Etch-back 공정을 통한 고효율 N-type 태양전지의 보론 에미터 프로파일 형성

국문 초록 (Abstract)

P-type 결정질 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작하는 태양전지는 현재까지도 태양광 발전 분야에서 높은 점유율을 차지하고 있다. 하지만 p-type 웨이퍼에 존재하는 최대 1×1018개의 oxygen이 boron dopant와 결합하여 boron-oxygen complex를 형성하게 되고, 이는 light-induced degradation (LID)을 야기하게 되어 minority carrier lifetime (MCLT)의 감소와 더불어 모듈에서는 1-3%의 효율 감소를 보이며 태양전지에서는 0.2-0.5% 효율을 저하시키는 원인이 된다. 그러나 N-type 태양전지의 경우 기판에 phosphorus가 존재하기 때문에 B-O complex에 의한 LID 현상이 생기지 않을 뿐만 아니라 metal impurity에 의한 불안정성이 없어 높은 lifetime을 가지고 있다. 하지만 boron emitter 형성시의 boron rich layer (BRL)의 형성으로 인한 MCLT (Minority Carrier Lifetime)의 감소 및 효율저하의 문제가 있으며 BRL 형성을 최소화하고 etch-back 공정을 통해 MCLT를 극대화 하는 고면저항 boron emitter 형성 공정 최적화 연구를 진행하였다. boron emitter의 BRL이 잔존하는 상태에서의 etch-back 공정에서는 균일도에 문제가 있다. 따라서 BRL 제거를 위해 in-situ oxidation을 Ramp-down 구간에서 진행하였으며, in-situ Oxidation의 N2와 O2 ratio 변화에 따른 BSG 에칭공정 후 10% HF에서의 Hydrophobic한 표면이 확인하였다. MCLT의 결과는 O2 flow 200 sccm에서 가장 높은 MCLT인 대략 120 μs 및 균일도 5.42 % 확인하였다. 이후 deep junction depth와 낮은 표면 농도를 갖는 boron doping profile을 형성 후 etch-back 공정을 통해 고면저항의 emitter 형성 하였다. 면저항이 증가함에 따라 boron emitter에서의 내부의 misfit dislocation과 금속 불순물과 같은 SRV 증가요소의 감소로 인해 MCLT의 증가가 되는 것으로 판단되며 boron depletion layer (BDL)를 제거되는 100 Ω/sq.에서 SiOx passivation 후 MCLT　360 μs를 확보 하였다. 먼저 태양전지 제작 전 TCAD를 통해 etch-back 공정에 따른 doping profile 변화에 대한 물리적 효과를 분석하였고 그 후 면저항에 따른 태양전지를 제작하여 특성을 분석하였다. 실험 결과 boron emitter 면저항이 100 Ω/sq.에서 효율 19.48%, Voc 636.9 mV, Jsc 39.3 mA/cm2, FF 77.56%으로 다른 면저항 대비 가장 높은 Voc, FF 및 효율을 얻었다. Jsc는 면저항이 증가하면서 재결합의 감소로 150 Ω/sq.에서 39.33 mA/cm2으로 가장 높았으며 200 Ω/sq.에서는 다소 감소하는 경향을 보였다. FF는 BDL이 제거되는 100 Ω/sq.에서 평균적으로 가장 높은 값을 얻었으며 BDL만 제거된 100 Ω/sq.에서 표면 농도가 가장 높으며 접촉 저항이 낮아 FF가 가장 높은 것이라 판단된다. 본 연구를 통해 selective emitter와 같은 복잡한 구조가 아닌 일반적인 구조의 고효율 n-type 결정질 태양전지의 고효율 양산공정 개발이 가능할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 ............................................................................................................................ 1
• 1-1 고효율 태양전지의 동향 ......................................................................................... 1
• 1-2 양면수광형 태양전지의 필요성 ............................................................................. 5
• 1-3 연구방향성 및 목표 .................................................................................................. 7
• 제2장 관련 이론 ................................................................................................................. 9
• 2-1 결정질 실리콘 태양전지 ......................................................................................... 9
• 2-2 불순물 도핑 및 확산 메커니즘 ........................................................................... 18
• 2-3 결정질 실리콘 태양전지 효율 손실 최소화 ..................................................... 22
• 2-4 Boron emitter 형성 방법 ...................................................................................... 24
• 2-5 BBr3를 이용한 Boron emitter 형성 .................................................................. 26
• 2-4-1 Boron rich layer ........................................................................................... 26
• 2-4-2 Boron rich layer 제거 공정 ...................................................................... 27
• 2-4-3 Etch-back 공정을 통한 Boron emitter 도핑 공정 최적화 ............... 28
• 제3장 소자 설계 ................................................................................................................ 29
• 3-1 TCAD tool을 이용한 소자 설계의 필요성 ...................................................... 29
• 3-2 최적화된 Boron emitter 설계 및 분석 .............................................................. 30
• 3-3 Etch-back 공정을 통한 Boron emitter 설계 및 분석 .................................. 34
• 3-4 TCAD tool을 이용한 소자 설계의 결론 .......................................................... 37
• 제4장 Etch-back 공정을 이용한 Bifacial Solar Cell 제작 ...................... 38
• 4-1 Saw Damage Removal & Texture ................................................................... 40
• 4-2 BBr3 확산 공정을 이용한 Boron emitter 도핑 공정 최적화 ...................... 42
• 4-2-1 Boron doping 최적화 공정 실험 .............................................................. 42
• 4-2-2 Boron rich layer 제거 ............................................................................... 43
• 4-2-3 Etch-back 공정을 통한 boron emitter 형성 실험 .............................. 45
• 4-3 Phosphorus BSF 형성 ........................................................................................... 46
• 4-4 Anti Reflection Coating and Passivation Layer 증착 ................................. 47
• 4-5 Metallization ............................................................................................................. 49
• 제5장 결과 및 고찰 ................................................................................................... 50
• 5-1 BBr3 확산 공정을 이용한 Boron emitter 도핑 공정 최적화 ...................... 50 5-1-1 Boron rich layer 제거 특성 ...................................................................... 50
• 5-1-2 Etch-back의 공정에 따른 Boron emitter 특성 ................................ 53
• 5-2 Etch-back 공정을 통한 Bifacial solar cell 제조 결과................................... 58
• 제6장 결론 ............................................................................................................................ 66
• 참고문헌..................................................................................................................................... 67
• Abstract.................................................................................................................................... 71