Subscript

Polysilicon (poly-Si)

Tunnel oxide (SiO_x)

Silicon oxide (SiO₂)

Spin on dopant (SOD)

Quasi-steady-state photoconductance (QSSPC)

Tunnel oxide passivating contact (TOPCon)

Silicon hetero junction (SHJ)

Back surface field (BSF)

Amorphous silicon (a-Si)

Secondary ion mass spectroscopy (SIMS)

1. 서 론

태양광을 이용한 신재생 에너지 발전은 지속 가능한 저탄소 배출 사회를 구현하기 위한 주요 기술 중 하나로 이 중 결정질 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 안정성과 신뢰성면에서 우수한 성능을 보여주고 있다. 이에 따라 고효율 실리콘 태양전지의 연구는 계속해서 활발히 진행되고 있으며 특히, 높은 개방 전압(V_oc)을 달성하기 위해 재결합 손실을 최소화하는 구조를 개발하는 연구가 중점적으로 이루어지고 있다^{1, 2)}.

결정질 실리콘 태양전지에서 가장 많은 재결합 손실이 일어나는 곳 중 하나는 금속 전극과 Si 사이의 직접적인 접촉 영역이다³⁾. 금속 전극과 Si 사이에는 수많은 계면 결함이 존재하며 이 결함으로 인해 캐리어들이 전극으로 이동할 때 재결합이 발생하며 이로 인해 개방 전압 및 전체 소자의 성능이 저하된다. 따라서 결정질 실리콘 태양전지에서의 핵심 연구과제는 전극과 실리콘 사이의 접촉 영역을 최소화하여 재결합 손실을 최소화하는 것이다⁴⁾.

Passivating contact은 이러한 접촉 영역을 완전히 없앤 후 금속 전극과 실리콘 사이에 계면의 결함을 줄일 수 있도록 얇은 패시베이션 박막과 하나의 캐리어만 전극에 선택적으로 전달할 수 있도록 도핑 된 박막을 삽입하여 캐리어 선택성을 높인 구조이다. Passivating contact이 활용된 고효율 실리콘 태양전지 구조로는 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 대표적으로 amorphous Si (a-Si)을 사용한 SHJ 또는 HIT cell⁵⁾이라 불리는 구조와 poly-Si 및 SiO_x를 사용한 TOPCon⁶⁾ 구조 및 POLO⁷⁾ 구조 등이 있다.

Fig. 1

Passivating contact structures (a) SHJ solar cell (b) TOPCon solar cell (c) Double side TOPCon solar cell

a-Si막을 이용한 SHJ 태양전지는 진성 a-Si막(i-poly-Si)을 사용하여 계면을 패시베이션시키고 도핑 된 a-Si막을 이용하여 전극에 선택적으로 캐리어를 전달하면서 높은 패시베이션 특성을 가질 수 있었고 26.7%의 높은 효율을 달성하였다⁸⁾. 하지만 재료 특성 상 고온에서 열처리가 불가능하기 때문에 저온 공정만 가능하며 캐리어 전도를 위해 transparent conduction oxide (TCO)막을 필요로 하기 때문에 대량 생산에 적합하지 않다.

때문에 고온 공정이 가능하여 대량생산에 있어서 유리한 poly-Si막을 이용한 태양전지 구조인 tunnel oxide passivated contact (TOPCon) 태양전지와 polycrystalline on oxide (POLO) 태양전지가 차세대 태양전지 구조로 각광받고 있다^{9, 10)}. 그 중 Fraunhofer ISE에서 개발한 TOPCon 태양전지는 lab-scale에서는 25.7%¹¹⁾의, 대면적으로는 25.1%¹²⁾의 SHJ과 비슷한 수준의 고효율을 보고하였다. TOPCon 구조에서 26% 이상의 고효율을 얻는 방법의 핵심은 보론 에미터와 전면 전극의 접촉 영역에서의 재결합을 줄이는 것이다^{13, 14)}.

따라서 후면뿐만이 아니라 전면에서도 재결합을 줄이기 위한 double side TOPCon 태양전지 구조가 제시되었다^{15, 16)}. 해당 구조는 전극과 Si 사이에 얇은 터널링 산화막(SiO_x)과 함께 도핑 된 polysilicon (poly-Si)막이 에미터 및 back surface field (BSF)로 삽입되었기 때문에 SiO_x의 뛰어난 계면 패시베이션 특성과 도핑 된 poly-Si막의 전계효과 및 캐리어 선택성 능력으로 Al-BSF, p-PERC과 같은 다른 태양전지 구조에 비해 높은 개방전압을 얻을 수 있는 가능성이 있다.

다만, double side TOPCon 태양전지 구조는 전극과 bulk-Si간의 직접적인 접촉영역을 완전히 없앰으로써 높은 V_oc를 얻을 수 있지만, poly-Si에서 발생하는 기생흡수 문제로 인해 단락 전류(J_sc)가 저하되는 단점을 가지고 있다¹⁷⁾. 특히 빛을 직접적으로 흡수하는 전면에 위치한 boron doped poly-Si에서의 기생흡수는 태양전지 효율의 큰 영향을 끼친다¹⁸⁾.따라서 해당 구조의 태양전지를 제작할 때의 핵심은 얇은 poly-Si을 사용하여 기생흡수를 최소화하면서도 높은 패시베이션 품질을 유지하는 것이다.

얇은 poly-Si을 태양전지 전면에 적용하는 방법에는 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 두꺼운 poly-Si을 증착 및 도핑 한 뒤 etch-back 공정을 통해 도핑 된 poly-Si을 에칭함으로써 얇은 층을 얻는 방법이다. 이 방법은 두꺼운 poly-Si이 도핑과정 중 bulk-Si으로 과도핑 되는 것을 막아주는 장점을 가지고 있어 널리 사용되는 방법이다^{19, 20)}.

두 번째 방법은 초기에 얇은 poly-Si을 증착한 후 도핑을 진행하는 것이다. 이 방법은 초기에 poly-Si 증착 후 바로 도핑을 진행하므로 poly-Si이 도펀트가 Si으로 과도핑 되는 것을 막아주지 못하기에 Auger 재결합으로 인해 V_oc가 크게 감소하는 문제가 존재한다²¹⁾. 이 때, 보론 도핑 된 poly-Si은 인이 도핑 된 poly-Si에 비해 에칭 속도가 도펀트 농도에 큰 영향을 받는다²²⁾. 따라서 첫 번째 방법을 사용할 경우, poly-Si의 두께를 정확하게 조절하는 것이 어려워지기 때문에 본 연구에서는 두 번째 방법을 이용하여 poly-Si의 기생흡수를 최소화하면서도 poly-Si의 도펀트 조절 효과를 얻기 위해 얇은 poly-Si막을 증착시킨 후 도핑 배리어로써 SiO₂막을 추가로 증착하여 Auger 재결합을 최대한으로 억제하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 Czochralski 방법을 통해 성장시킨 n-type 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용하였으며, 사용한 웨이퍼의 두께 및 비저항은 각각 180 µm, 1-2 Ω·cm였다. 웨이퍼를 Saw damage etching (SDE) 공정으로 표면을 평탄화시킨 후 RCA 공정 방식으로 클리닝함으로써 웨이퍼 표면의 불순물을 제거하였다. 이후 터널링이 가능한 얇은 산화막을 증착하기 위해 H₂O₂ 용액을 사용하여 습식 산화 방식으로 1.2 nm의 SiO_x를 성장시켰으며, 순차적으로 low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) 장비를 이용하여 약 600°C의 온도에서 SiH₄ 가스를 이용하여 샘플 표면에 i-poly-Si막을 약 50 nm의 두께로 증착시켜 샘플을 준비하였다. 이때 증착된 i-poly-Si은 600°C의 온도에서 증착되었기 때문에 비정질에 가까운 상을 가진다.

도핑 배리어인 SiO₂는 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 장비를 통해 N₂O 및 SiH₄ 가스(1:1)를 사용하여 i-poly-Si 위에 100 nm 두께로 증착하였다. 이후 Filmtronics 사의 B155 source를 표면에 도포시킨 뒤 스핀 코터 장비를 통해 5000 rpm에서 15초 동안 급속으로 회전시킴으로써 소스를 균일하게 코팅해주었다. 그 후 핫플레이트에서 200°C에서 10분 동안 건조함으로써 소스의 유기물을 제거한 뒤 퍼니스 장비를 이용하여 N₂ 분위기에서 950°C 10분 조건에서 열처리를 진행함으로써 도핑 및 poly-Si의 결정화를 완료하였다.

열처리 후 보론 도핑 된 폴리실리콘 위의 boron silicate glass (BSG) 및 native oxide를 제거하기 위해 HF 용액(SAMCHUN, 48.8-49.2%)에 20분 동안 담궈 막을 지웠으며, 이후 수소화 공정을 통해 추가적인 패시베이션 공정을 진행하였다. 수소화 공정은 Al₂O₃ 10 nm 및 SiN_x 100 nm 증착 후 혼합 가스(N₂:H₂ = 95:5) 분위기에서 300°C에서 약 45분 동안 열처리함으로써 완료되었다. 실험 순서도 및 모식도는 Fig. 2를 통해 확인할 수 있다.

Fig. 2

Experimental procedures to fabricate p+poly-Si contact samples

이후 poly-Si/SiO_x 에미터의 특성을 평가하기 위해 패시베이션 품질의 영향을 주는 요소인 (1) poly-Si의 결정화 특성 (2) 도핑 조건에 따른 프로파일 특성(in-diffusion 깊이 및 poly-Si의 도핑 농도에 따른 전계 효과)을 확인해봄으로써 패시베이션 특성을 분석하였다.

poly-Si의 결정화 특성은 transmission electron microscope (TEM) 및 X-ray diffraction (XRD) 측정을 통해 열처리 전후에 따른 결정화 유무를 확인하였으며, 도핑 후 프로파일 및 그에 따른 패시베이션 품질은 secondary ion mass spectrometry (SIMS) 측정 및 QSSPC 장비를 통해 측정하였으며 이를 통해 도핑 배리어가 고효율의 poly-Si/SiO_x 에미터를 제작하는데 도움이 되는 지를 확인하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 poly-Si 결정화

도핑 된 poly-Si막을 열처리 하게 되면, poly-Si이 결정화 되면서 표면 패시베이션 특성이 증가하지만, 동시에 도펀트가 poly-Si 박막으로부터 bulk-Si 기판으로 in-diffusion 되기 때문에 Auger 재결합을 최소화 시키면서도 poly-Si은 결정화 시키는 것이 중요하다. 따라서, poly-Si의 패시베이션 품질을 최대화시키기 위해서는 적절한 열처리 조건을 찾는 것이 중요하다.

Fig. 3은 에미터 형성 조건인 950°C 10분 열처리 공정을 진행하였을 때의 poly-Si의 결정화 특성을 분석하기 위해 열처리 전후에 따른 TEM 및 XRD를 측정한 결과이다.

Fig. 3의 (a-1) 및 (b-1)은 열처리 전후에 따른 샘플의 TEM 사진이며 (a-2) 및 (b-2)는 각각 이를 ImageJ 프로그램을 이용하여 poly-Si의 회절패턴을 측정한 사진이다. 이 그림과 Fig. 3(c)의 열처리 전후에 따른 XRD 패턴의 변화를 통해 열처리 공정을 통해 poly-Si이 완전히 결정화 되었음을 확인할 수 있다.

Fig. 3

Crystallization of poly-Si (a-1) TEM images before annealing (a-2) Diffraction patterns of poly-Si before annealing (b-1) TEM images after annealing (b-2) Diffraction patterns of poly-Si before annealing (c) XRD patterns as a function of annealing

3.2 도핑 배리어 유무에 따른 패시베이션 품질 분석

Fig. 4는 배리어 삽입 유무 및 패시베이션막 조건에 따른 패시베이션 품질을 나타낸 그래프이다. 배리어를 삽입한 샘플은 모두 삽입하지 않은 샘플에 비해 약 50 mV이상의 iV_oc 값이 차이나는 것을 알 수 있다.

Fig. 4

Implied open circuit voltage of p+poly-Si contact samples as a function of doping barrier and passivation layer

그리고 BSG를 에칭하기 전 샘플과 HF 용액을 통해 완전히 에칭한 후의 샘플, BSG를 에칭한 후 추가 패시베이션 공정을 진행한 샘플에 따른 poly-Si/SiO_x의 패시베이션 품질을 비교한 결과 패시베이션 막이 존재할 경우 약 20 mV의 iV_oc 값의 차이를 확인할 수 있었다.

이를 통해 인이 도핑된 poly-Si/SiO_x와는 다르게, Auger 재결합뿐만 아니라 poly-Si 표면의 재결합을 줄이는 패시베이션 역시 중요하다는 사실을 알 수 있었다. 이는 인이 도핑된 poly -Si/SiO_x와는 달리, 보론이 도핑된 poly-Si/SiO_x에서는 소수 캐리어가 poly-Si 내부에 존재할 수 있기 때문에 Al₂O₃/SiN_x 박막을 이용한 전하를 통한 패시베이션이 효과가 있는 것으로 추정된다.

Fig. 5(a)의 도핑 프로파일을 보면 표면 농도는 배리어의 유무에 상관없이 유사한 값을 보이지만 확산 깊이를 비교해보면 배리어를 삽입할 경우 깊이가 약 400 nm 감소한 것을 알 수 있다.

Fig. 5(b)와 Table 1은 프로파일에 따른 재결합 손실의 구성 비율을 EDNA2 시뮬레이션을 통해 계산한 결과이다.시뮬레이션 결과, 확산 깊이의 감소로 인해 J_0,Auger값이 27.4 fA/cm²에서 9.5 fA/cm²로 약 33% 감소한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5

SIMS data and calculated J0 values by EDNA2 as a function of doping barrier

이를 통해 도핑 배리어 SiO₂가 in-diffusion을 효과적으로 막아주며 그로 인해 Auger 재결합을 효과적으로 억제하는 것을 증명하였다.

3.3 poly-Si thickness에 따른 기생흡수량 변화

최종적으로 50 nm의 얇은 poly-Si 사용 시, 실제로 기생흡수량을 줄일 수 있는지 확인해보기 위해 poly-Si 두께에 따른 기생흡수량과 그에 따른 absorbance의 변화를 Sunsolve 시뮬레이션을 이용하여 계산하였다.

Fig. 6은 double side TOPCon구조에서 파장대 별로 bulk-Si의 absorbance값과 poly-Si의 기생흡수값을 나타낸 그래프이다. 전면의 보론 도핑 된 poly-Si이 존재하는 부분인 단파장대에서는 poly-si의 두게가 증가할수록 기생흡수량은 증가하고 그로 인해 si의 absorbance 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

(a) Bulk-Si absorbance (Sunsolve simulation) (b) parasitic absorption (Sunsolve simulation) as a function of poly-Si

4. 결 론

본 연구에서는 고효율 double side TOPCon 구조에서 poly-Si 기반의 passivating contact 에미터를 형성할 때, poly-Si의 기생효과를 최소화 시키기 위해 얇은 poly-Si을 사용하면서도 두꺼운 poly-Si만큼 Auger 재결합을 최소화 시킬 수 있도록 도핑 배리어를 삽입하여 그에 따른 in-diffusion 억제 효과를 확인하였다.

50 nm의 얇은 poly-Si 샘플에서 도핑 배리어를 삽입함으로써 in-diffuison depth를 약 400 nm 감소시킬 수 있었으며 이를 통해 iV_oc가 배리어를 삽입하지 않았을 때에 비해 70 mV 증가한 것을 확인할 수 있었다.

결과적으로 도핑배리어를 삽입하게 되면 poly-Si의 기생흡수을 최대한 줄이면서도 높은 개방전압을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.