ALD 알루미나 패시베이션을 이용한 고성능 실리콘 나노와이어 이종접합 태양전지
초록
실리콘 나노와이어(SiNW)는 광학 구속 효과로 고효율 박막 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지 구현에 유망하다. 10 μm 길이 SiNW 어레이는 1200 nm 미만 태양광 충분 흡수 가능해 Si 웨이퍼 영향 배제 위해 10 μm SiNW를 Si 웨이퍼 상에 제작. 반면 SiNW 표면 패시베이션은 표면 재결합 감소와 태양전지 적용 위해 필수. 본 연구에서 원자층 증착(ALD)으로 알루미나(Al₂O₃) 패시베이션 막 형성. 그러나 SiNW 전체가 Al₂O₃로 덮여 캐리어 외부 회로 이동 불가. 이에 화학-기계 연마(CMP)로 SiNW 상단 산화막 균일 제거. 비정질 실리콘(a-Si) 이용 이종접합 태양전지 제작해 1.6% 효율 달성. SiNW 및 c-Si 태양전지 내부 양자 효율(IQE) 비교. 340 nm 이하 파장 영역에서 SiNW 태양전지 IQE가 c-Si 소자보다 높아 SiNW 흡수 증가 확인, SiNW가 c-Si 박막화에 유망함 시사.
서론
결정질 실리콘(c-Si) 태양전지는 높은 효율과 풍부함으로 세계적 사용. 발전 단가 절감 위해 효율 향상과 제조비 절감 필요. 그러나 c-Si 효율은 이론 한계 근접, 개방 회로 전압(V_oc)이 오제 재결합으로 제한돼 추가 향상 어려움. 초박막 c-Si 막 제작은 V_oc 개선 효과적이나 극박막은 낮은 흡수 계수로 단락 전류 밀도(J_sc) 저하. 최근 SiNW가 태양전지 빛 가두기 필수 강한 광학 구속 효과로 주목. 이전 실험에서 폴리디메틸실록산으로 Si 웨이퍼서 SiNW 박리해 광학 특성 평가 성공. 10 μm SiNW 어레이 충분 흡수로 c-Si 두께 감소 가능. 자립형 SiNW 어레이 제작 난해해 Si 웨이퍼 필요. 본 연구: 10 μm SiNW 어레이 Si 웨이퍼 상 제작, 1200 nm 이하 파장 흡수 극대화 위해 Si 웨이퍼 영향 배제. 동시에 태양전지 구조 적용 위해 표면 패시베이션 막 형성해 표면 재결합 저감 필요. SiNW 고종횡비로 화학 기상 증착(CVD) 패시베이션 막 형성 어려워 ALD로 Al₂O₃ 패시베이션. Al₂O₃ 함유 SiNW 어레이는 기계적 강도 향상으로 웨이퍼 박리 불가. 또한 절연 Al₂O₃ 막으로 캐리어 외부 회로 이동 불가. 그림 1과 같이 10 μm SiNW Si 웨이퍼 상 신규 구조 제안.
실험 방법
SiNW 어레이 및 Al₂O₃ 제작
p형 Si(100) 웨이퍼(8~10 Ω·cm, 550 μm) HF/AgNO₃ 용액 침지해 Ag 입자 증착. 4.8 M HF, 0.15 M H₂O₂ 상온 화학 식각, HNO₃로 Ag 막 제거. HF로 SiNW 어레이 표면 산화층 제거. 식각 시간 조절로 10, 15, 20 μm 길이 SiNW 제작. SiNW 간격 커 실리카 입자(~80 nm, 에탄올 분산) 충전. 66 nm Al₂O₃ ALD로 댕글링 본드 패시베이션. 전계 방출 SEM(JEOL JSM-7001F)로 구조 관찰.
SiNW 상단 Al₂O₃ 제거
식각 페이스트와 CMP로 SiNW 상단과 Al₂O₃ 제거. 그림 2a: 식각 페이스트 Al₂O₃층 형성, 어닐링 제거, 페이스트 제거. CMP: 그림 2b 상세 공정. 태양전지 구조에서 SiNW 길이 10 μm 고정, 초기 SiNW 길이 변화로 식각 두께 조절. 초기 10 μm → 식각 두께 0 μm(SiNW 10 μm, 잔여 웨이퍼 540 μm) = Al₂O₃만 식각. 초기 15 μm → 식각 길이 5 μm(5 μm SiNW+Al₂O₃, SiNW 10 μm, 잔여 웨이퍼 535 μm). 초기 20 μm → 식각 길이 10 μm(10 μm SiNW+Al₂O₃, SiNW 10 μm, 잔여 웨이퍼 530 μm).
태양전지 구조 제작
그림 1 태양전지 구조; a-Si/Si 이종접합 채택. 제작 공정/조건 동일(그림 2 참조). 참조 태양전지는 SiNW 없는 p형 Si 웨이퍼 사용. PECVD로 i형 a-Si:H(5 nm), n형 a-Si:H(10 nm), p형 a-Si:H(10 nm) 이중 이종접합 형성. ITO(80 nm) 및 Ag 그리드 전극 제작. 자외-가시-근적외 반사율 측정. 준정상 광전도도(QSSPC, Sinton Instruments)로 SiNW 소수 캐리어 수명 측정. 조명 I-V 및 양자 효율 특성화. 동일 웨이퍼 무처리 참조 셀 파라미터 표 1.
결과 및 고찰
Al₂O₃ 없는 SiNW 어레이 소수 캐리어 수명 QSSPC로 측정 불가. SiNW 표면 다수 결함(댕글링 본드 연관) 소수 캐리어 재결합 유발. ALD로 Al₂O₃ 증착 패시베이션(그림 3b), Al₂O₃가 SiNW 어레이 사이 공간 없이 임베드됨. 공간 존재 시 CMP 중 막 파손 우려. Al₂O₃ 두께 증가에 따라 Si 웨이퍼/Al₂O₃ 수명 증가, 66 nm부터 포화(그림 4a). Al₂O₃ 두께 66 nm 설정. 그림 4b: 소수 캐리어 밀도 함수 수명. SiNW/Al₂O₃ 수명 65 μs로 급증(그림 4). 댕글링 본드 패시베이션으로 결함 밀도 감소. 형성 가스(FG) 어닐링으로 수명 157 μs 추가 향상. Si 웨이퍼/Al₂O₃ 캐리어 밀도 함수 수명 경향, 어닐링 유무 차이. 저 캐리어 밀도 영역에서 음고정 전하로 수명 증가, 어닐링 없을 때 쇼클리-리드-홀 재결합 지배로 감소. 음고정 전하가 Al₂O₃/Si 계면 밴드 벤딩 형성 영향, Si 표면 재결합 감소. 어닐링 후 SiNW/Al₂O₃ 수명 향상은 음고정 전하 기인. SiNW 완전 Al₂O₃ 피복돼 캐리어 외부 회로 이동 불가. 태양전지 구조 위해 SiNW 상단 Al₂O₃ 식각 페이스트와 CMP로 제거 필요.
식각 페이스트 이용 Al₂O₃ 제거
식각 페이스트로 SiNW 어레이 상단 Al₂O₃ 제거 후 n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si 이종접합 구조 제작. 그림 5a: SiNW 태양전지 I-V 특성, R_s, R_sh, 이상성 인자, 정류비(RR) 등 파라미터. RR=I_F/I_R(I_F: 0.5 V 순방향, I_R: -0.5 V 역방향). SiNW 태양전지 광전 효과 관측, Al₂O₃ 상단 제거 확인. 그러나 효율 0.14%로 낮음(J_sc, V_oc 낮음). V_oc 저하: 식각 페이스트 사용 후 SiNW/Al₂O₃ 수명 157→9 μs 감소. 그림 5b 고배율 SEM: 노출 SiNW 영역 작아 캐리어 추출 감소. 그림 5c 저배율: 식각 불균일, 식각 전 형상 불균일로 식각 후 Al₂O₃ 불균일 증가. 식각 페이스트로 균일 제거 어려움, J_sc 향상 위해 균일 식각 필요.
CMP 이용 균일 Al₂O₃ 식각
CMP로 SiNW 증착 Al₂O₃ 균일 식각. 그림 6a,b: CMP 후 SiNW/Al₂O₃ 상단 SEM. SiNW 어레이 파손 없음 → SiNW 사이 공간 임베드로 기계적 강도 향상. CMP로 Al₂O₃ 균일 식각 → SiNW/Al₂O₃ 상단 평탄화.
CMP 후 PECVD로 n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si 이종접합 제작. 그림 7: 식각 두께 0, 5, 10 μm SiNW 태양전지 I-V, 파라미터 표 2. 식각 두께 0 μm(상단 관찰 시 식각 정지): 광전 효과 확인, 효율 0.8%, J_sc 6.11 mA/cm². 식각 페이스트 대비 J_sc 증가하나 여전히 낮음. 그림 4a처럼 SiNW 상단 표면장력 응집으로 일부 SiNW a-Si 층 비접촉 → 캐리어 추출 곤란. 접촉 면적 늘리기 위해 식각 두께 5 μm → J_sc 10.3 mA/cm². 10 μm → J_sc 14.0 mA/cm². 응집 SiNW 제거로 SiNW/a-Si 접촉 면적 증가. 반면 V_oc 극저 0.3 V. CMP 후 소수 캐리어 수명 157→19 μs 급감 → Al₂O₃ 패시베이션 품질 저하. 저 소수 캐리어 밀도 영역 수명 감소 → 음고정 전하 감소. SiNW 표면 재결합 중심 증가 → 저 V_oc. 또한 나노와이어 표면 산란으로 캐리어 이동도, 전도도 저하. CMP로 음고정 전하 감소 가능성이나 메커니즘 불명. R_s, R_sh, 이상성 인자, RR 비교: 식각 페이스트 파라미터가 CMP보다 우수. CMP R_s 더 크고 R_sh 더 낮아 잔여 오염물질이 SiNW 상단 남아 SiNW/a-Si 양호 접촉 방해 가능성. V_oc, J_sc 향상 위해 패시베이션 품질 개선 추가 연구 필요.
양자 효율 비교
10 μm SiNW 및 c-Si 태양전지 양자 효율 비교. 외부 양자 효율(EQE): SiNW 셀 강도 대부분 c-Si보다 낮음(그림 8a). 단 300~500 nm 영역 EQE 향상. 반사율(그림 8b): SiNW 소자 반사율 c-Si보다 낮음, 특히 단파장(300~500 nm) 급감. 반사율 낮으나 타 영역 EQE 낮음. 장파장 빛 SiNW 하단 흡수돼 EQE 감소. 반사율 영향 배제 위해 내부 양자 효율(IQE) 비교. SiNW IQE > c-Si IQE 파장 영역 축소. 340 nm 이하에서 SiNW IQE 높음 → SiNW 흡수 증가. 흡수 증가는 광학 공동 효과 아닌 빛 가두기 효과 기인. SiNW 직경/위치 제어로 광학 공동 효과 기대 가능. 금속 보조 식각(MAE) SiNW 직경/위치 랜덤해 공동 효과 어렵. 반면 랜덤 구조 강한 빛 가두기 효과 → MAE SiNW가 c-Si 박막화 유망.
결론
SiNW 표면 패시베이션은 태양전지 소자 적용 핵심. ALD Al₂O₃로 댕글링 본드 패시베이션. ALD가 SiNW 전체 피복해 캐리어 외부 회로 이동 차단. 식각 페이스트와 CMP로 SiNW 상단 Al₂O₃ 제거. 식각 페이스트로 0.14% 효율 SiNW 태양전지 달성. 표면장력 SiNW 응집으로 SiNW/a-Si 접촉 면적 작아 저 J_sc. 식각 두께 증가로 효율 1.6% 개선(J_sc 향상). EQE: SiNW 셀 c-Si 대비 낮으나 300~500 nm 반사율 급감으로 EQE 향상. 반사율 영향 제거한 IQE 비교: 340 nm 이하 SiNW IQE 높음 → 흡수 증가, SiNW가 c-Si 박막화 유망 시사.
