[논문]고효율 결정질 실리콘 태양전지 적용을 위한 실리콘 산화막 표면 패시베이션

전민한; 강지윤; 박철민; 송진수; 이준신

doi:10.4313/jkem.2016.29.6.321

고효율 결정질 실리콘 태양전지 적용을 위한 실리콘 산화막 표면 패시베이션
A Review on Silicon Oxide Sureface Passivation for High Efficiency Crystalline Silicon Solar Cell 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.6, 2016년, pp.321 - 326

전민한 (성균관대학교 정보통신대학) , 강지윤 (성균관대학교 정보통신대학) , (성균관대학교 에너지과학과) , 박철민 (성균관대학교 에너지과학과) , 송진수 (신라대학교 에너지융합공학부) , 이준신 (성균관대학교 정보통신대학)

Abstract ▼ AI-Helper

Minimizing the carrier recombination and electrical loss through surface passivation is required for high efficiency c-Si solar cell. Usually, $SiN_X$, $SiO_X$, $SiON_X$ and $AlO_X$ layers are used as passivation layer in solar cell application. Silicon oxide layer is one of the good passivation layer in Si based solar cell application. It has good selective carrier, low interface state density, good thermal stability and tunneling effect. Recently tunneling based passivation layer is used for high efficiency Si solar cell such as HIT, TOPCon and TRIEX structure. In this paper, we focused on silicon oxide grown by various the method (thermal, wet-chemical, plasma) and passivation effect in c-Si solar cell.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 결정질 실리콘 표면에서의 광학적 손실에 대한 부분 [3]은 어느 정도 연구가 진행되어 있는 상황이므로, 이제는 전기적 손실을 줄이는 것이 더욱 의미있는 연구가 되리라 판단된다. 이 논문에서는 결정질 실리콘을 기반으로 하는 고효율 태양전지를 위한 실리콘 산화막 표면 passivation에 대하여 관련 연구들을 정리하였다.

제안 방법

그 후 높은 온도에서 N₂ 분위기 열처리를 해주었을 때 2-step 방법이 SRV가 더 낮은 결과를 나타냈다 [17]. Wet chemical oxidation 실리콘 산화막은 또한 heterojunction 태양전지에서 적용하여 자연 산화막과 wet-chemical 산화막의 D_it와 fixed charge를 비교분석하였다. 그 결과 화학적으로 전 처리를 해주거나 산화막을 형성시켜 주었을 때 공기 중에서 산화시켰을 때 보다 D_it가 뚜렷하게 개선되었고, positive fixed charge는 10¹¹ cm^-2 이상 포함되는 것으로 나타났다[18].
실리콘 산화막의 thermal oxidation, chemical oxidation, plasma oxidation에 대한 연구 결과들을 정리하였다. 위의 방법들로 성장시킨 실리콘 산화막들은 1×10¹⁰~10¹¹ cm^-2eV^-1 정도의 D_it 값을 가지고 있으면서, 표면 passivation을 통한 캐리어 재결합 저하, 터널링 효과를 통한 캐리어 수집 향상으로 wet chemical oxidation을 통한 실리콘 산화막은 최대 719 mV 의 iV_OC를 얻었고, plasma를 이용한 실리콘 산화막은 iV_OC 738 mV 정도로 나타났으며, Thermal SiO₂ 만을 이용했을 때에는 iV_OC 705 mV 정도로 나타났다.
Lifetime 및 iV_OC (Implied V_OC) 측정을 위해 tester (WCT-120)를 이용하였다. 실리콘 산화막의 두께는 thermal SiO₂의 경우 10 nm 성장시켜 특성을 측정하였고, chemical 및 plasma를 이용한 실리콘 산화막의 두께를 터널링 효과를 위해 2 nm 이하로 성장 시켜 특성을 조사하였다.
위의 연구들을 바탕으로 하여 n-type 실리콘 웨이퍼에 질산, 황산과 과산화수소, 탈이온수를 사용하여 실리콘 산화막을 형성한 후 인 도핑된 비정질 실리콘을 증착하여 그에 대한 특성을 측정하였다. 용액 종류와 후속 공정에 따라 특성이 변화하였고 그에 대한 결과를 그림 4에 나타내었다.

대상 데이터

Chemical 용액을 이용한 실리콘 산화막은 산소 원자가 포함된 HNO₃, H₂SO₄, DI-Water, H₂O₂와 같은 용액과 실리콘 웨이퍼가 반응하여 1~2 nm 두께의 얇은 막이 형성된다. 자연 산화막 제거를 위해 10% HF 처리를 해준 후, chemical 용액의 온도를 상승시켜 실리콘과 반응을 용이하게 한다.
실리콘 산화막인 thermal SiO₂ 성장을 위해 tube furnace를 이용하여 고순도 산소 분위기에서 진행되는 건신 산화 공정과 수증기를 공급하여 반응하는 습식 산화를 이용하였으며, 습식 산화법에 비해 건식 산화법은 산화막 성장 속도는 느리지만 조밀성이 높고 막질이 더 우수한 특성을 가지고 있다.

이론/모형

각각의 방법으로 성장시킨 산화막은 Ellipsometry를 이용하여 두께 측정을 하고, C-V 측정을 통하여 D_it (interface state density)를 계산하였다. Lifetime 및 iV_OC (Implied V_OC) 측정을 위해 tester (WCT-120)를 이용하였다.

성능/효과

실리콘 산화막의 thermal oxidation, chemical oxidation, plasma oxidation에 대한 연구 결과들을 정리하였다. 위의 방법들로 성장시킨 실리콘 산화막들은 1×10¹⁰~10¹¹ cm^-2eV^-1 정도의 D_it 값을 가지고 있으면서, 표면 passivation을 통한 캐리어 재결합 저하, 터널링 효과를 통한 캐리어 수집 향상으로 wet chemical oxidation을 통한 실리콘 산화막은 최대 719 mV 의 iV_OC를 얻었고, plasma를 이용한 실리콘 산화막은 iV_OC 738 mV 정도로 나타났으며, Thermal SiO₂ 만을 이용했을 때에는 iV_OC 705 mV 정도로 나타났다. 따라서 터널링 효과를 이용한 산화막의 이용으로 보다 고효율의 태양전지 제작이 가능할 것이다.

후속연구

위의 방법들로 성장시킨 실리콘 산화막들은 1×10¹⁰~10¹¹ cm^-2eV^-1 정도의 D_it 값을 가지고 있으면서, 표면 passivation을 통한 캐리어 재결합 저하, 터널링 효과를 통한 캐리어 수집 향상으로 wet chemical oxidation을 통한 실리콘 산화막은 최대 719 mV 의 iV_OC를 얻었고, plasma를 이용한 실리콘 산화막은 iV_OC 738 mV 정도로 나타났으며, Thermal SiO₂ 만을 이용했을 때에는 iV_OC 705 mV 정도로 나타났다. 따라서 터널링 효과를 이용한 산화막의 이용으로 보다 고효율의 태양전지 제작이 가능할 것이다.
소수 캐리어의 lifetime을 개선하기 위한 방법으로는 표면 passivation을 통해서 광생성된 캐리어의 표면 재결합을 최소화해야 하며, 반사 방지막(anti-reflection coating)을 통해 실리콘 웨이퍼에서의 빛 반사로인한 손실을 최대한 줄여야 한다. 현재 결정질 실리콘 표면에서의 광학적 손실에 대한 부분 [3]은 어느 정도 연구가 진행되어 있는 상황이므로, 이제는 전기적 손실을 줄이는 것이 더욱 의미있는 연구가 되리라 판단된다. 이 논문에서는 결정질 실리콘을 기반으로 하는 고효율 태양전지를 위한 실리콘 산화막 표면 passivation에 대하여 관련 연구들을 정리하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Field effect passivation은 무엇인가?	Field effect passivation은 전자나 정공 둘 중 한 전하가 계면에서의 positive charge 혹은 negative charge와 반발하는 원리로 재결합을 방지하는 것이다. n-type 실리콘 태양전지의 경우 정공은 전면으로 흐르며 전면의 negative charge는 전기적 흐름을 향상시킨다.
	고효율 태양전지를 제작하기 위해서는 무엇이 필요한가?	고효율 태양전지를 제작하기 위해서는 광생성된 캐리어의 전기적 손실의 최소화를 통해 소수 캐리어의 lifetime이 개선되어야 하고, 태양전지에 입사되는 빛에 대한 광학적 손실을 최대한 줄여야 한다. 소수 캐리어의 lifetime을 개선하기 위한 방법으로는 표면 passivation을 통해서 광생성된 캐리어의 표면 재결합을 최소화해야 하며, 반사 방지막(anti-reflection coating)을 통해 실리콘 웨이퍼에서의 빛 반사로인한 손실을 최대한 줄여야 한다.
	고효율 태양전지를 제작하기 위해 소수 캐리어의 lifetime을 개선하기 위한 방법은 어떤 조건을 만족해야 하는가?	고효율 태양전지를 제작하기 위해서는 광생성된 캐리어의 전기적 손실의 최소화를 통해 소수 캐리어의 lifetime이 개선되어야 하고, 태양전지에 입사되는 빛에 대한 광학적 손실을 최대한 줄여야 한다. 소수 캐리어의 lifetime을 개선하기 위한 방법으로는 표면 passivation을 통해서 광생성된 캐리어의 표면 재결합을 최소화해야 하며, 반사 방지막(anti-reflection coating)을 통해 실리콘 웨이퍼에서의 빛 반사로인한 손실을 최대한 줄여야 한다. 현재 결정질 실리콘 표면에서의 광학적 손실에 대한 부분 [3]은 어느 정도 연구가 진행되어 있는 상황이므로, 이제는 전기적 손실을 줄이는 것이 더욱 의미있는 연구가 되리라 판단된다.

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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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