원자층 증착(ALD) 기술 우수한 제어성, 균일성 및 적합성으로 인해 마이크로나노 전자, 에너지 저장 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 200°C 및 60rpm의 조건에서 트리메틸알루미늄과 물을 전구체로 사용하여 증착 속도가 0.12nm/s, 표면 거칠기가 0.883nm, 소수 캐리어 수명이 189.6μs인 고품질 Al2O3 필름을 형성했습니다. 에지 패시베이션 후 TOPCon 태양 전지의 효율은 0.123% 증가했고 모듈 전력은 3.78W 증가했습니다.

원자층 증착(ALD) 흐름도

ALD 흐름도

전구체 수송: 질소는 두 가지 전구체(이 연구에서는 TMA와 수증기)를 서로 다른 반응 챔버로 운반하고, 고순도 질소가 둘을 분리합니다.

기판이 TMA 반응 챔버로 회전합니다. 기판(실리콘 웨이퍼)이 TMA(트리메틸알루미늄) 반응 챔버로 회전하고, TMA는 화학적 흡착을 통해 기판 표면과 결합하여 새로운 작용기를 형성합니다.

기판 세척: 기판은 TMA 반응 챔버에서 나와 고순도 질소 챔버로 회전하여 반응하지 않은 전구체와 반응 생성물을 세척하고 첫 번째 반쪽 반응을 완료합니다.

기판은 수증기 반응 챔버로 회전합니다. 기판은 수증기 반응 챔버로 회전하고, 수증기는 기판의 작용기와 화학적으로 반응합니다.

기판 세척 다시: 기판은 수증기 반응 챔버에서 나와 고순도 질소 챔버로 회전하여 기판 표면을 세척하고 두 번째 반응의 끝을 표시합니다.

위의 5가지 공정을 완료하면 완전한 ALD 사이클이 구성되며, 각 사이클에는 단층 반응만 포함되고, 위의 단계를 반복하여 필요한 필름 두께를 생산합니다.

Al2O3 필름 샘플 제조

두께 150μm, 크기 158 mm×158 mm, 저항률 0.4-1.5Ω·cm의 P형 양면 연마 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.

실리콘 웨이퍼는 처음 초음파 세척, 아세톤, 무수 에탄올, 탈이온수로 각각 15분씩 세척한 다음 고순도 질소 분위기에서 건조했습니다. 세척 및 건조된 실리콘 웨이퍼는 회전 공간 원자층 증착(RS-ALD) 반응 챔버에 넣었습니다.

다양한 온도(80°C-300°C), 회전 속도(30rpm-180rpm), 공정 사이클(200사이클)에서 여러 그룹의 Al2O3 필름을 제조했습니다. 필름의 증착 속도, 표면 모양, 패시베이션 능력을 특성화하여 최적의 공정 조건에서 Al2O3 필름을 얻을 필요가 있습니다.

TOPCon 셀 에지 패시베이션

TOPCon 셀 에지 패시베이션 공정

상업용 TOPCon 셀(크기 182mm×91mm, 전면에 붕소 방출기 포함)은 다음을 사용하여 절단되었습니다. 열 레이저 분리(TLS).

이 절단 기술은 세포가 비교적 더 매끄러운 절단 표면을 얻을 수 있게 해줍니다. 다른 절단 방법과 비교했을 때, TLS 기술은 절단 과정에서 세포 재료의 손상을 줄이는 장점이 있습니다.

Al2O3 박막의 특성화

두께 및 굴절률 측정

다양한 온도 및 속도에서의 필름 두께 및 굴절률

다양한 온도에서의 필름 두께와 굴절률

엘립소메트리 분광기는 Al2O3 필름의 두께가 증착 온도가 증가함에 따라 먼저 증가한 다음 감소함을 보여주었습니다. 200°C에서 필름 두께는 0.065 nm/s의 증착 속도로 26.3 nm의 최대값에 도달했습니다. 더 높은 온도에서 필름 두께는 감소했는데, 아마도 실리콘 웨이퍼 표면의 분석 반응 때문일 것입니다.

굴절률: 200°C에서 최대 굴절률은 1.708이었는데, 이는 이 온도에서 증착된 Al2O3 필름의 밀도가 약간 더 높다는 것을 나타냅니다.

다양한 회전 속도에서의 필름 두께 및 굴절률

회전 속도가 증가함에 따라 필름 두께는 점차 감소하여 30rpm에서 26.3nm에서 60rpm에서 23.9nm, 90rpm에서 18.2nm가 되었다. 이는 회전 속도가 너무 빨라 각 반응 챔버에서 기판의 체류 시간이 너무 짧아 반응물이 기판에 불포화 흡착되었기 때문일 수 있다.

굴절률: 필름의 굴절률은 1.66과 1.68 사이에서 비교적 안정적이었으며, 이는 회전 속도가 필름 밀도에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다.

다양한 온도 및 속도에서의 증착 속도

증착 속도 변화:

200℃에서 증착 속도는 30rpm과 60rpm에서 더 높고, 특히 60rpm에서 최대 증착 속도가 0.12nm/s입니다. 250℃에서 회전 속도가 증가함에 따라 증착 속도는 90rpm에서 가장 높은 0.14nm/s에 도달합니다.

증착 속도에 대한 온도의 영향:

200℃에서 더 높은 증착 속도는 이 온도에서 반응 조건이 이상적이며 더 빠른 증착 속도를 얻을 수 있음을 나타냅니다. 250℃에서 증착 속도는 90rpm에서 가장 높지만 Al2O3 필름의 두께는 19.4nm로 더 높은 온도에서 기판 표면에서 분해 반응이 발생하여 필름의 품질에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다.

회전 속도가 증착 속도에 미치는 영향:

회전 속도가 증가함에 따라 증착 속도는 특정 범위 내에서 증가합니다. 그러나 회전 속도가 너무 높으면 기판이 반응 챔버에 너무 짧은 시간 동안 머물러 충분한 화학 반응을 완료하기에 충분하지 않아 증착 속도와 필름 품질에 영향을 미칩니다.

X선 광전자 분광법

필름 표면의 XPS 스펙트럼

XPS 스펙트럼은 약 75eV의 결합 에너지를 갖는 이중 피크 대신 단일 피크를 보여주는데, 이는 필름에서 Al의 유일한 형태가 Al2O3임을 나타냅니다. 532.0eV의 피크는 Al-O에 속하며, 이는 Al2O3의 존재를 더욱 확인시켜 줍니다.

표면 지형 및 거칠기 특성화

다양한 회전 속도에서의 Al2O3 필름의 표면 형태

(a: 30rpm b: 60rpm c: 180rpm)

200°C, 200사이클, 100sccm TMA 유량 및 다양한 회전 속도(30rpm, 60rpm, 180rpm)에서 제조된 Al2O3 필름의 AFM 이미지는 회전 속도가 증가함에 따라 표면 거칠기가 점차 증가함을 보여줍니다.

그만큼 평균 거칠기(Ra) 30rpm에서 0.544nm, 60rpm에서 0.883nm, 180rpm에서 0.889nm입니다. 60rpm에서 필름 두께는 중앙에서 더 균일하며, 이는 대량 생산에 더 중요합니다.

소수 캐리어 수명 측정

다양한 회전 속도에서 Al2O3 박막의 공정 매개변수 및 소수 캐리어 수명

다양한 회전 속도에서의 소수 캐리어 수명

다양한 회전 속도에서 제조된 Al2O3 필름의 소수 캐리어 수명 측정 결과, 30rpm에서 192μs, 60rpm에서 189.6μs로 나타나 유사한 수동화 효과를 보였습니다.

회전 속도가 증가함에 따라 소수 캐리어 수명은 90rpm에서 155.6μs에서 120rpm에서 116.5μs로 감소하기 시작합니다.

태양 전지 및 모듈 IV 테스트

수동화 전후 TOPCon 태양 전지의 평균 성능 향상

개방 회로 전압(Voc): Al2O3를 증착한 태양전지군의 개방전압은 미처리 대조군과 비교하여 향상되었으며, 그 중 200℃에서 증착한 태양전지군이 1.7mV로 가장 큰 향상을 보였다.

채우기 계수(FF): Al2O3를 증착한 태양전지군의 충전율이 향상되었으며, 200℃에서 증착한 태양전지군은 0.23% 증가하였다.

효율성(η): Al2O3를 증착한 태양전지군의 효율이 향상되었으며, 200℃에서 증착한 태양전지군은 0.123% 증가하였다.

모듈 성능: 셀을 모듈로 결합한 후, 200°C에서 Al2O3를 증착한 모듈의 개방 회로 전압은 0.11V 증가하고, 충전 인자는 0.37% 증가했으며, 전력 출력은 3.78W 증가했습니다.

TOPCon 태양 전지의 가장자리에 Al2O3 필름을 증착함으로써, 셀 효율이 상당히 개선되었으며, 처리된 셀 효율은 0.123% 증가했고 모듈 전력은 3.78W 증가했습니다. 기존 ALD 기술과 비교했을 때, RS-ALD 기술은 증착 속도가 더 빠르고 필름 균일성이 더 좋으며, 생산 효율도 개선되었습니다.

TOPCon 셀 에지 패시베이션에 원자층 증착 기술(ALD)을 적용하여 셀 효율이 0.123% 향상되었습니다. 이 성과는 태양광 분야에서 ALD 기술의 잠재력을 입증했을 뿐만 아니라 정확한 특성화 도구의 중요성을 반영했습니다.