[논문]N-type 고효율 태양전지용 Boron Diffused Layer의 형성 방법 및 특성 분석

심경배; 박철민; 이준신

doi:10.4313/jkem.2017.30.3.139

[국내논문] N-type 고효율 태양전지용 Boron Diffused Layer의 형성 방법 및 특성 분석
Boron Diffused Layer Formation Process and Characteristics for High Efficiency N-type Crystalline Silicon Solar Cell Applications 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.3, 2017년, pp.139 - 143

심경배 (성균관대학교 정보통신대학) , 박철민 (성균관대학교 에너지과학과) , 이준신 (성균관대학교 정보통신대학)

Abstract ▼ AI-Helper

N-type crystalline silicon solar cells have high metal impurity tolerance and higher minority carrier lifetime that increases conversion efficiency. However, junction quality between the boron diffused layer and the n-type substrate is more important for increased efficiency. In this paper, the current status and prospects for boron diffused layers in N-type crystalline silicon solar cell applications are described. Boron diffused layer formation methods (thermal diffusion and co-diffusion using $a-SiO_X:B$), boron rich layer (BRL) and boron silicate glass (BSG) reactions, and analysis of the effects to improve junction characteristics are discussed. In-situ oxidation is performed to remove the boron rich layer. The oxidation process after diffusion shows a lower B-O peak than before the Oxidation process was changed into $SiO_2$ phase by FTIR and BRL. The $a-SiO_X:B$ layer is deposited by PECVD using $SiH_4$, $B_2H_6$, $H_2$, $CO_2$ gases in N-type wafer and annealed by thermal tube furnace for performing the P+ layer. MCLT (minority carrier lifetime) is improved by increasing $SiH_4$ and $B_2H_6$. When $a-SiO_X:B$ is removed, the Si-O peak decreases and the B-H peak declines a little, but MCLT is improved by hydrogen passivated inactive boron atoms. In this paper, we focused on the boron emitter for N-type crystalline solar cells.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

BRL (boron rich layer)을 제거하기 위해 in-situ oxidation을 진행하였다. 기본 도핑 공정은 BBr₃source를 이용하여 furnace에서 진행되며 950℃에서 pre-deposition이 15분, 1,050℃에서 drive-in이 20분 진행되어 면저항(R_S) 45 Ω/sq를 가진다.
N-type 실리콘 태양전지의 최적화된 boron emitter 형성을 위한 in-situ oxidation를 통한 boron rich layer를 Borosilicate glass로 변환 후 제거와 aSiO_X:B layer을 이용한 p+ layer형성에 관하여 정리하였다. in-situ oxidation을 pre-deposition 후 950℃ O₂treatment 5분과 drive-in 후 950℃ O₂treatment 5분을 나눠서 실험한 결과 drive-in 후 O₂treatment에서 FTIR 측정결과 B-O bonding peak의 감소로 인해 BSG/BRL을 제거된 것을 확인하였으며 a-SiO_X:B layer를 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 장비를 이용하여 증착하였다.
(implied Voc) 측정을 위해 QSSPC (WCT-120)를 이용하였다. Oxygen annealing에 따른 bonding 구조의 확인을 위해 FTIR 측정을 수행하였다.
in-situ oxidation을 pre-deposition 후 950℃ O2treatment 5분과 drive-in 후 950℃ O2treatment 5분을 나눠서 실험한 결과 drive-in 후 O2treatment에서 FTIR 측정결과 B-O bonding peak의 감소로 인해 BSG/BRL을 제거된 것을 확인하였으며 a-SiOX:B layer를 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 장비를 이용하여 증착하였다.
그림 2에서 나타나는 것과 같이 B-O peak (1,300 ~1,500 cm^-1)을 관찰함으로써 BSG/BRL의 유무를 판단하였다. 기본 조건의 FTIR 결과에서는 B-O bonding 이 남아 있으나, oxygen annealing에서는 B-O peak가 줄어들어 B-O bonding에 의한 defect가 감소하여 BSG/BRL의 제거가 되었다고 판단할 수 있다.
온도, 압력, plasma 파워를 조절하여 증착을 시킨다. 증착 후 SiN_X 또는 SiO_X layer를 통해 capping을 하여 boron과 phosphorus cross doping을 방지하였다. tube furnace를 이용하여 N₂와 O₂ 가스 분위기에서 p+ layer를 형성시켰다.
표 1과 같이 SiH₄를 두 개의 조건을 두고 세부 조건 으로 B₂H₆를 3가지의 조건으로 가변을 하였다. SiH₄의 양이 증가할수록 전반적으로 면저항(R_S)의 면저항(R_S) 이 같은 annealing 조건에서 더 낮은 면저항(R_S) 값이 나왔으며 더 높은 lifetime 값을 가졌다.

대상 데이터

a-SiO_X:B layer를 N-type 웨이퍼에 증착을 위해 SiH₄ , B₂H₆ , H₂ , CO₂ 와 같은 가스를 사용하여 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)장 비로 증착하였다. 온도, 압력, plasma 파워를 조절하여 증착을 시킨다.

이론/모형

P+ layer의 면저항을 측정하기 위해 4-point prove 를 이용하였으며 lifetime과 iV_OC (implied Voc) 측정을 위해 QSSPC (WCT-120)를 이용하였다. Oxygen annealing에 따른 bonding 구조의 확인을 위해 FTIR 측정을 수행하였다.

성능/효과

tube furnace에서 1,040℃에서 90분간 drive-in하였고 SiH4 및 B2H6 가 높은 a-SiOX:B layer일수록 MCLT 이 높은 결과 값을 확인하였다.
SiH₄의 양이 증가할수록 전반적으로 면저항(R_S)의 면저항(R_S) 이 같은 annealing 조건에서 더 낮은 면저항(R_S) 값이 나왔으며 더 높은 lifetime 값을 가졌다. B₂H₆의 flow 양이 높을수록 lifetime이 증가하며, 면저항(R_S)이 낮아 지는 결과가 나왔다.
tube furnace에서 1,040℃에서 90분간 drive-in하였고 SiH₄ 및 B₂H₆ 가 높은 a-SiO_X:B layer일수록 MCLT 이 높은 결과 값을 확인하였다. FTIR 측정 결과 thermal annealing 후 다소 B-H peak이 감소하지만 hydrogen에 의한 boron의 부동태화에 의해 MCLT가 향상되었다.
를 3가지의 조건으로 가변을 하였다. SiH₄의 양이 증가할수록 전반적으로 면저항(R_S)의 면저항(R_S) 이 같은 annealing 조건에서 더 낮은 면저항(R_S) 값이 나왔으며 더 높은 lifetime 값을 가졌다. B₂H₆의 flow 양이 높을수록 lifetime이 증가하며, 면저항(R_S)이 낮아 지는 결과가 나왔다.
그림 5의 MCLT 분석 결과를 보면, a-SiX:B 박막의 형성 시 Silane과 Diborane의 양이 증가할수록 codiffusion 이후 MCLT의 결과값이 증가함을 알 수 있는 데, 이는 co-diffusion 시에 Hydrogen이 웨이퍼 내부 및 표면에 영향을 주어 dangling bond를 채워주거나, 이전 FTIR 결과에서 보듯 B-H bond (wavelength ≅ 2,400 cm-1 )의 형성으로 인해 MCLT가 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
그림 6의 FTIR 분석 결과에서 보듯, a-SiO_X:B 박막은 thermal annealing을 거치면서 Si-O peak이 감소되는 경향을 보이며 a-SiO_X:B 박막 제거되었을 때 Si-O peak이 사라지는 것을 확인하였다. 또한 B-H peak의 경우 a-SiO_X:B막이 제거 되면서 다소 감소하는 경향을 보이지만 hydrogen에 의한 defect로 작용 하는 boron의 부동태화로 인해 MCLT의 증가되는 경향을 보이고 있다.
)을 관찰함으로써 BSG/BRL의 유무를 판단하였다. 기본 조건의 FTIR 결과에서는 B-O bonding 이 남아 있으나, oxygen annealing에서는 B-O peak가 줄어들어 B-O bonding에 의한 defect가 감소하여 BSG/BRL의 제거가 되었다고 판단할 수 있다. 또한, 전기 음성도 차이에 따라 oxygen anneal에 의해 주입된 oxygen에 의해 Si-O bonding이 주도하게 되어 Boron 원자가 Si 내부로 확산되는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	N-type 태양전지의 장점은 무엇인가?	그러나 N-type 태양전지의 경우 기판에 phosphorus 가 존재하기 때문에 B-O complex에 의한 LID 현상이 생기지 않을 뿐만 아니라 Fe에 의한 불안정성이 없어 높은 lifetime을 가지고 있다 [3]. 이처럼 우수한 웨이퍼 품질과 inactive doping의 차이에 의한 boron diffusion layer의 낮은 saturation current density (J0e )는 N-type 태양전지의 장점이다 [4]. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 boron diffusion layer의 형성, passivation에 연관된 기술적 도전과 비용 때문에 P-type 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있으며 다양한 boron diffusion 기술들이 현재까지 조사 및 사용 되고 있지만 뚜렷하게 우위에 있는 기술은 나오고 있지 않은 상황이다 [5].
	N-type이 아닌 P-type 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있는 이유는 무엇인가?	이처럼 우수한 웨이퍼 품질과 inactive doping의 차이에 의한 boron diffusion layer의 낮은 saturation current density (J0e )는 N-type 태양전지의 장점이다 [4]. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 boron diffusion layer의 형성, passivation에 연관된 기술적 도전과 비용 때문에 P-type 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있으며 다양한 boron diffusion 기술들이 현재까지 조사 및 사용 되고 있지만 뚜렷하게 우위에 있는 기술은 나오고 있지 않은 상황이다 [5].
	P-type 결정질 실리콘 웨이퍼의 효율 저하는 무엇 때문에 일어나는가?	P-type 결정질 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작하는 태양전지는 현재까지도 태양광 발전 분야에서 높은 점유율을 차지하고 있다. 하지만 P-type 웨이퍼에 존재 하는 최대 1×1018개의 oxygen이 boron dopant와 결합하여 boron-oxygen complex를 형성하게 되고, 이는 light-induced degradation (LID)을 야기하게 되어 minority carrier life time (MCLT)의 감소와 더불어 모듈에서는 1~3%의 효율 감소를 보이며 태양전지 에서는 0.2~0.5% 효율을 저하시키는 원인이 된다 [1,2]. 그러나 N-type 태양전지의 경우 기판에 phosphorus 가 존재하기 때문에 B-O complex에 의한 LID 현상이 생기지 않을 뿐만 아니라 Fe에 의한 불안정성이 없어 높은 lifetime을 가지고 있다 [3].

참고문헌 (15)

A. U. Rehman and S. H. Lee, Scientific World J., 13 (2013).
K. Bothe, R. Sinton, and J. Schmidt, Progress in Photovoltaics, 13, 297 (2005). [DOI: https://doi.org/10.1002/pip.586]

상세보기
D. L. Meier, V. Chandrasekaran, H. Preston Davis, A. M. Payne, X. Wang, V. Yelundur, J. E. O'Neill, Y. W Ok, F. Zimbardi, and A. Rohatgi, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, 1, 123 (2011).

상세보기
J. Sheng, W. Wang, S. Yuan, W. Cai, Y. Sheng, Y. Chen, J. Ding, N. Yuan, Z. Feng, and P. J. Verlinden, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 152, 59 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.03.032]

상세보기
K. Ryu, E. Cho, A. Rohatgi, and Y. Ok, PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS, 24, 1109 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1002/pip.2775]

상세보기
M. A. Kessler, T. Ohrdes, B. Wolpensinger, R. Bock, and N. P. Harder, Proc. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) (Philadelphia, USA, 2009) p. 001556.
B. Singha and C. S. Solanki, Semicond. Sci. Technol, 31, 10 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/3/035009]
S. P. Phang, W. Liang, B. Wolpensinger, M. A. Kessler, and D. Macdonald, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, 3, 261 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2012.2226332]

상세보기
K. Ryu, C. J. Choi, H. M. Park, D. H. Kim, A. Rohatgi, and Y. W. Ok, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells, 146, 58 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015. 11.031]

상세보기
J. Y. Cho, H.N.R. Shin, J. E. Lee, Y. S. Choi, J. C. Lee, H. Ph, T. J. Kim, M. I. Hwang, and E. C. Cho, Energy Procedia, 77, 279 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.039]

상세보기
P. Rothhardt, C. Demberger, A. Wolf, and D. Biro, Energy Procedia, 38, 305 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.07.282]

상세보기
N. Wehmeier, B. Lim, A. Merkle, A. Tempez, S. Legendre, H. Wagner, A. Nowack, T. Dullweber, and P. P. Altermatt, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, 6, 119 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2493364]

상세보기
P. Negrini, A. Ravaglia, and S. Solmi, J. Electrochem, 125, 609 (1978). [DOI: https://doi.org/10.1149/1.2131510]

상세보기
J. Engelhardt, A. Frey, L. Mahlstaedt, S. Gloger, G. Hahn, and B. Terheiden, Energy Procedia, 55, 235 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.08.050]

상세보기
J. Schon, M. C. Schubert, W. Warta, H. Savin, and A. Haarahiltunen, Phys. Status Solidi A, 207, 2589 (2010). [DOI: https://doi.org/10.1002/pssa.201026333]

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증