[논문]E-Beam evaporation을 이용한 전극 형성 공정이 결정질 실리콘 태양전지에 미치는 영향 분석

최동진; 박세진; 신승현; 이창현; 배수현; 강윤묵; 이해석; 김동환

doi:10.21218/cpr.2019.7.1.015

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Most high-efficiency n-type silicon solar cells are based on the high quality surface passivation and ohmic contact between the emitter and the metal. Currently, various metalization methods such as screen printing using metal paste and physical vapor deposition are being used in forming electrodes ...

Most high-efficiency n-type silicon solar cells are based on the high quality surface passivation and ohmic contact between the emitter and the metal. Currently, various metalization methods such as screen printing using metal paste and physical vapor deposition are being used in forming electrodes of n-type silicon solar cell. In this paper, we analyzed the degradation factors induced by the front electrode formation process using e-beam evaporation of double passivation structure of p-type emitter and $Al_2O_3/SiN_x$ for high efficiency solar cell using n-type bulk silicon. In order to confirm the cause of the degradation, the passivation characteristics of each electrode region were determined through a quasi-steady-state photo-conductance (QSSPC).

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. A schematic diagram of the experiment for each conditions(a,b,c,d) in the same structure of cell
$Fig. 2. Metal patterns of each fraction (a) 2%, (b) 4%, (c) 8%$ 그림 Fig. 2. Metal patterns of each fraction (a) 2%, (b) 4%, (c) 8%
$Fig. 3. Schematic representation of the each conditions (a) Deposition by metal (Ag) thickness (100 nm, 500 nm, 1000 nm), (b)Deposition by metal (Ag) fraction (1000 nm), (c) Opening passivation area by metal fraction, (d) Opening passivation area bymetal fraction + metal (Ag) deposition (1000 nm)$ 그림 Fig. 3. Schematic representation of the each conditions (a) Deposition by metal (Ag) thickness (100 nm, 500 nm, 1000 nm), (b)Deposition by metal (Ag) fraction (1000 nm), (c) Opening passivation area by metal fraction, (d) Opening passivation area bymetal fraction + metal (Ag) deposition (1000 nm)
그림 Fig. 4. Schematic of the comparison with after metal deposition and after FGA
그림 Fig. 5. Effective lifetime with before and after deposition of metal according to metal thickness (100 nm, 500 nm,1000 nm)
$Fig. 6. (a) Effective lifetime with before and after metal deposition according to metal fraction (2%, 4%, 8%) (b) A graph: Implied V<sub>oc</sub> & lifetime loss fraction of metal fraction$ 그림 Fig. 6. (a) Effective lifetime with before and after metal deposition according to metal fraction (2%, 4%, 8%) (b) A graph: Implied V_oc & lifetime loss fraction of metal fraction
$Fig. 7. A graph: Implied V<sub>oc</sub> & lifetime loss fraction of passivation opening & passivation opening + metal deposition$ 그림 Fig. 7. A graph: Implied V_oc & lifetime loss fraction of passivation opening & passivation opening + metal deposition
그림 Fig. 8. Implied V_oc variation with (a) pssivation opening (b) passivation opening + metal deposition
그림 Fig. 9. Effective carrier lifetime with before and after forming gas annealing in the cell structure
표 Table 1. A table: Implied V_oc variation of passivation opening & passivation opening + metal deposition

AI 본문요약
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문제 정의

현재 고효율 실리콘 태양전지에 사용되는 Si/Al₂O₃/SiN_x/metal 구조에 전극 형성 공정에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 n-type bulk 실리콘을 이용한 고효율 태양전지 제작을 위해 p-type 에미터와 Al₂O₃/SiN_x의 이중패시베이션 구조를 가지는 구조에서 e-beam evaporation을 이용한 전면 전극 형성 공정에서 유발되는 저하 요인에 대해 분석하였다. 저하 원인 확인을 위하여 전극구조 형성을 위한 각각의 공정 단계별 패시베이션 특성변화를Quasi- Steady-State Photo conductance (QSSPC) 측정법을 통해 확인하였으며, 이후 Forming gas annealing (FGA)을 공정 단계별로 적용하여 회복 여부를 관찰하였다.

제안 방법

E-beam evaporation 공정 중에 발생한 전극 증착 영역의radiation damage를 회복하기 위하여 forming gas annealing(FGA)을 진행 하였다.
이러한 전극과 실리콘 사이 간의 계면이 e-beam evaporation 공정 중 받게 되는 radiation damage를 회복하기 위해서는 forming gas를 태양전지에 적용하여 lifetime 회복 공정이 가능 하다. N₂:H₂(9:1) 혼합 가스를 통해 rapid thermal anneal (RTA)시스템에서열처리(400°C / 30분)를 진행하여 전극 증착 전과 후 그리고forming gas annealing을 했을 때 어떠한 변화가 일어나는지에 대해 분석을 진행 하였다.
3(a)에서 나타내고 있다. e-beam evaporation 증착법을 이용하여 전극을 100 nm, 500nm, 1000 nm를 전체 면적에 증착한 뒤 80°C의 염산(HCl)용액에 10분 동안 전극 에칭을 진행하여 e-beam radiation이 Si/Al₂O₃/SiN_x 구조에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 영향성을 확인하였다.
본 연구에서는 기존 e-beam evaporation 증착법을 이용한 전극 공정 시 발생 할 수 있다고 제시한 radiation에 의한 damage를 n-type 결정질 실리콘 태양전지 패시베이션 영역(Al₂O₃/SiN_x)에 전극의 증착 두께 별(100 nm, 500 nm, 1000 nm) & 패턴 면적비율 별(2%, 4%, 8%)로 공정을 진행을 하여 radiation damage를 확인을 하였다. 여기에 전극 패턴 면적 비율별로 패시베이션개방 한 영역에 전극 증착을 진행 하여 패시베이션 영역 개방에 의한 lifetime의 감소와 radiation에 의한 damage를 각각 분리 및 결합 하여 분석 하였다.
)에 전극의 증착 두께 별(100 nm, 500 nm, 1000 nm) & 패턴 면적비율 별(2%, 4%, 8%)로 공정을 진행을 하여 radiation damage를 확인을 하였다. 여기에 전극 패턴 면적 비율별로 패시베이션개방 한 영역에 전극 증착을 진행 하여 패시베이션 영역 개방에 의한 lifetime의 감소와 radiation에 의한 damage를 각각 분리 및 결합 하여 분석 하였다.

대상 데이터

E-beam evaporation 증착 시 radiation 노출 시간이 패시베이션 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두께별로(100 nm, 500 nm, 1000 nm) 전극을 증착을 하였다. 이때 전극은 Fig.

이론/모형

이러한 분석을 위해 각각의Fig. 3(a),(b),(c),(d)군 별로 마지막 단계에서 Quasi-steady-state Photoconductance (QSSPC) 측정법을 통해 iV_oc (Implied open-circuit voltage), lifetime을 측정 후 비교 진행 하였다.
E-beam evaporation 증착법에서 발생하는 특성 저하를 확인하기 위해서 본 연구에서는 Czochraalski (CZ)법을 이용하여 성장시킨 180 um 두께의 n-type 실리콘 태양전지 웨이퍼의 전면에 알칼리(KOH) 용액을 이용하여 랜덤 피라미드 형태의 텍스쳐링을 형성을 하였다. 에미터에는 boron (B)을 도핑 하여 80 Ω/sq 면저항을 가지는 p+ 에미터를 형성 하였다.
4의 (c)에서 QSSPC 측정법을 통해 확인 후 mixed gas (N₂ : H₂ = 9 : 1)를 이용한 FGA공정을400°C에서 30분간 열처리 진행 후 회복 된 lifetime을 측정 하여 회복율을 확인하였다. 또한, 셀 구조에서도 회복 효과가 발생하는지 관찰하기 위하여 Sun-V_oc 측정법을 통한 lifetime분석을 진행 하였다.
따라서, 본 연구에서는 n-type bulk 실리콘을 이용한 고효율 태양전지 제작을 위해 p-type 에미터와 Al₂O₃/SiN_x의 이중패시베이션 구조를 가지는 구조에서 e-beam evaporation을 이용한 전면 전극 형성 공정에서 유발되는 저하 요인에 대해 분석하였다. 저하 원인 확인을 위하여 전극구조 형성을 위한 각각의 공정 단계별 패시베이션 특성변화를Quasi- Steady-State Photo conductance (QSSPC) 측정법을 통해 확인하였으며, 이후 Forming gas annealing (FGA)을 공정 단계별로 적용하여 회복 여부를 관찰하였다.

성능/효과

(2014)²⁾에서 발표한 수소 분자가 열에너지의도움으로 분해가 되어 수소 원자가 Si-SiO₂ 계면으로 확산이 되는 효과를 통해 Si-SiO₂ 계면에 존재하는 결함들이 수소 원자에 의해 계면 준위 밀도가 저하 되는 것을 확인 할 수 있다. 결과적으로 전극이 증착되는 에미터 영역의 Si 계면영역의 lifetime 회복이외에도 패시베이션 영역인 SiN_x 에서도 수소에 의한 패시베이션 효과로 캐리어의 재결합율을 줄여 lifetime이 초기값 보다 높은 수준으로 회복되는 것을 확인 할 수 있다.
그리고 n-type 고효율 태양전지 셀 구조를 만들기 위한 ebeam evaporation을 이용한 전극 공정 시 radiation 직접적으로 노출되어 Si 계면에서 발생하는 damage는 forming gas annealing을 이용한 열처리로 lifetime이 회복 되는 것을 확인 하였다.
forming gas annealing공정을거치고 난 뒤의 lifetime이 forming gas annealing을 거치고 전lifetime에 비해 개선되는 것을 확인 할 수 있다. 전극이 있는 셀에서도 적용되는 것을 확인 할 수 있었고, forming gas annealing의 결과로 e-beam evaporation 증착법에서 발생하는 radiationdamage를 회복을 확인 하였다.

후속연구

일반적인 실리콘 태양전지의 경우 광 조사 시 캐리어가 이동하게 되는 핑거라인과 캐리어를 수집하는 역할의 버스바를 가지는 전극패턴을 가진다. 따라서, 전극 패턴 면적 비율에 따라 실제 셀 공정에서 발생 할 수 있는 e-beam radiation에 의한 영향성을 확인하는 것이 필요하다. 이러한 영향성을 단계별로 확인하기 위해 패시베이션 영역에 포토레지스트를 이용하여 패터닝을한 후 전극을 1000 nm를 증착 한 뒤 다시 전극을 제거하여 lifetime을 측정하였다.
/metal 구조에 초점이 맞춰져 있다. 현재 고효율 실리콘 태양전지에 사용되는 Si/Al₂O₃/SiN_x/metal 구조에 전극 형성 공정에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 n-type bulk 실리콘을 이용한 고효율 태양전지 제작을 위해 p-type 에미터와 Al₂O₃/SiN_x의 이중패시베이션 구조를 가지는 구조에서 e-beam evaporation을 이용한 전면 전극 형성 공정에서 유발되는 저하 요인에 대해 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	E-beam evaporation 증착법은 어디에 쓰이는가?	그러나 원하는 곳에 증착을 시키기 위해 가하는 에너지는 열 에너지원 이외에는 추가적으로 없으므로 증착 밀도가 떨어지며 균일성이 낮은 단점이 있다. E-beam evaporation 증착법은 녹는점이 높은 금속을 쉽게 증착가능하다는 장점이 있어 태양전지뿐만 아니라 반도체 등 다양한 소자의 금속 증착 공정으로 많이 활용되고 있다. 하지만, 가속화된 높은 에너지의 입자와 진공자외선(radiation) 방출에 의해 실리콘과 패시베이션 계면에 결함 밀도 증가 및 이로 인한 패시베이션 특성 저하를 유발할 수 있다.
	Thermal evaporation 증착 방법의 단점은 무엇인가?	Thermal evaporation 증착 방법은 주로 용융점이 낮은 Al, Au, Cu의 증착에 적합하고 금속원의 증발 속도는 금속의 증기압에 비례한다. 그러나 원하는 곳에 증착을 시키기 위해 가하는 에너지는 열 에너지원 이외에는 추가적으로 없으므로 증착 밀도가 떨어지며 균일성이 낮은 단점이 있다. E-beam evaporation 증착법은 녹는점이 높은 금속을 쉽게 증착가능하다는 장점이 있어 태양전지뿐만 아니라 반도체 등 다양한 소자의 금속 증착 공정으로 많이 활용되고 있다.
	증발법을 이용한 전극 증착법은 어떠한 것들이 있는가?	증발법을 이용한 전극 증착법은 소스를 증발시키는 에너지원에 따라 thermal evaporation 증착법과 e-beam evaporation 증착법이 있다. Thermal evaporation 증착 방법은 주로 용융점이 낮은 Al, Au, Cu의 증착에 적합하고 금속원의 증발 속도는 금속의 증기압에 비례한다.

참고문헌 (5)

ITRPV Ninth Edition 2018 Including Maturity Report, International Technology Roadmap for Photovoltaics, 2018.
B. J. O'Sullivan, T. Bearda, S. Nadupalli, R. Labie, K. Baert, I. Gordon and J. Poortmans, "Process-Induced Degradation of $SiO_2$ and a-Si: H passivation Layers for Photovoltaic Applications," IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 4, No. 5, pp. 1197-1203, 2014.

상세보기
B. L. Sopori, X. Deng, J. P. Benner, A. Rohatgi and P. Sana, "Hydrogen in silicon: current understanding of diffusion and passivation mechanisms," Proceedings of 1994 IEEE 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion - WCPEC (A Joint Conference of PVSC, PVSEC and PSEC), Waikoloa, HI, Vol. 2, pp. 1615-1620, 1994.
A. W. Blakers, M. A. Green and T. Szpitalak, "Surface damage caused by electron-beam metallization of high open-circuit voltage solar cells," IEEE Electron Device Letters, Vol. 5, No. 7, pp. 246-247, 1984.

상세보기
J. Kopp, W. Warta, A. Aberle, S. Glunz and J. Knobloch, "Impact of metallization techniques on 20% efficient silicon solar cells," The Conference Record of the Twenty-Second IEEE Photovoltaic Specialists Conference - 1991, Las Vegas, NV, USA, Vol. 1, pp. 278-283, 1991.

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