고밀도 수소 처리로 계면 트랩 최소화하여 PERC 셀 효율 향상

요약

본 연구에서는 고밀도 수소(HDH) 처리를 제안하여 계면 트랩을 줄이고 패시베이티드 이미터 후면 접촉(PERC) 소자의 효율을 높였습니다. 수소 기체를 약 70기압의 압력과 비교적 낮은 온도(약 200°C)에서 압축하여, 소자의 기존 제조 공정을 변경하지 않고 계면 트랩을 감소시켰습니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)으로 Si-H 결합의 강화를 확인했고, 이차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 SiN/Si 계면 트랩을 검증했습니다. 또한 컨덕턴스-전압 전기 측정을 통해 계면 트랩 밀도(Dit)를 추출하여 검증했습니다. 단락 전류 밀도(Jsc), 직렬 저항(Rs), 충전율(F.F.)은 1kW/m² 글로벌 AM1.5 스펙트럼의 시뮬레이션 광원에서 분석하여 셀 효율 증가를 확인했습니다. 외부 양자 효율(EQE)도 측정하여 파장별 변환 효율 향상을 입증했습니다. 마지막으로 처리 전후 실험 결과를 설명하는 모델을 제안했습니다.

서론

태양전지는 세계 여러 재생에너지 중 하나로, 기존 석유화학 에너지를 대체할 가장 유망한 기술로 꼽힙니다. 실리콘[1-3], 페로브스카이트[4,5], III-V족 화합물[6,7] 등 다양한 물질 시스템 기반의 태양전지가 있습니다. 그중 실리콘 기반 태양전지는 저비용, 고안정성, 최대 26%의 우수한 효율[8-10]로 가장 널리 쓰입니다. 패시베이티드 이미터 후면 접촉(PERC) 소자는 후면 전계(BSF) 태양전지를 대체할 잠재적 소자로 주목받습니다[11,12]. 1983년 마틴 그린 교수가 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW)에서 처음 PERC 셀을 제안했으며, 이미터와 후면 패시베이션 층을 결합해 계면 결함을 줄이고 셀 효율을 높이는 개념이었습니다. PERC 이미터와 후면 패시베이션 층이 계면 결함을 패시베이션하지만, 이미터나 반사 방지 코팅(ARC) 층의 박막 품질이 계면에 영향을 미칩니다[13-15].

이전 연구들에 따르면 박막 품질 개선 외에 후속 어닐링 처리로도 결함을 줄일 수 있습니다[16-18]. 질소(95%)와 수소(5%) 혼합 기체로 400°C에서 포밍 가스 어닐링을 하면 수소로 계면 트랩을 줄여 셀 효율을 높입니다. 하지만 이 처리는 약 400°C의 고온을 요구하는데, 200°C 이하에서 제작되는 실리콘 헤테로접합(HIT) 태양전지에는 너무 높은 온도입니다.

본 연구에서는 추가적인 소자 제조 요소 변경 없이 이미터 패시베이션 층과 n형 Si 층 사이 계면 트랩을 줄이는 적절한 고밀도 수소(HDH) 처리를 제안합니다. 기존 연구와 유사하게 HDH 처리는 수소 이온으로 결함을 패시베이션합니다. 실험 결과 FTIR 측정과 이차 이온 질량 분석법(SIMS)에 따르면 HDH 처리 후 Si-H 결합이 강화되었습니다. 또한 컨덕턴스, 단락 전류 밀도(Jsc), 직렬 저항(Rs), 충전율(F.F.) 등 전기적 측정을 추출하여 상태 밀도(Dit) 감소와 셀 효율 증가를 확인했습니다. 마지막으로 HDH 처리가 PERC 태양전지에 미치는 효과를 설명하는 모델도 제안했습니다.

실험 방법

PERC 태양전지 제작

PERC 제작 공정은 다음과 같습니다. 두께 약 150μm의 p형 초크랄스키 실리콘을 기판으로 사용했습니다. KOH 용액으로 Si 기판 표면을 식각하여 피라미드 텍스처 형태를 만들었습니다. p-n 접합을 형성하기 위해 POCl₃를 Si 기판 표면에 확산시켜 n형 층을 만들었습니다. 이후 이미터 SiN 패시베이션 층을 화학 기상 증착(CVD)으로 증착하여 반사 방지 코팅(ARC) 층으로 사용했습니다. ARC 층 증착 후 HF 용액으로 후면 n형 층을 제거했습니다. 이어서 원자층 증착(ALD)으로 25nm 두께의 Al₂O₃ 층을 후면 패시베이션 층으로 증착했습니다. 95nm 두께의 SiN 층을 CVD로 추가 증착했습니다. 후면 패시베이션 공정 완료 후 레이저 에이블레이션으로 홈을 파서 은(Ag) 상부 전극 스크린 인쇄 공정을 준비했고, 하부 전극에는 알루미늄(Al)을 사용했습니다. 마지막으로 금속과 반도체 간 양호한 접촉을 위해 파이어링 공정으로 장치를 가열했습니다. PERC 소자 구조는 그림 1에 나와 있습니다.

HDH 처리

제작된 PERC 소자에 HDH 처리를 적용했습니다. HDH 처리 공정은 그림 2에 나타나 있습니다. 수소 기체를 처리원으로 하여 PERC 소자가 들어 있는 반응 챔버에 주입했습니다. 기체를 70기압으로 압축하고 반응 온도를 200°C로 설정하여 1시간 동안 반응시켰습니다. 이후 기체를 배출하여 HDH 처리를 마쳤습니다.

물질 특성 분석

Bruker VERTEX 70v FTIR로 처리 전후 Si-H 결합을 분석했고, ION-TOF TOF-SIMS V로 SiN/Si 계면의 수소 비율을 분석했습니다.

전기적 특성 분석

Agilent B1500 반도체 분석기와 Cascade M150 프로브 스테이션을 암상자에서 사용하여 명암 조건 모두에서 I-V 및 G-V 특성을 측정했습니다. 효율 파라미터(Jsc, Rs, 충전율)는 25°C에서 1kW/m² 글로벌 AM1.5 스펙트럼의 시뮬레이션 광원으로 추출했습니다. QEX10 태양전지 외부 양자 효율(EQE) 장비로 300~1200nm 파장대의 효율을 분석했습니다.

결과 및 토의

FTIR 분석으로 HDH 처리 유무에 따른 이미터 SiN 패시베이션 층을 조사했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯, 처리 전후 모두 3350cm⁻¹의 N-H 신축 결합과 2165cm⁻¹의 Si-H 신축 결합이 나타납니다. 그러나 처리 후 N-H와 Si-H 결합의 흡수 피크 강도 비가 모두 증가하여 수소가 SiN 층에 주입되었음을 시사합니다.

HDH 처리가 SiN/Si 계면 트랩을 줄이는지 확인하기 위해 이차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 수소 분포를 확인했습니다[22,23]. 그림 4에서 SiN 층이 CVD로 증착되어 벌크 Si보다 수소 강도가 높습니다. 처리 후 벌크에서는 수소 강도가 뚜렷하게 증가하지 않았지만 SiN/Si 계면에서 명확히 강화되어 HDH 처리가 SiN/Si 계면에서 반응함을 보여줍니다.

HDH 처리 후 이미터 SiN 층과 p-Si 기판 사이 Dit 차이를 추가로 확인하기 위해 그림 5와 같이 Al/SiN/p-Si/Al 금속-절연체-반도체(MIS) 구조를 제작했습니다. SiN/p-Si 계면에 다량의 결함이 있으므로 G-V 결과로 계면 트랩 밀도(Dit)를 추출할 수 있습니다[24]. 컨덕턴스 방정식은 다음과 같습니다:

$$ \frac{Gp}{\omega }=\frac{D_{it}\omega {\tau}_{it}}{1+{\omega}^2{\tau}_{it}^2} $$ (1)

여기서 ω는 각주파수, τ는 캐리어 수명, Gp는 주파수 의존성 컨덕턴스입니다. 식 1을 단순화하면 Dit는 컨덕턴스와 관련되며, 처리 후 컨덕턴스 피크가 감소하여 HDH 처리가 PERC 계면 트랩을 줄임을 시사합니다.

다음으로 PERC 셀 소자의 명암 조건 전기 측정을 수행했습니다. 소자 바이어스는 Al 하부 전극에 인가하고 상부 전극은 접지했습니다. 전압 스위핑 범위는 -1~0.75V입니다. 그림 6은 암조건 I-V 특성입니다. HDH 처리 후 누설 전류가 약 0.5오더 정도 유의하게 감소했습니다. 또한 I-V 곡선 우측의 온 전류 험프도 처리 후 감소했습니다. 다이오드 전류 방정식을 따라 이상 계수(ideal factor)를 추출했습니다:

$$ I={I}_s\left[\exp\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] $$ (2)

여기서 Iₛ는 포화 전류, q는 전자 전하, V는 인가 전압, n은 이상 계수, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도입니다. n값이 1에 가까우면 온 전류가 확산 전류에 가깝고, 2에 가까우면 재결합 전류에 가깝습니다[25]. 처리 후 온 전류 기울기가 1.5에서 1.42로 감소하여 결함 감소로 온 전류가 확산 전류에 가까워졌음을 나타냅니다.

전기적 특성을 더 자세히 조사하기 위해 25°C에서 1kW/m² 글로벌 AM1.5 스펙트럼 시뮬레이션 광원으로 효율 파라미터(Jsc, Rs, 충전율)를 추출했습니다. HDH 처리 후 평균 효율이 17.3%에서 18.2%로 향상되었습니다(그림 7a). Jsc도 37.6에서 38.2mA로 증가했습니다(그림 7b). Rs는 0.712에서 0.487로 감소했습니다(그림 7c). 충전율은 70.5에서 73.3으로 증가했습니다(그림 7d).

파장별 변환 효율을 확인하기 위해 외부 양자 효율(EQE)로 300~1200nm 파장대를 분석했습니다[26,27]. 그림 8에서 HDH 처리 전 400~600nm 사이 평균 EQE는 94%였으나, 처리 후 97%로 증가했습니다. 이는 이미터 SiN/Si 계면 트랩 억제에 기인합니다.

마지막으로 HDH가 PERC 소자에 미치는 효과를 설명하는 모델을 제안했습니다. PERC 이미터의 Ag/SiN/n형 Si 구조와 SiN/Si 계면 트랩 구조의 관계를 그림 9에 보였습니다. 빛에 의해 p-n 접합에서 전자-정공 쌍이 생성되면 전자는 Ag 상부 전극으로 이동합니다. SiN/Si 계면에 계면 트랩이 있으면 전자-정공 재결합을 돕습니다. 계면 트랩을 줄이기 위해 HDH 처리를 적용하여 고압 기체로 수소를 소자에 주입해 계면과 반응시켰습니다. 처리 후 수소가 SiN/Si 계면의 댕글링 본드와 결합하여 계면 트랩이 감소했습니다. 따라서 재결합이 줄어들어 누설 전류가 감소하고 Jsc와 셀 효율이 향상되었습니다.

결론

본 연구에서 HDH 처리로 계면 트랩을 줄이고 소자 효율을 높이는 데 성공했습니다. FTIR 스펙트럼에서 Si-H 결합 강화와 컨덕턴스-전압 피크 감소를 확인했습니다. 따라서 계면 트랩 감소로 누설 전류가 줄고 이상 계수 값도 감소했습니다. 또한 처리 후 효율이 향상되었고 Jsc, Rs, 충전율이 개선되었습니다. 마지막으로 EQE 결과에서 단파장 영역 향상이 나타나 이미터 계면 트랩 감소를 입증했습니다.

데이터 및 자료 가용성

모든 데이터는 저자에게 합리적 요청 시 제공 가능합니다.

약어

HDH:

고밀도 수소 처리

PERC:

패시베이티드 이미터 후면 접촉 셀

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광법

SIMS:

이차 이온 질량 분석법

Dit:

계면 트랩 밀도

Jsc:

단락 전류 밀도

Rs:

직렬 저항

F.F.:

충전율

EQE:

외부 양자 효율

BSF:

후면 전계

UNSW:

뉴사우스웨일스 대학교

ARC:

반사 방지 코팅

CVD:

화학 기상 증착

ALD:

원자층 증착

MIS:

금속-절연체-반도체 구조