[논문]결정질 실리콘 태양전지 적용을 위한 ALD-Al2O3 패시베이션 막의 산화질화막 적층 특성

조국현; 조영준; 장효식

doi:10.3740/mrsk.2015.25.5.233

결정질 실리콘 태양전지 적용을 위한 ALD-Al2O3 패시베이션 막의 산화질화막 적층 특성
Characteristics on Silicon Oxynitride Stack Layer of ALD-Al2O3 Passivation Layer for c-Si Solar Cell 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.5, 2015년, pp.233 - 237

조국현 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 조영준 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 장효식 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon oxynitride that can be deposited two times faster than general SiNx:H layer was applied to fabricate the passivation protection layer of atomic layer deposition (ALD) $Al_2O_3$. The protection layer is deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition to protect $Al_2O_3$ passivation layer from a high temperature metallization process for contact firing in screen-printed silicon solar cell. In this study, we studied passivation performance of ALD $Al_2O_3$ film as functions of process temperature and RF plasma effect in plasma-enhanced chemical vapor deposition system. $Al_2O_3$/SiON stacks coated at $400^{\circ}C$ showed higher lifetime values in the as-stacked state. In contrast, a high quality $Al_2O_3$/SiON stack was obtained with a plasma power of 400 W and a capping-deposition temperature of $200^{\circ}C$ after the firing process. The best lifetime was achieved with stack films fired at $850^{\circ}C$. These results demonstrated the potential of the $Al_2O_3/SiON$ passivated layer for crystalline silicon solar cells.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 PERC 태양전지의 패시베이션 막 적용을 위해 ALD-Al2O3 막의 적층막인 SiON 플라즈마 증착에 따른 패시베이션 특성에 대해 조사하였다.
일반적으로, 반사방지막에 사용되는 SiNx:H막을 ALD 패시베이션 막의 보호막으로 사용하고 있으나, 본 연구에서는 SiNx:H 막보다 증착속도가 약 2배 빠른 산화질화막(oxynitride, SiON)막을 적용하여 적층막을 증착하는 과정에서 플라즈마 영향과 반응 공정온도에 따라 Al2O3 패시베이션 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

가설 설정

11) Si/Al2O3 계면에 생성된 SiO2 막은 Negative Fixed Charge 변화에 영향을 준다.

제안 방법

Group 1은 PECVD 증착공정 온도인 400 ℃와 FGA(Forming Gas Annealing) 공정 조건인 450 ℃ 그리고 소성공정조건인 850 ℃에서 RTP(Rapid Thermal Process)를 이용하여 각각 열처리 후 소수전하수명을 비교하였다.
열처리 조건에 따른 Al₂O₃ 막의 결합구조의 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 을 반사법으로 60^o에서 측정하였다. PECVD 공정 온도와 플라즈마 조건은 각각 온도는 200 ℃와 400 ℃에서 진행하였고, RF 플라즈마는 13.56 MHz, 400 W 파워에서 증착하였다. 증착 가스는 N₂(300sccm), SiH₄(15sccm), NH₃(30sccm)을 이용하여 SiNx:H막을 기본적인 조건으로 설정하여 태양전지의 특성을 확보하였고, 본 연구에서 진행된 산하질화막은 SiNx:H막의 가스비를 변형하여 같은 공정 조건에서 구성하였다.
그리고 PECVD 공정 중에 발생하는 열처리 조건을 재현하기 위해 400 ℃ 질소 분위기와 500 mtorr에서 플라즈마 인가 없이 진행하였다. 각 공정 조건은 압력과 가스 분위기를 달리하였으며, 공정의 단계에 따른 소수전하수명을 관찰하였다. 열처리 조건에 따른 Al₂O₃ 막의 결합구조의 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 을 반사법으로 60^o에서 측정하였다.
그리고 PECVD 공정 중에 발생하는 열처리 조건을 재현하기 위해 400 ℃ 질소 분위기와 500 mtorr에서 플라즈마 인가 없이 진행하였다.
산화질화막 증착에 사용되는 플라즈마의 영향성 확인을 위해 N₂(300sccm) 조건에서 플라즈마를 인가하여 QSSPC(WCT-120, Sinton) 분석을 실시하였다. 그리고 Si 표면의 수소 패시베이션을 분석하기 위해 SIMS depth profiling을 진행하였다.
, p형 실리콘 태양전지급 웨이퍼를 사용하였다. 기판 표면의 와이어 절단 손상을 제거하기 위해서 80℃ KOH(potassium hydroxide) 혼합 용액에서 에칭하였고 표면 세정을 위해 RCA(SC-1, SC-2) cleaning과 HF-dip을 진행하였다. SC1은 NH₄OH : H₂O₂ : DI water = 1 : 5 : 50의 비율에서 15분간 진행 하였고, SC-2는 HCl : H₂O₂ : DI water = 1 : 5 :50의 비율에서 15분간 진행하였다.
증착 가스는 N₂(300sccm), SiH₄(15sccm), NH₃(30sccm)을 이용하여 SiNx:H막을 기본적인 조건으로 설정하여 태양전지의 특성을 확보하였고, 본 연구에서 진행된 산하질화막은 SiNx:H막의 가스비를 변형하여 같은 공정 조건에서 구성하였다. 따라서, N₂(300sccm), SiH₄ (15sccm), NH₃(25sccm), N₂O(50sccm)을 공급하여 SiON 적층막을 형성하였다. Table 1에 일반적인 실리콘 질화 막(SiNx:H)과 산화질화막(SiON)의 증착 속도를 표시하였다.
일반적으로, 반사방지막에 사용되는 SiNx:H막을 ALD 패시베이션 막의 보호막으로 사용하고 있으나, 본 연구에서는 SiNx:H 막보다 증착속도가 약 2배 빠른 산화질화막(oxynitride, SiON)막을 적용하여 적층막을 증착하는 과정에서 플라즈마 영향과 반응 공정온도에 따라 Al₂O₃패시베이션 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 또한 SiON capping layer를 증착 하였을 경우 패시베이션에 미치는 영향을 관찰하였다.
Table 1에 일반적인 실리콘 질화 막(SiNx:H)과 산화질화막(SiON)의 증착 속도를 표시하였다. 산화질화막 증착에 사용되는 플라즈마의 영향성 확인을 위해 N₂(300sccm) 조건에서 플라즈마를 인가하여 QSSPC(WCT-120, Sinton) 분석을 실시하였다. 그리고 Si 표면의 수소 패시베이션을 분석하기 위해 SIMS depth profiling을 진행하였다.
56 MHz, 400 W 파워에서 증착하였다. 증착 가스는 N₂(300sccm), SiH₄(15sccm), NH₃(30sccm)을 이용하여 SiNx:H막을 기본적인 조건으로 설정하여 태양전지의 특성을 확보하였고, 본 연구에서 진행된 산하질화막은 SiNx:H막의 가스비를 변형하여 같은 공정 조건에서 구성하였다. 따라서, N₂(300sccm), SiH₄ (15sccm), NH₃(25sccm), N₂O(50sccm)을 공급하여 SiON 적층막을 형성하였다.

대상 데이터

ALD-Al2O3 패시베이션 막의 열 처리와 플라즈마 영향에 대한 실험을 진행하기 위해 156 × 156 mm2, p형 실리콘 태양전지급 웨이퍼를 사용하였다.

이론/모형

각 공정 조건은 압력과 가스 분위기를 달리하였으며, 공정의 단계에 따른 소수전하수명을 관찰하였다. 열처리 조건에 따른 Al₂O₃ 막의 결합구조의 변화를 관찰하기 위해 FT-IR 을 반사법으로 60^o에서 측정하였다. PECVD 공정 온도와 플라즈마 조건은 각각 온도는 200 ℃와 400 ℃에서 진행하였고, RF 플라즈마는 13.

성능/효과

200 ℃ 조건에서 capping layer를 증착한 경우 이와 반대로 capping layer 증착 과정에서 소수전하수명이 급격히 감소 하지만 소성공정 이후에는 오히려 소수전하 수명이 급격히 증가한 것을 확인하였다.
^2-6) 그리고 800 ℃이상의 온도에서 소수전하수명이 감소되는 열화현상은 실리콘 표면의 Dangling Bond와 결합한 수소들이 고온으로 인해 탈착되었기 때문이다.^5,9) 실험 결과도 마찬가지로 FGA 조건에서 가장 높은 증가율(250 %)을 보이고 소성공정 후에는 소수전하수명이 소폭 감소한 것을 확인할 수 있다. 일반적인 상용 태양전지 제조공정은 전극형성을 위해 800 ℃ 이상의 소성 공정을 거치므로 패시베이션 특성이 감소하는 열화현상이 발생할 수 있다.
FTIR 측정 결과 비정질에서 결정질로 특성이 바뀜에 따라 수소의 방출이 예상되고, SIMS(secondary ion mass spectroscopy) 측정결과 Si/Al2O3 계면에서 측정세기가 증가함으로 수소 함량이 증가된 것을 알 수 있었다.
그리고, 200 ℃ 저온에서 Al₂O₃막에 플라즈마를 인가한 경우, UV 영향에 의해 소수전하수명이 급감하였지만 고온의 400 ℃ 공정온도 조건에서는 다량의 방출된 수소가 Si/Al₂O₃계면으로 확산하여 소수전하수명을 급격히 증가시켰음을 확인하였다. SiON 막을 적층하였을 경우에도 플라즈마만 인가한 조건과 동일한 결과를 확인하여, 소수전하수명은 적층되는 막의 종류에는 영향을 거의 받지 않으며 공정온도와 플라즈마 조건에 영향을 받음을 확인하였다. 태양전지 전극 형성 온도인 소성 온도(850 ℃)에서 열처리를 진행하였을 경우, 200 ℃ 증착공정조건은 소수전하수명이 매우 크게 증가하였다.
각 조건의 Al₂O₃막의 as-dep상태 소수전하 수명 차이는 10 % 이내로 증착 상태가 비교적 균일하다고 판단하였다. 각각의 열 처리 공정 이후 정도의 차이는 있지만 전체적으로 소수전하수명은 증가 한 것으로 확인하였다. 그 이유는 열처리 후 Al₂O₃막의 Negative Fixed Charge의 증가로 인한 전계 효과(Field Effect) 와 수소 패시베이션 효과 증가 때문으로 알려져 있다.
그리고, 200 ℃ 저온에서 Al2O3 막에 플라즈마를 인가한 경우, UV 영향에 의해 소수전하수명이 급감하였지만 고온의 400 ℃ 공정온도 조건에서는 다량의 방출된 수소가 Si/Al2O3 계면으로 확산하여 소수전하수명을 급격히 증가시켰음을 확인하였다.
열처리를 진행함에 따라 소수전하수명이 급격히 증가 하였고, 특히 FGA 450 ℃ 조건에서 가장 높은 증가율을 보였다.
태양전지가 화석연료와 비교하여 신재생에너지원으로 경쟁력을 갖추기 위한 방법 중에서 효율 향상은 매우 중요한 부분이다. 현재 결정질 실리콘 태양전지는 태양전지 시장의 80 %이상으로 대부분을 차지하고 있으며, 양산되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지로 에너지변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 18~19 %, 다결정 실리콘 태양전지 16~17%로 비교적 높은 효율을 보이고 있다.¹⁾ 양산용 결정질 실리콘 태양전지 기술 개발은 주로 신뢰성 향상 및 에너지 변환효율 향상, 저가화에 역점을 두고 기술개발을 추진하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단결정 실리콘 태양전지의 에너지변환효율은?	태양전지가 화석연료와 비교하여 신재생에너지원으로 경쟁력을 갖추기 위한 방법 중에서 효율 향상은 매우 중요한 부분이다. 현재 결정질 실리콘 태양전지는 태양전지 시장의 80 %이상으로 대부분을 차지하고 있으며, 양산되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지로 에너지변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 18~19 %, 다결정 실리콘 태양전지 16~17%로 비교적 높은 효율을 보이고 있다.1) 양산용 결정질 실리콘 태양전지 기술 개발은 주로 신뢰성 향상 및 에너지 변환효율 향상, 저가화에 역점을 두고 기술개발을 추진하고 있다.
	패시베이션 특성 개선이 중요한 이유는?	태양전지의 효율을 향상시키기 위해서, 여러 공정 분야에서 연구가 진행 되고 있지만 그 중에 패시베이션을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 패시베이션 특성 개선이 중요한 이유는 결정질 실리콘의 표면의 불완전한 결합(Dangling bond)이 결함으로 작용하여 광전효과로 생성된 전자-정공 쌍이 재결합 되어 효율을 감소시키기 때문이다.2-4) 이러한 현상을 줄이기 위해 표면결함을 감소시켜주는 패시베이션 막으로 SiO2, Al2O3 막 등이 주로 사용되고 있고, 이중에서 Al2O3 막은 높은 음성고정전하(Negative Fixed Charge)와 뛰어난 계면 결함(Interface Defect Density) 감소 효과로 인해 매우 각광 받고 있다.
	ALD Al2O3 막의 열화를 줄이기 위한 방법은?	7-8) 그러나 PERC 태양전지를 상업적으로 적용하기 위해서는 전극 형성시 스크린 프린트법을 사용해야 하는데 ALD Al2O3 막은 고온의 열 처리시 패시 베이션 특성이 열화(Degradation)된다. 이러한 열화현상을 줄이고 알루미늄 페이스트로부터 보호하기 위해 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 사용 하여 SiNX, SiO2 막 등을 적층하여야 한다. 일반적으로, 반사방지막에 사용되는 SiNx:H막을 ALD 패시베이션 막의 보호막으로 사용하고 있으나, 본 연구에서는 SiNx:H 막보다 증착속도가 약 2배 빠른 산화질화막(oxynitride, SiON)막을 적용하여 적층막을 증착하는 과정에서 플라즈마 영향과 반응 공정온도에 따라 Al2O3 패시베이션 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

참고문헌 (14)

S. C. Roh and H. I. Seo, J. Semicond. Display Technol., 10, (1) March (2011).
B Liao, R Stangl, F Ma, T Mueller, F Lin, A G Aberle, C S Bhatia and B Hoex, J. Phys. D: Appl. Phys., 46, 385102 (2013).

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

상세보기
V. Naumann, M. Otto, R.B. Wehrspohn, M. Werner, C. Hagendorf, Silicon PV: April 03-05, 2012, Leuven, Belgium.
Y. Zhao, C. Zhou, X. Zhang, P. Zhang, Y. Dou, W. Wang, X. Cao, B. Wang, Y. Tang and S. Zhou, Nanoscale Res. Lett., 8, 114 (2013).

상세보기
S. Bordihn, P. Engelhart, V. Mertens, G. Kesser, D. Kohn, G. Dingemans, M. M. Mandoc, J. W. Muller and W. M. M. Kessels, Silicon PV: 17-20 April 2011, Freiburg, Germany.
S. H. Lee, J. Korean Phys. Soc., 39(2), 369 (2001).

상세보기
S. Gatz, J. Muller, T. Dullweber, and R. Brendel, Silicon PV: April 03-05, 2012, Leuven, Belgium.
B. Kafle, S. Kuehnhold, W. Beyer, S.Lindekugel, P. Saint-Cast, M. Hofmann and J. Rentsch, 27th EU PVSEC P. 1788-1792.
S. Jakschik, U. Schroeder, T. Hecht, M. Gutsche, H. Seidl and J. W. Barth, Thin Solid Films, 425, 216 (2003).

상세보기
S. Kuhnhold, P. Saint-Cast, B. Kafle, M. Hofmann, F. Colonna and M. Zacharias, J. Appl. Phys., 116, 054507 (2014).

상세보기
S. Kuhnhold, B. Kafle, L. Kroely, P. Saint-Cast, M. Hofmann, J. Rentsch and R. Preu, Energy Procedia, 27, 273 (2012).

상세보기
A. Roy Chowdhuri, C. G. Takoudis, R. F. Klie and N. D. Browning, Appl. Phys. Lett., 80, 4241 (2002).

상세보기
G. Dingemans, W. Beyer, M. C. M. van de Sanden and W. M. M. Kessels, Appl. Phys. Lett., 97, 152106 (2010).

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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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