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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.5 pp.262-266
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.5.262

Effect of Laser Ablation on Rear Passivation Stack for N-type Bifacial Solar Cell Application

Kiryun Kim, Hyo Sik Chang†
Graduate School of Energy Science and Technology, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : hschang@cnu.ac.kr (H. S. Chang, Chungnam Nat’l Univ.)
April 27, 2020 May 8, 2020 May 8, 2020

Abstract


In this paper, we investigated the effect of the passivation stack with Al2O3, hydrogenated silicon nitride (SiNx:H) stack and Al2O3, silicon oxynitride (SiONx) stack in the n type bifacial solar cell on monocrystalline silicon. SiNx:H and SiONx films were deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition on the Al2O3 thin film deposited by thermal atomic layer deposition. We focus on passivation properties of the two stack structure after laser ablation process in order to improve bifaciality of the cell. Our results showed SiNx:H with Al2O3 stack is 10 mV higher in implied open circuit voltage and 60 μs higher in minority carrier lifetime than SiONx with Al2O3 stack at Ni silicide formation temperature for 1.8% open area ratio. This can be explained by hydrogen passivation at the Al2O3/Si interface and Al2O3 layer of laser damaged area during annealing.



N형 양면 수광 태양전지를 위한 레이저 공정의 후면 패시베이션 적층 구조 영향성

김 기륜, 장 효식†
충남대학교 에너지기술과학 대학원

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    현재 태양광 산업에서 가장 많이 사용 중인 p형 실리 콘 PERC(passivated emitter and rear contact) 태양전지 는 20 % 효율을 초과 달성하고 있다. 그러나 p형 기반 의 실리콘 물성의 특성으로 인하여, 20 % 중반 이상의 더 높은 효율을 위해서 n형 태양전지가 대두되고 있다. 대표적인 n형 고효율 태양전지로는 이종 접합 태양전지 (HIT, heterojunction with intrinsic thin-layer), TOPCon 태양전지(tunnel oxide passivated contact) 등을 예로 들 수 있다. 또한 직사광 이외에도 반사광으로도 발전 할 수 있는 양면 수광 태양전지 또한 차세대 태양전지로 유 망되고 있고 앞으로 그 점유율이 점차 늘어날 전망이다.1) 기존 p형 기반의 공정을 사용 시, 붕소를 이용한 에미 터 공정과 패시베이션 공정 등의 고효율 공정에서의 어 려움을 보여주고 있어서 여러 다른 방안들이 연구되고 있다.2-4) Fig. 1는 n형 양면 수광 태양전지 구조의 한 예 를 보여준다. n형 태양 전지는 광 열화 현상(LID, light induced degradation)이 적고 금속 불순물이 적어서 효율 향상 측면에서 더 이점을 갖고 있으며, 양면 수광 태양 전지 모듈을 제조 시 더 높은 태양광 모듈 출력을 나 타낼 수 있다.5-7) 스크린 프린팅을 이용한 p형 PERC 태 양전지는 패시베이션 층으로 원자층 증착법으로 Al2O3 박 막 또는 열 산화법에 의한 실리콘 산화막(SiO2)을 사용 하고 그 위에 반사방지막과 전극 배리어 막으로 SiNx:H 막이 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)에 의해 증착 된다.8) p형 PERC 태양전지에서 Al2O3/SiNx:H 적층구조 는 고온 소성 열처리 과정에서의 blistering이 많이 발생 하게 되면 패시베이션 효과가 감소하게 되어 SiONx 박 막이 더 안정적인 패시베이션 특성을 보인다.9) 열처리 온 도 감소 필요성과 전극 미세화 요구로 인하여 도금 공 정이 전극형성에 사용되어 지고 있어,10-11) 본 연구에서 는 n형 양면 수광 태양전지 구조에서 도금 전극 형성 온도 적용에 따른 후면 패시베이션 적층 구조의 특성 변 화를 레이저 공정과 함께 조사하였다.12)

    2. 실험 방법

    2.1 후면 패시베이션 특성 확인

    Fig. 2(a)는 n형 양면 수광 태양전지 공정 순서이다. 본 논문에서는 이 중 후면 패시베이션 적층 및 레이저 식 각 공정을 다루었다. 먼저 n형 결정질 실리콘 웨이퍼에 80 °C, 10 % KOH 용액을 이용하여서 표면평탄화(SDR, saw damage removal)를 실시하였다. 그 후 RCA(radio corporation of America) 클리닝을 통해 표면의 금속 산 화물, 유기물 및 기타 오염원들을 제거하였고, 공정 직 전에는 5 % HF(hydrogen fluoride) 용액을 이용하여서 표면의 산화막을 제거하였다.

    Thermal ALD(atomic layer deposition) 장비로 C6H18Al2 (TMA, trimethylaluminum)과 H2O를 이용하여서 Al2O3 박 막을 20 nm 두께로 양면으로 증착하였다. 증착 온도는 280 °C에서 진행하였고, pulse 및 purge time은 각각 TMA가 0.5초(pulse), 8초(purge), H2O가 0.2초(pulse), 8초 (purge)로 진행하였다.13) 후면 박막 증착은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 장비로 진행하였다. 캐리어 가스로 N2를 사용하였고 SiNx 증착은 NH3, SiH4 를 2:1의 비율, SiONx 증착은 NH3, SiH4, N2O를 2:2:1 의 비율로 사용하였고 파워는 200W에서 실행하였다. 양 면 박막 증착 후에는 전극 형성을 위한 레이저 식각을 진행하였다. Fig. 2(b)는 기판 위에 증착 된 박막 및 레 이저 식각을 실시한 단면을 나타내었다. 개방을 위한 레 이저 식각은 나노초 자외선 펄스 레이저로 진행하였으 며, 개방 비를 통하여 각각 다른 특성을 확인하였다. 레 이저 공정이 끝난 이후에는 RTP(rapid thermal process) 장비를 통해서 N2 분위기 에서 열처리를 진행하였다. 도 금 공정 중 Ni 도금에서의 NiSi 형성은 400 ~ 600 °C에 서 열처리가 진행된다. 따라서 레이저 식각 공정 후의 열처리는 500 °C에서 진행하였다.14)

    레이저 식각 후 광학 현미경(OM, optical microscope) 과 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope) 으로 레이저 식각 프로파일 단면 및 평면을 확인하여 평 균적인 측정값으로 개방 비(open area ratio)를 계산 하 였다.

    각 공정 후에는 패시베이션 특성을 관찰하기 위해서 QSSPC(quasi-steady-state photoconductance) 장비를 이 용해서 개방전압(implied Voc, iVoc) 및 소수 전하 수명 (minority carrier lifetime)을 측정하였다. 각 공정별로 1. Al2O3 박막 증착, 2. SiNx 및 SiONx 박막 증착, 3. 레 이저 식각, 4. 열처리 공정 후에 측정하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 레이저 공정 조건

    n형 웨이퍼에 레이저 세기를 1.1W, 1.4W, 1.6W 로 변화 시킨 후 레이저 식각을 진행한 평면을 나타내었다. Fig. 3(a)에서는 레이저 세기 증가에 따른 식각 면적을 나 나타냈다. 각각 28.9 μm, 30.9 μm 32.2 μm, 두께를 확인 할 수 있었다. 또한 레이저 파워(PWF)에 따른 레 이저 세기 그래프를 Fig. 3(b)에 정리하였다.

    n형 웨이퍼에 Al2O3를 양면으로 20 nm, 후면에 SiONx 를 160 nm, SiNx를 120 nm 증착 한 후 레이저 식각을 실시하였고 그 두께를 Fig. 4(a), 4(b)에 나타냈다. 전극 간의 간섭을 피하기 위해서 레이저 사이 간격은 1 mm 로 설정하였다. 레이저 파워는 PWF 200부터 PWF 300 까지 10 단위로 변화를 시켰으며 전류를 31.4 A, 31.9 A, 32.4 A, 32.9 A 로 변화시켜서 식각 된 면적을 확인하였 고 그에 따른 개방 비를 계산하였다.

    그 결과 레이저 파워가 증가함에 따라서는 선폭이 일 정한 수치로 증가하지만 전류가 증가함에 따라서는 선 폭이 크게 증가하기보다는 실리콘이 더 많이 식각되는 양상을 확인하였다.

    3.2 개방 비와 패시베이션 효과 확인

    n형 웨이퍼에 Al2O3 박막을 양면으로 20 nm 증착하고, 후 면에 SiONx 박막을 160 nm 증착 하였다. 실리콘 기판에 전극 형성 면적이 적은 선 폭에서는 도금 공정을 진행 하기가 어렵다.15) 따라서 도금 전극 형성이 가능한 면적 의 개방 비를 위한 실험 결과 1.8 % 에서 최적의 조건 을 확인하였고 개방 비 1.8 % 부터 2.2 %, 2.5 %로 조 건을 변경하여서 식각을 진행 하였다. 그 후 열처리를 진행 한 후 개방 전압과 소수 전하 수명을 측정하였고 Fig. 5에 정리하였다. 개방 비가 증가함에 따라서 패시 베이션 면적이 감소하게 됨으로 패시베이션 효과가 감 소하는 것을 확인 하였다.

    3.3 SiNx, SiONx 박막 특성 비교

    n형 웨이퍼에 Al2O3 박막을 양면으로 20 nm 증착 하 고, 후면에 SiONx 박막을 160 nm, SiNx 박막을 120 nm 각각 증착한다. 그 후 개방 비를 1.8 %로 레이저 식각 을 실시하고 열처리를 진행 한 후 공정 후에 개방 전 압과 소수 전하수명을 측정하였고 그 변화를 Fig. 6으 로 정리하였다.

    열처리 공정 후 SiONx 박막에서 개방 전압 및 소수 전하 수명이 666 mv, 339.1 μs임을 확인했고, SiNx 박막 에서 676 mV, 402.52 μs를 확인했다.

    Fig. 7은 SiNx:H, SiONx 박막 증착과 열처리 후의 SIMS(secondary ion mass spectrometry) 측정 H, Al 프 로파일을 나타낸다. Fig. 7(a)는 SiNx:H 박막이 열처리 후 에 실리콘 기판과 Al2O3 박막 계면에서 수소의 함량이 상 승 한 것을 확인 할 수 있다. SiNx:H 박막 증착 공정에 서는 SiH4, N2, NH3 가스를 사용하고, SiONx 공정 에 서는 위 세 가스 이외에도 N2O 가스를 사용하여서 공 정을 진행한다. 이는 공정 중에서는 Si – O 결합(bond energy : 108 kcal/mol)이 Si – N 결합(bond energy : 77 kcal/ mol)보다 먼저 반응을 일으키기 때문에 SiONx 공정 중에 서 NH3 반응 발생 빈도는 상대적으로 감소하고, 막 내 에 수소의 함량이 낮아져서, 박막의 수소 함유량은 낮아 진다.16-17) 스크린 프린팅 공정을 이용한 고온 공정(800 °C) 과는 다르게,9) 도금 전극에 의한 500 °C 정도이하의 온 도에서는 blistering이 적게 나타나기 때문에 수소의 계면 패시베이션 특성이 중요하게 된다. 그럼으로, SiNx:H 박 막에 있는 수소가 실리콘 계면으로 확산되면서 레이저 공 정에 의한 실리콘 기판 손상을 패시베이션 하는 것으로 판단된다.9) Fig. 7(b)는 SiONx 박막의 적층 경우에는 열 처리 이후에 수소의 변화가 많지 않다. 그 결과 열처리 공정 후에 SiNx:H 박막이 SiONx 박막 보다 10 mV, 80 μs 만큼 더 좋은 특성을 보이는 것으로 생각된다.

    4. 결 론

    n형 양면 수광 태양전지와 도금 전극 형성 조건에서 의 레이저 공정에 따른 Al2O3/SiNx:H과 Al2O3/SiONx 박 막 적층에서의 패시베이션 특성을 고찰하였다. SiNx:H박 막 적층 조건이 레이저 공정과 열처리 후에 SiONx 박 막 적층 경우에서보다 iVoc 10 mV 더 좋은 패시베이션 특성을 나타내었다. 이는 실리사이드 공정 온도에서의 열 처리 진행시 SiNx:H 박막 내의 수소가 실리콘으로 확산 되는 것을 SIMS 프로파일로 확인하였다. 양면 수광 태 양전지를 제조를 위한 레이저 식각 공정에서 유발된 실 리콘 기판 계면의 수소 패시베이션 역할이 중요하다는 것을 나타낸다.

    Figure

    MRSK-30-5-262_F1.gif

    N type bifacial solar cell structure.

    MRSK-30-5-262_F2.gif

    (a) n type bifacial solar cell process and (b) structure of passivation layer with laser ablation

    MRSK-30-5-262_F3.gif

    (a) SEM top view image of laser ablation and (b) laser watt by power factor

    MRSK-30-5-262_F4.gif

    Line width and open area ratio of (a) SiONx layer and (b) SiNx:H layer stack as a function of laser power

    MRSK-30-5-262_F5.gif

    passivation properties as a function of open area ratio

    MRSK-30-5-262_F6.gif

    passivation effect of (a) SiONx layer and (b) SiNx layer as a function of process step

    MRSK-30-5-262_F7.gif

    SIMS Al, H profile with as-deposited and annealed conditions of (a) SiONx layer and (b) SiNx layer

    Table

    Reference

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