Laser-doped selective emitter process requires dopant source deposition, spin-on-glass, and is able to form selective emitter through SiNx layer by laser irradiation on desired locations. However, after laser doping process, the remaining dopant layer needs to be washed out. Laser-induced melting of...
Laser-doped selective emitter process requires dopant source deposition, spin-on-glass, and is able to form selective emitter through SiNx layer by laser irradiation on desired locations. However, after laser doping process, the remaining dopant layer needs to be washed out. Laser-induced melting of pre-deposited impurity doping is a precise selective doping method minimizing addition of process steps. In this study, we introduce a novel scheme for fabricating highly efficient selective emitter solar cell by laser doping. During this process, laser induced damage induces front contact destabilization due to the hindrance of silver nucleation even though laser doping has a potential of commercialization with simple process concept. When the laser induced damage is effectively removed using solution etch back process, the disadvantage of laser doping was effectively removed. The devices fabricated using laser doping scheme power conversion efficiency was significantly improved about 1% abs. after removal the laser damages.
Laser-doped selective emitter process requires dopant source deposition, spin-on-glass, and is able to form selective emitter through SiNx layer by laser irradiation on desired locations. However, after laser doping process, the remaining dopant layer needs to be washed out. Laser-induced melting of pre-deposited impurity doping is a precise selective doping method minimizing addition of process steps. In this study, we introduce a novel scheme for fabricating highly efficient selective emitter solar cell by laser doping. During this process, laser induced damage induces front contact destabilization due to the hindrance of silver nucleation even though laser doping has a potential of commercialization with simple process concept. When the laser induced damage is effectively removed using solution etch back process, the disadvantage of laser doping was effectively removed. The devices fabricated using laser doping scheme power conversion efficiency was significantly improved about 1% abs. after removal the laser damages.
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문제 정의
spin-on-glass 방법은 몇가지 다양한 공정을 거쳐야 하고 재료의 값이 비싸다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 레이져를 PSG 필름에 직접 조사하여 선택적 도핑을 하는 방법으로 태양전지를 제작한 결과를 소개하며 레이져를 사용하여 도핑을 할 때 나타날 수 있는 손상문제를 해결하는 방법에 대해 토론하고자 한다. 이를 위해 용액 공정을 이용하여 선택적 도핑 후 PSG와 손상영역을 동시에 효과적으로 제거하는 공정을 소개하고자 한다.
본 연구에서는 선택적 도핑을 적용한 태양전지의 제작에 관해 소개하였다. PSG 필름에 직접 레이져를 조사하여 간단한 공정으로 선택적 에미터를 구현하였으며 PSG와 레이져 손상을 동시에 제거하기 위해 용액공정을 도입하여 태양전지를 제작하였다.
제안 방법
본 연구에서는 선택적 도핑을 적용한 태양전지의 제작에 관해 소개하였다. PSG 필름에 직접 레이져를 조사하여 간단한 공정으로 선택적 에미터를 구현하였으며 PSG와 레이져 손상을 동시에 제거하기 위해 용액공정을 도입하여 태양전지를 제작하였다. 레이져 손상으로 인해 태양전지의 표면에 silver 전극이 기존의 스크린 프린트 태양전지보다 silver crystallite 형성이 잘 되지 않는 문제를 보였으나 용액으로 레이져 손상을 제거한 뒤 태양전지는 선택적 도핑으로 인한 632 mV의 개방전압과 18.
이후 SiNx 패시베이션 층을 PECVD를 이용하여 증착하였으며 silver와 aluminium을 전극으로 스크린 프린트 법을 이용하여 형성하였다. TEM을 통해 레이져 손상부분을 관찰하였으며 완성된 태양전지는 AM1.5 G 조건에서 솔라 시뮬레이터를 이용하여 태양전지 효율을 측정하였다.
레이져 손상은 전면 silver 전극과의 계면 컨텍 형성을 막는 것으로 설명되었다. 레이져 도핑 기술을 활용 가능 하도록 하려면 양산성 있는 damage removal 공정을 확보할 필요성이 있으며, 선택적 도핑 태양전지 양산을 위해 용액 공정인 etch back 공정을 선정하여 평가하였다. Etch back 공정은 HF:HNO3: DIwater 혼용액으로 에미터를 산화시킨 후 산화막을 식각하는 방식으로 에칭을 하게 된다.
두 영역은 각기 다른 에미터 프로파일을 갖고 있으며, 이를 직관적으로 관찰하기 위해 샘플에서 에미터의 깊이를 관찰할 수 있도록 시도해 보았다. 시료는 polished 웨이퍼에 100 ohm/sq로 POCl 확산을 하였고, 국부적으로 3 watt의 power로 레이져 도핑을 하여 선택적 에미터를 구현 하였다. 샘플 제작 후 단면을 에미터에칭 용액에 담가 에미터를 식각하였고 에미터의 깊이를 관찰할 수 있었다.
태양전지는 레이져 도핑만 적용된 태양전지, 레이져 도핑 후후 etch back을 적용한 태양전지 두 그룹으로 제작되었고, 그 결과를 Table 1에 정리 하였다.
대상 데이터
이때 도핑된 층의 면저항은 40 Ohm/sq이다. 레이져 도핑을 위해 532 nm wavelength에 150 nm wide pulse형 레이져를 사용하였다. 선택적 에미터를 형성한 후 PSG 막과 레이져 손상 영역을 제거하기 위해 HF:HNO3: DI water 혼용액을 이용하여 PSG막 제거와 레이져 데미지 제거 그리고 후면 isolation을 동시에 진행하였다.
선택적 에미터를 만들기 위해 6인치 boron이 도핑된 p-type czochralski 웨이퍼를 사용하였다. 태양 빛의 수집을 효과적으로 하기위해 웨이퍼를 alkaline 용액에 식각하여 random pyramids를 형성하였으며 PN접합을 형성하기 위해 POCl3 precursor를 이용하여 phosphorous를 도핑하였다.
성능/효과
본 샘플을 이용하여 implied Voc를 측정한 경우, 레이져 도핑 을 하지 않은 샘플의 경우 대비 5-10 mV 가량 상대적으로 낮은 implied Voc 결과를 볼 수 있었는데, 후속 wet 공정으로 표면 데미지를 제거한 경우 두 샘플 모두 660 mV 수준의 대등한 implied Voc 값을 보였다. 결론적으로 요약을 하면, 레이져 도핑 시 표면 데미지는 발생하지만, 데미지 발생을 최소화한 후 후속 공정에서 이를 제거해 주면 성공적인 레이져 도핑 공정적용이 가능하다.
레이져 도핑만 적용된 cell 결과를 관찰해 보면, 효율이 17.6% 수준이며, 문제가 되는 parameter는 FF로 75% 수준인 것을 알수 있다. 선택적 에미터 효과에 의해 Voc는 631 mV 수준으로 향상되어 있지만, FF 문제로 태양전지 효율 향상을 얻지 못하고 있는데, 이것은 레이져 손상에 의해 silver crystallite가 충분히 형성되지 않았기 때문이다.
PSG 필름에 직접 레이져를 조사하여 간단한 공정으로 선택적 에미터를 구현하였으며 PSG와 레이져 손상을 동시에 제거하기 위해 용액공정을 도입하여 태양전지를 제작하였다. 레이져 손상으로 인해 태양전지의 표면에 silver 전극이 기존의 스크린 프린트 태양전지보다 silver crystallite 형성이 잘 되지 않는 문제를 보였으나 용액으로 레이져 손상을 제거한 뒤 태양전지는 선택적 도핑으로 인한 632 mV의 개방전압과 18.52%의 태양전지 효율을 보여주었다. 이러한 결과는 기존의 스크린프린트 태양전지와 비교하였을 때 선택적 에미터 태양전지가 갖는 장점을 보여준다.
이에 반에 반해 Etch Back 공정으로 레이져 도핑 후 레이져 손상을 제거한 태양전지 결과는 18.52%의 효율로 향상된 결과를 보인다. 이런 결과는 선택적 에미터 제작 효과에 의한 Voc 향상과 함께 레이져 손상 제거로 충분히 silver crystallite를 형성하여 FF 를 일반적인 스크린 프린트 태양전지 수준으로 유지하였지 때문이다.
후속연구
레이져 손상을 제거하지 않은 태양전지와 제거한 태양전지는 FF에서 큰 차이를 보였다. 본 연구는 선택적 에미터의 PSG막을 제거함과 동시에 손상을 동시에 제거할수 있다는 점에서 선택적 에미터 태양전지의 대량생산에 큰 도움이 될 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이져 도핑 공정의 큰 특징은?
레이져 도핑 공정의 큰 특징은 선택적으로 국부적인 도핑을 할 수 있는 점이다. 레이져 도핑이 가능한 소스는 532 nm wavelength이며 10~500 nanosecond pulse width를 가지고 있다.
레이져 도핑후 표면 특성과 레이져 세기와의 관계는 어떤 관계인가?
2의 우측 SEM 이미지를 관찰해 보면 이해할 수 있다. 레이져 세기가 증가할수록 도핑이 많이 되어 면저항값이 낮아지게 된다. 이것은 더 많은 도펀트가 에미터층에 도입되어 면저항값이 낮아진것이며, 레이져 세기가 과도할 경우 실리콘 결정성이 파괴되는 경향을 알 수 있다. 레이져 세기를 증가시키면 도핑은 많이 되지만, 표면 데미지에 의해 재결합이 증가하기 때문에, 데미지를 최소화 시키고 도핑을 충분히 시킬 수 있는 최적화 조건을 찾는 것이 중요하다.
spin-on-glass 방법의 단점은?
선택적 에미터의 형성방법에는 여러 가지 방법이 있으며 그중에서도 고체 필름을 이용하여 레이져 도핑하는 방법을 몇몇 그룹에서 연구해 오고 있으며 이러한 고체 필름은 spin-on-glass 도펀트나 PSG를 이용한다6). spin-on-glass 방법은 몇가지 다양한 공정을 거쳐야 하고 재료의 값이 비싸다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 레이져를 PSG 필름에 직접 조사하여 선택적 도핑을 하는 방법으로 태양전지를 제작한 결과를 소개하며 레이져를 사용하여 도핑을 할 때 나타날 수 있는 손상문제를 해결하는 방법에 대해 토론하고자 한다.
참고문헌 (6)
Rahman MZ. Status of selective emitters for p-type c-Si solar cells. Optics and Photonics Journal 2012; 2:129-134.
Hilali MM, To B, Rohatgi A. A review and understanding of screen-printed contacts and selective-emitter formation. Proceedings of 14th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules. Winter Park, Colorado, USA, 2004.
Roder TC, Eisele SJ, Grabitz P, Wagner C, Kulushich G, Kohler JR, Werner JH. Add-on laser tailored selective emitter solar cells. Progress in Photovoltaics 2010; 18:505-510.
Rohatgi A, Meier DL, McPherson B, Ok YW, Upadhyaya AD, Lai JH, Zimbardi F. High-throughput ion-implantation for low-cost high-efficiency silicon solar cells. Energy Procedia 2012; 15:10-19.
Zhu LQ, Gong J, Huang J, She P, Zeng ML, Li L, Dai MZ, Wan Q. Improving the efficiency of crystalline silicon solar cells by an intersected selective laser doping. Solar Energy Materials & Solar Cells 2011; 95:3347-3351.
L. Debarge, M.Schott, J.C.Muller, R.Monna, Selective emitter formation with a single screen-printed p-doped paste deposition using out-diffusion in an RTP-step, Sol.EnergyMater. Sol.Cells 74(2002) 71.
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