이 연구에서 고밀도 수소(HDH) 처리는 계면 트랩을 줄이고 부동태화 이미터 후면 접촉(PERC) 장치의 효율성을 향상시키기 위해 제안됩니다. 수소 가스는 압력(~ 70 atm)과 비교적 낮은 온도(~ 200 °)에서 압축됩니다. C) 장치의 원래 제조 프로세스의 다른 부분을 변경하지 않고 인터페이스 트랩을 줄이기 위해. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 Si-H 결합의 향상을 확인했고 2차 이온 질량 분석법(SIMS)은 HDH 처리 후 SiN/Si 계면 트랩을 확인했습니다. 또한 인터페이스 트랩 밀도(Dit)를 확인하기 위해 컨덕턴스-전압의 전기적 측정을 측정하고 추출합니다. 또한 1 kW M −2 의 시뮬레이션 광원으로 단락 전류 밀도(Jsc), 직렬 저항(Rs) 및 필 팩터(F.F.)를 분석합니다. 전지 효율의 증가를 확인하기 위해 글로벌 AM1.5 스펙트럼. 외부 양자 효율(EQE)도 측정하여 서로 다른 파장 간의 변환 효율 향상을 확인합니다. 마지막으로 치료 전후의 실험 결과를 설명하기 위한 모델을 제안한다.
태양 전지는 세계에서 재생 가능한 많은 에너지 중 하나이며 과도기적 석유화학 에너지를 대체할 수 있는 가장 능력이 있는 것으로 간주됩니다. 실리콘[1,2,3], 페로브스카이트[4,5] 또는 III-V 화합물[6, 7]과 같은 다양한 재료 시스템을 기반으로 하는 여러 유형의 태양 전지가 있습니다. 그 중 실리콘계 태양전지는 저비용, 높은 안정성, 최대 26%의 우수한 효율로 인해 많이 사용되고 있다[8,9,10]. PERC(passivated emitter rear contact) 소자는 BSF(back surface field) 태양전지를 대체할 수 있는 잠재적 소자 중 하나로 간주된다[11, 12]. 1983년 Martin Green 교수는 UNSW(University of New South Wales)에서 PERC 셀을 처음 제안했습니다. 이 셀의 개념은 에미터와 후면 패시베이션 레이어를 결합하여 계면 결함을 줄이고 셀 효율을 높이는 것이었습니다. PERC 에미터와 후면 패시베이션 층이 계면 결함을 패시베이션할 수 있지만 에미터 또는 반사 방지 코팅(ARC) 층의 필름 품질이 계면에 영향을 미칩니다[13,14,15].
이전 연구에 따르면 계면 트랩을 줄이기 위해 박막 품질을 개선하는 것 외에 후 열처리는 결함을 줄이는 또 다른 방법입니다[16,17,18]. 400°C에서 질소(95%) 및 수소(5%)에서 가스 어닐링을 형성하는 후처리는 수소와의 계면 트랩을 줄이고 전지 효율을 향상시키는 데 사용됩니다. 불행히도 이러한 처리는 약 400°C에서 반응해야 하며, 이는 200°C 미만의 온도에서 제조되는 HIT(진성 박막층을 갖는 이종접합)와 같은 태양 전지에는 너무 높은 온도입니다.
이 연구에서 우리는 소자 제조의 추가 요소를 변경할 필요 없이 에미터 패시베이션 층과 n형 Si 층 사이의 계면 트랩을 줄이기 위해 적절한 고밀도 수소(HDH) 처리를 제안합니다. 이전 연구와 유사하게 HDH 처리는 수소 이온을 사용하여 결함을 부동태화하는 데 사용됩니다. 실험 결과는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 측정 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 따라 HDH 처리 후 Si-H 결합이 향상되었음을 시사합니다. 또한 컨덕턴스, 단락 전류 밀도(Jsc), 직렬 저항(Rs) 및 필 팩터(F.F.)를 포함한 전기적 측정값을 추출하여 상태 밀도(Dit) 감소 및 셀 효율 증가를 확인합니다. 마지막으로 HDH 처리가 PERC 태양 전지에 미치는 영향을 추가로 설명하는 모델도 제안했습니다.
PERC 제조 공정은 아래에 설명되어 있습니다. p형 초크랄스키(Czochralski) 실리콘이 약 150 μm 두께의 기판으로 사용됩니다. KOH 용액은 Si 기판 표면을 에칭하고 표면의 피라미드 텍스처 형태를 형성하는 데 사용됩니다. p-n 접합을 형성하기 위해, POCl3 Si 기판 표면으로 확산되어 n형 층을 형성하는 데 사용됩니다. 그런 다음, 에미터 SiN 패시베이션 층은 반사 방지 코팅(ARC) 층으로서 화학 기상 증착(CVD)을 통해 증착됩니다. ARC 층을 증착한 후 HF 용액을 사용하여 후면 n형 층을 제거합니다. 그런 다음 Al2 O3 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 25 nm 두께의 후면 패시베이션 층으로 증착됩니다. 그런 다음 95nm 두께의 SiN 층이 CVD에 의해 증착됩니다. 후면 패시베이션 공정이 끝난 후 ARC 층에 사용된 은(Ag) 상부 전극의 스크린 인쇄 공정 준비를 위해 절단 홈에 레이저 어블레이션을 적용하고 하부 전극에는 알루미늄(Al)을 사용한다. 마지막으로, 장치는 금속과 반도체 사이의 적절한 접촉을 보장하기 위해 소성 과정에서 가열됩니다. PERC 장치의 구조는 그림 1과 같습니다.
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PERC 제조 공정 흐름 및 PERC(패시베이션 이미터 후면 접점) 셀 구조
그런 다음 HDH 처리가 PERC 장치에 적용됩니다. HDH 처리 과정은 그림 2와 같습니다. 수소 가스는 처리 소스로 사용되며 PERC 장치가 있는 반응 챔버로 펌핑됩니다. 그런 다음, 기체를 70 atm으로 압축하고 반응 온도를 1 시간 동안 200°C로 설정합니다. 그런 다음 가스를 펌핑하여 HDH 처리를 완료합니다.
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고밀도 수소(HDH) 처리 공정 흐름
Bruker VERTEX 70v FTIR은 처리 전후의 Si-H 결합을 분석하는 데 사용되며 ION-TOF, TOF-SIMS V는 SiN/Si 계면에서 수소 비율을 분석하는 데 사용됩니다.
I-V 및 G-V 특성은 Agilent B1500 반도체 분석기 및 Cascade M150 프로브 스테이션을 사용하여 밝고 어두운 조건 모두에 대해 다크 박스에서 측정됩니다. 효율 매개변수(Jsc, Rs 및 필 팩터)는 1 kW M −2 의 시뮬레이션된 광원에서 추출됩니다. 25°C에서 글로벌 AM1.5 스펙트럼. QEX10 Solar Cell 외부 양자 효율(EQE)은 300~1200 nm의 효율을 분석하는 데 사용됩니다.
HDH 처리가 있거나 없는 이미터 SiN 패시베이션 층은 FTIR 분석을 사용하여 조사됩니다. 도 3에 도시된 바와 같이, HDH 처리된 SiN 및 HDH 처리된 SiN은 모두 3350 cm -1 을 나타낸다. NH 스트레칭 결합 및 2165 cm −1 Si-H 스트레칭 결합 [19,20,21]. 그러나 N-H 결합과 Si-H 결합의 흡수 피크 강도 비율은 처리 후에 모두 향상되어 수소가 SiN 층에 주입됨을 의미합니다.
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FTIR 스펙트럼으로 측정한 Emitter SiN 보호막 박막
HDH 처리가 SiN/Si 계면 트랩을 감소시키는지 확인하기 위해 2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 사용하여 수소 분포를 확인합니다[22, 23]. 도 4에서, SiN층이 CVD를 사용하여 증착되기 때문에, 이 SiN층의 수소 강도는 Si보다 높다. 처리 후 수소의 세기는 크게 증가하지 않았으나 SiN과 Si 계면에서 강도가 뚜렷하게 증가하였으며, 이 결과는 HDH 처리가 SiN/Si 계면에서 반응함을 나타낸다.
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SIMS로 측정한 이미터 SiN 보호막 박막
그림 5에서 HDH 처리 후 Emitter SiN 층과 p-Si 기판 사이의 Dit 차이를 추가로 확인하기 위해 Al/SiN/p-Si/Al MIS(metal-insulator-semiconductor) 구조가 제작되었습니다. SiN과 p-Si 계면은 많은 양의 결함을 가지고 있기 때문에 G-V 결과는 계면 트랩 밀도(Dit)를 추출하는데 적용될 수 있다[24]. 컨덕턴스 방정식은 다음과 같이 주어집니다.
$$ \frac{Gp}{\omega }=\frac{D_{it}\omega {\tau}_{it}}{1+{\omega}^2{\tau}_{it}^2} $$ (1) <사진><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3216-3/ MediaObjects/11671_2019_3216_Fig5_HTML.png?as=webp">
Al/SiN/p-Si/Al 소자는 인터페이스 트랩을 사용하여 컨덕턴스-전압 특성으로 분석됩니다.
여기서 ω 각 주파수, τ 는 캐리어 수명이고 Gp 는 주파수 종속 컨덕턴스입니다. 식을 단순화하려면 1, Dit는 컨덕턴스와 관련이 있으며 처리 후 컨덕턴스 피크가 감소하여 HDH 처리가 PERC 인터페이스 트랩을 감소시킬 수 있음을 시사합니다.
다음으로 밝은 조건과 어두운 조건 모두에서 PERC 셀 장치에서 전기 측정이 수행됩니다. 장치 바이어스는 Al 하단 전극에 적용되고 상단 전극은 접지됩니다. 전압의 스위핑 범위는 -1 ~ 0.75 V입니다.그림 6은 어두운 조건에서 I-V 특성을 보여줍니다. 누설 전류는 HDH 처리 후 크게 감소하며 감소 비율은 약 0.5 차수입니다. 또한, I-V 특성의 우측에서 온 전류의 혹이 처리 후 감소되는 것을 알 수 있다. 또한 I-V 곡선을 추출하고 다이오드 전류 방정식에 따라 이상적인 인수로 변환합니다.
$$ I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] $$ (2) <사진><소스 유형="이미지 /webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3216-3/MediaObjects/11671_2019_3216_Fig6_HTML.png
누설 전류 및 이상적인 요인을 사용하여 어두운 조건에서 I-V 특성 분석.
나 s 포화 전류, q 전자 전하, V 인가 전압, n 이상적인 요인은 k입니다. 는 볼츠만 상수이고 T 절대온도이다. 방정식 2는 \( I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \); n일 때 값이 1에 가까우면 온 전류가 확산 전류에 가깝습니다. n일 때 값이 2에 가까우면 온 전류가 조합 전류에 가깝다는 의미입니다[25]. 처리 후 on 전류의 기울기는 1.5에서 1.42로 감소하는데, 이는 결함 개수의 감소로 인해 on 전류가 처리 후 확산 전류에 가깝다는 것을 의미한다.
전기적 특성을 더 조사하기 위해 1 kW M −2 의 시뮬레이션된 광원에서 효율 매개변수(Jsc, Rs 및 필 팩터)를 추출합니다. 25 °C에서 글로벌 AM1.5 스펙트럼. HDH 처리 후 평균 효율은 그림 7a와 같이 17.3%에서 18.2%로 향상되었습니다. Jsc는 또한 그림 7b와 같이 37.6에서 38.2 mA로 증가합니다. 또한 Rs는 그림 7c와 같이 처리 후 0.712에서 0.487로 감소했습니다. Fill factor는 그림 7d와 같이 70.5에서 73.3으로 증가한다.
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a에 대한 PERC I-V 특성 효율성, b 단락 전류 밀도(Jsc), c 직렬 저항(Rs) 및 d 필 팩터(F.F.)
다른 파장 범위에서 변환 효율을 확인하기 위해 외부 양자 효율(EQE)을 사용하여 300~1200 nm의 파장을 분석합니다[26, 27]. 도 8에 도시된 바와 같이 HDH 처리 전 양자 효율은 400~600 nm 사이에서 평균 EQE가 94%이다. 그러나 HDH 처리 후에는 훨씬 더 높은 EQE 결과를 얻을 수 있습니다. 결과는 400에서 600 nm 사이에서 97%까지 증가함을 보여줍니다. 이는 이미 터 SiN/Si 인터페이스 트랩의 억제에 의해 유도됩니다.
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외부 양자 효율(EQE)은 300~1200 nm
에서 측정됩니다.마지막으로 HDH가 PERC 장치에 미치는 영향을 설명하는 모델을 제안합니다. Ag/SiN/n형 Si 구조의 PERC 에미터와 SiN/Si 계면 트랩 구조와의 관계를 그림 9에 나타내었다. 빛에 의해 유도된 pn 접합에서 전자-정공 쌍이 생성되면 전자가 Ag 상단 전극에. SiN/Si 계면에 계면 트랩이 있으면 전자가 정공과 재결합하는 데 도움이 됩니다. 계면 트랩을 줄이기 위해 HDH 처리가 PERC 장치에 적용되며 고압 가스를 사용하여 장치에 수소를 주입하고 계면과 반응합니다. 처리 후, SiN/Si 계면 및 계면 트랩에서 댕글링 결합을 갖는 수소 결합이 감소된다. 따라서 재결합이 감소하여 누설 전류가 감소하고 Jsc 및 셀 효율이 향상됩니다.
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Ag/SiN/n-type Si 구조 및 SiN/Si 계면 트랩 구조의 초기 및 처리 후 PERC 에미터
이 연구에서 HDH 처리는 인터페이스 트랩을 줄이고 장치 효율성을 향상시키기 위해 성공적으로 제안되었습니다. FTIR 스펙트럼은 처리 후 Si-H 결합이 향상되고 전도도-전압 피크가 감소함을 보여줍니다. 따라서 인터페이스 트랩의 수가 감소하면 누설 전류가 감소하고 이상적인 계수 값도 감소합니다. 또한, 처리 후 효율이 향상되고 Jsc, Rs 및 필 팩터가 증가합니다. 마지막으로 EQE 결과는 단파장의 향상을 보여주며 이는 이미미터 인터페이스 트랩이 감소한 증거입니다.
모든 데이터는 합리적인 요청을 통해 저자로부터 제공됩니다.
고밀도 수소 처리
패시베이션된 이미터 후면 접촉 셀
푸리에 변환 적외선 분광기
2차 이온 질량 분석기
인터페이스 트랩 밀도
회로 전류 밀도
직렬 저항
채우기 비율
외부 양자 효율
후면 필드
뉴사우스웨일스 대학교
반사 방지 코팅
화학 기상 증착
원자층 증착
금속-절연체-반도체 구조
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