대한 패시베이션 특성에 대하여 연구하였다. 400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al2O3 박막은 Al2O3 - 실리콘 계면 반응 없이 비정질 상태를 유지하였다. 즉, 후속 열처리 시 Al2O3박막의 열적 열화 현상은 없는 것을 알 수 있었다. 400℃ 5분간 후속 열처리 공정 후 Al2O3 박막의 패시베이션 특성은 향상되었으며, 이는 Al2O3 박막의 음고정전하가 증가하고 계면 결함 밀도는 감소하였기 때문으로 판단된다. 후속 열처리 공정을 거친 Al2O3 박막에 대한 음고정전하를 정량적으로 평가하기 위해서 이를 이용하여 MOS 소자를 제작하고 C-V 특성을 분석하였다. C-V 특성 곡선으로부터 얻어진 VFB와 EOT 값들부터 후속 열처리 공정 후 Al2O3 박막의 음고정전하는 2.5 × 1012 cm−2으로 계산되었다. 이는 본 연구에서 보고하는 Al2O3 박막 공정이 고효율 N-type 실리콘 태양전지의 패시베이션 공정에 효과적으로 적용 가능하다는 것을 의미한다.
	실리콘 태양전지는 현재 어떤 기반의 태양전지가 주류인가?	현재 실리콘 태양전지는 P-type 실리콘 기반의 태양전지가 주류를 이루고 있으며, 이에 대한 고효율화는 기반 소재 및 공정개선을 통해 괄목할만한 성장세를 보이고 있다. 그러나, 20 % 이상의 에너지 변환 효율을 갖는 고효율 태양전지를 구현하기 위해서는 추가적인 공정비용 상승과 더불어 제조 시간이 증가하는 문제점을 수반하며, 이는 P-type 실리콘의 물질적 특성 한계 때문으로 보고 되고 있다.
	표면 패시베이션 방법은 어떤 기술이라 할 수 있는가?	더욱더 높은 에너지 변환 효율을 갖는 N-type 실리콘 태양전지를 구현하기 위해서 P-type 실리콘 태양전지 제작 공정과 마찬가지로 표면 조직화, 반사 방지막 증착, 종횡비가 높은 전면전극, 선택적 에미터, 후면전계(Back surface field) 그리고 표면 패시베이션(Surface passivation) 기술이 사용되고 있다[7, 8]. 이 중에 표면 패시베이션 방법은 광전효과로 생성된 소수 캐리어의 재결합을 줄임으로써 효율을 높이는 방법으로 N-type 실리콘 태양전지 고효율화에 필수적인 기술이라 할 수 있다. 따라서 N-type 실리콘 태양전지의 에너지 변환 효율의 극대화를 위해 더욱더 발전된 고품질 패시베이션 공정 기술에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다[9, 10].

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표제어: PCR

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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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