규소 태양 전지 모듈이 태양광 시장을 장악하고 있지만, 반전지 절단으로 생성된 새로운 표면은 캐리어 재결합을 심화시켜 셀 효율에 영향을 미칩니다. 에지 패시베이션 기술은 이 문제를 해결할 수 있습니다. Al2O3 박막은 높은 안정성, 높은 유전율, 낮은 굴절률을 가지고 있습니다. 광학 및 광전자 소자에 대한 응용 가능성이 높으며 실리콘 표면 패시베이션에 자주 사용됩니다. Al2O3+ 어닐링으로 증착된 셀의 효율은 0.021%에서 0.119%로 더욱 향상되었고, 모듈 전력은 0.68W에서 3.76W로 더욱 향상되었습니다.

RS-ALD 기술 원리

회전 공간 원자층 증착(RS-ALD) 방법을 사용하여 Al2O3 박막을 제조합니다. 이 방법은 공정 조건을 최적화하고 4 Torr의 공정 압력과 300 sccm의 트리메틸알루미늄(TMA) 유량에서 고품질 Al2O3 박막을 제조합니다.

Al2O3 필름 제조의 RS-ALD 반응 메커니즘

실험 단계:

기판 준비: 불순물 제거, 세척 및 표면 활성화 포함.

가스 주입: TMA와 탈이온수를 각각 전구체로 주입하고 고순도 질소로 분리합니다.

가스 반응: 기판은 회전 트레이에 있는 알루미늄과 산소 전구체에 순서대로 노출되어 Al2O3 필름을 형성합니다.

오버플로 배출: 반응하지 않은 전구체와 부산물이 반응 챔버에서 배출됩니다.

반복 증착: 원하는 필름 두께가 달성될 때까지 위의 단계를 반복합니다.

Al2O3 필름 샘플 준비

웨이퍼 사양 : 두께 150μm, 저항률 150μm의 P형 단결정 실리콘 웨이퍼 <1.5 Ω-cm, 그리고 결정 방향 <100>이 사용됩니다. 세척 공정: 실리콘 웨이퍼는 탈이온수, 이소프로판올, 에탄올, 탈이온수를 차례로 사용하여 일련의 초음파 세척을 거치며, 각 세척 시간은 5분에서 30분 사이입니다. 건조: 세척된 실리콘 웨이퍼는 고순도 질소를 사용하여 건조된 후 RS-ALD 반응 챔버로 이송됩니다.

Al2O3 필름의 특성화

두께 측정: 분광 엘립소메트리를 사용하여 박막 두께를 측정하여 증착 속도를 측정했습니다. 결정 구조 분석: X선 회절계를 사용하여 박막의 결정 구조를 분석했습니다. 표면 형태 및 거칠기: 접촉 모드에서 원자간력 현미경을 사용하여 3μm×3μm 면적의 표면 형태와 표면 거칠기를 특성화했습니다. 소수 캐리어 수명: 실리콘 웨이퍼의 유효 소수 캐리어 수명은 준정상상태(QSS) 광전도 모드에서 소수 캐리어 수명 측정기를 사용하여 측정했습니다.

TOPCon 셀의 에지 패시베이션

TOPCon 셀 에지 40nm Al2O3 필름 증착

RS-ALD 기술: 회전 공간 원자층 증착(RS-ALD) 기술을 사용하여 태양 전지 가장자리에 40nm 두께의 Al2O3 필름을 증착합니다.

증착 영역: 증착된 Al2O3 필름은 셀의 절단면을 덮으며, 약 1mm의 포장 영역으로 셀의 다른 부분에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

Al2O3 필름 공정 매개변수 최적화

다양한 TMA 유량 및 공정 압력에서의 Al2O3 필름 증착 속도

다양한 공정 압력 하에서 Al2O3 필름의 증착 속도

증착 속도와 공정 압력의 관계: 2Torr에서 3Torr 사이에서 증착 속도는 크게 증가합니다(약 32%). 3Torr에서 4Torr로 갈수록 증착 속도는 더욱 증가합니다(약 5%). 4Torr를 초과하면 증착 속도는 크게 증가하지 않습니다.

최적의 공정 조건: 공정 압력 4 Torr, TMA 유량 300 sccm에서 증착 속도와 균일도가 최적입니다. 이 조건에서 박막은 증착 속도가 높을 뿐만 아니라, 원 중심에서 가까운 위치와 먼 위치에서 증착 속도가 더 빨라 박막 균일도가 더 우수함을 나타냅니다.

Al2O3 필름의 균일성

가장 균일한 특성: 공정 ​​압력이 4 Torr일 때, 중심부와 중심부에서 멀리 떨어진 증착 속도는 각각 0.0786 nm/cycle과 0.0780 nm/cycle로 가장 가깝습니다. 이는 필름의 균일성이 가장 우수함을 나타냅니다.

균일성과 공정 압력의 관계: 공정 압력이 증가함에 따라 박막의 균일성은 점차 향상됩니다. 4 Torr에서 가장 균일성이 좋습니다. 4 Torr를 초과한 이후에도 균일성은 지속적으로 향상되지만 증가폭은 미미합니다.

RS-ALD 기술 Al2O3 특성 분석-결정 구조

열처리 전후 Al2O3 박막의 결정구조 변화

결정 구조 변화: 어닐링 처리는 Al2O3 박막을 비정질 상태에서 γ-Al2O3 다결정 상태로 변화시킵니다. 이러한 변화는 박막의 안정성과 부동태화 효과를 향상시키는 데 도움이 됩니다.

SiO2 피크 : 2θ=26.7°의 피크는 SiO2의 (011) 결정면에 대응하며, 이는 기판 및 박막층 내에서의 산소 확산과 관련이 있다.

γ-Al2O3 피크 : 2θ=32.1°, 37.7°, 45.8°의 피크는 각각 γ-Al2O3의 (112), (211), (220) 결정면에 대응하여 어닐링 처리가 Al2O3 박막의 결정화를 촉진함을 나타낸다.

RS-ALD 기술 Al2O3 특성 분석-표면 형태

어닐링 전후 Al2O3 필름의 표면 형태

어닐링 전: 어닐링 전 Al2O3 필름의 표면은 바늘 모양의 구조를 나타내며, 2D 및 3D 이미지에서 명확하게 볼 수 있으며 표면은 비교적 매끄럽습니다.

어닐링 후: 어닐링 처리는 필름 표면 형태를 바늘 모양에서 밸리형 클러스터 모양으로 변화시키고 표면 거칠기를 증가시킵니다. 이러한 변화는 어닐링 처리가 필름의 결정립 성장과 치밀화를 촉진함을 나타냅니다.

표면 거칠기 증가: 어닐링 후 Al2O3 박막의 표면 거칠기가 크게 증가하여 박막의 광학 특성과 기계적 안정성이 향상됩니다. 거친 표면은 빛의 산란을 증가시키고 빛 흡수 효율을 향상시켜 태양 ​​전지의 성능을 향상시킵니다.

RS-ALD 기술 Al2O3 특성 분석-패시베이션 성능

Al2O3 필름으로 패시베이션된 실리콘 웨이퍼의 소수 캐리어 수명

수동화 효과: Al2O3 필름을 증착하면 실리콘 웨이퍼의 소수 캐리어 수명이 크게 향상되어 표면 수동화 효과가 우수함을 나타냅니다.

어닐링 강화: 어닐링 처리로 Al2O3 필름의 수동화 효과가 더욱 강화되고 소수 캐리어 수명이 크게 향상됩니다. 이는 어닐링 처리가 Al2O3 필름의 음고정전하를 활성화하고 필름과 실리콘 웨이퍼 사이의 접촉 계면 품질을 개선하며 표면 재결합을 줄일 수 있음을 나타냅니다.

성능 향상: 소수 캐리어 수명의 향상은 태양 전지의 성능 향상, 특히 개방 회로 전압(Voc)과 충전 인자(FF)의 향상과 직접적으로 관련되며, 이를 통해 전지의 효율이 향상됩니다.

TOPCon 셀 에지 패시베이션 효과

TOPCon 태양전지 성능 개선 요약

Al2O3만 증착: Al2O3 필름만 증착해도 셀 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, Voc, FF 및 효율이 각각 1.7 mV, 0.23% 및 0.098% 증가하고 모듈 전력이 3.08W 증가합니다.

Al2O3 증착 + 어닐링: Al2O3 필름을 증착한 후 어닐링 처리를 하면 셀 성능이 더욱 향상되어 Voc, FF 및 효율이 각각 2.2 mV, 0.34% 및 0.119% 증가했고 모듈 전력이 3.76W 증가했습니다.

어닐링 효과: 어닐링 처리로 인해 셀 성능이 크게 향상되었으며, 특히 Voc와 FF가 개선되었습니다. 이는 어닐링 처리가 Al2O3 필름의 수동화 효과를 활성화하고 표면 재결합을 줄이며 셀의 효율을 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

고품질 Al2O3 필름은 회전 공간 원자층 증착(RS-ALD) 기술을 통해 제조되었으며 TOPCon 태양 전지의 에지 수동화에 적용되었습니다.

어닐링 처리 후, 셀 효율은 0.021% 증가하여 0.119%가 되었고, 모듈 전력은 0.68W 증가하여 3.76W가 되었습니다. 이러한 결과는 태양 전지 성능 향상에 있어 에지 패시베이션이 중요한 역할을 한다는 것을 충분히 보여줍니다.