본 연구는 불화수소산(HF)으로 처리된 실리콘 이종접합 태양전지에서 도핑된 비정질 실리콘 층이 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 문제를 해결합니다. 낮은 농도(2.5~5.0%)의 HF 용액은 n형 및 p형 비정질 실리콘 층에 서로 다른 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 또한, n형 미결정 또는 p형 비정질 실리콘 층을 HF에 노출시키면 충전율과 단락 전류가 가장 크게 저하됩니다. HF 처리로 인해 모든 태양전지 매개변수가 크게 저하되는 n형 비정질 실리콘의 경우 상황은 더욱 악화됩니다.

오늘날, 실리콘 이종접합(SHJ) 태양전지는 단일 접합 실리콘 태양전지 중에서 가장 높은 변환 효율을 보이며[1], 특히 서로 맞물린 등쪽 접촉부가 있는 SHJ 셀(SHJ-IBC)[2]을 나타냅니다. 불화수소산(HF)은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정 직전에 결정질 실리콘(c-Si) 웨이퍼 표면 처리를 위한 SHJ 태양 전지 제조에 일반적으로 사용됩니다. 그 기능은 자연 산화물을 제거하고 수소로 마감된 표면 패시베이션을 제공하여 단시간에 오염과 산화에 저항하는 것입니다. 그러나 SHJ 태양전지를 제조하면 산화될 수도 있는 도핑된 비정질(a-Si) 또는 미정질(mc-Si) 실리콘 층이 생성될 수 있습니다(예: 예상치 못한 장기 PVD 시스템 종료로 인해). 따라서 이제 문제는 일시적인 HF 강하가 이 경우 SHJ 태양전지의 매개변수를 향상시킬 수 있는지 여부입니다. c-Si 웨이퍼의 HF 처리에 관한 문헌이 있지만[3-5], a-Si 층으로 도핑된 HF 처리가 SHJ 태양전지의 매개변수에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 문제는 여전히 잘 해결되어 있습니다[6].

이 연구에서는 이 질문에 답하기 위해 HF 노출 동안 도핑된 층과 그 아래의 고유 비정질 실리콘 층을 보호하는 단면 PECVD 실리콘 질화물(SiNx) 마스크 층의 사용을 기반으로 하는 간단한 방법을 제안합니다. 이 문제는 SHJ-IBC 태양전지의 제조와 가장 밀접하게 관련되어 있으며, 여기서 HF는 SiNx 또는 SiOx 희생층의 표면 세척 및/또는 에칭에 사용됩니다[7, 8].

이 작업에는 세 가지 유형의 SHJ 구조가 사용되었습니다(그림 1에 표시된 개략도): 1) 표준 n/i/c-Si/i/p 구조(유형 A), 2) 및 3) 동일한 n/i/c - 100nm 두께의 SiNx 층으로 코팅된 n층(B형) 또는 p층(C형)을 갖춘 Si/i/p 구조. SHJ 구조는 동일한 1Ωcm 저항률과 150μm 두께를 갖는 질감 있는 6", CZ, n형 c-Si 웨이퍼를 기반으로 합니다. n층은 a-Si 또는 mc-Si인 반면, p층은 항상 위에서 언급한 바와 같이 전면 또는 후면의 SiNx 층의 목적은 HF 침지 중에 아래에 있는 비실리콘 층을 보호하는 것입니다. 세 가지 경우 모두 고유층과 도핑된 a-Si 및 SiNx의 매개변수는 SiNx 및 a-Si 층은 각각 200°C의 기판 온도에서 13.56MHz 및 40.68MHz의 RF 플라즈마 방전에 의해 증착되었습니다.

습식 화학 텍스처링 및 세정과 같은 다른 공정의 영향을 최소화하기 위해 PECVD의 스퍼터링 증착(PVD), 인듐 주석 산화물(ITO) 층 및 은 접촉 그리드의 스크린 인쇄가 실험 결과에 미치는 영향을 최소화합니다. 우리 R&D 센터에서는 SHJ 셀용 파일럿 라인을 사용했습니다[9]. 따라서 각 공정 단계에서 웨이퍼가 동시에 처리됩니다. ITO 층을 스퍼터링 증착하기 전에 실온에서 추가적인 HF 처리가 사용됩니다. HF 처리된 웨이퍼는 공기에 20분 이상 노출되지 않습니다. SHJ 태양전지는 후면 이미터, 양면, 모선이 없는 설계를 갖추고 있습니다. 보정된 GridTOUCH 시스템[10]은 표준 테스트 조건(1000W/m2 방사조도, AM1.5 스펙트럼 및 25°C 태양전지 온도)에서 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하는 데 사용됩니다.

논의된 결과

먼저, ITO 층 증착 전 p형 및 n형 층의 HF 처리가 SHJ 태양전지의 성능에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 이 경우, 24개의 동일한 웨이퍼(n-mc-Si 층을 갖춘 유형 A)가 습식 화학 및 PECVD 공정에서 동시에 처리된 후 4개의 동일한 그룹(각각 8개의 웨이퍼)으로 나뉩니다. 그림 2는 ITO 층 증착 전에 서로 다른 HF 처리 기간을 갖는 SHJ 태양 전지의 각 그룹에 대한 평균 매개변수를 보여줍니다. 비교를 위해 HF의 도핑된 층에 침지되지 않은 SHJ 셀의 매개변수가 표시됩니다(첫 번째 주황색 열). SHJ 태양전지의 변환효율은 초기 22.37%에서 21.21%로 감소한 것을 확인할 수 있다. 즉, 두 개의 도핑층에 5% HF 처리를 1분 후 평균 ABS가 1.16% 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 급속한 저하 뒤에는 더 긴 시간 규모의 느린 저하 단계가 뒤따릅니다. 여기서 효율 감소는 모든 태양전지 매개변수의 저하로 인해 발생합니다. 이 경우, HF에 더 오랫동안 담그면(최대 10분, 여기에 표시되지 않음) SHJ 태양전지의 성능이 약간 저하되었습니다.

자연스럽다는 것은 잘 알려진 사실이다.질감이 있는 n형 c-Si 웨이퍼의 산화물은 5% HF 용액에서 30초 이내에 제거될 수 있습니다. 이러한 이유로 동일한 실험은 두 배 더 낮은 농도(2.5%)의 HF 용액을 사용하여 더 짧은 시간(1분)으로 반복됩니다. 이 경우 그림 3과 같이 HF 노출의 처음 15초 후에 이미 관찰된 셀 효율(절대 0.4%)의 작은 감소가 관찰되었습니다. 이전과 달리 효율 저하의 원인은 이제 주로 다음과 같습니다. 단락 전류(JSC)와 충전율(FF)이 저하되는 반면 개방 회로 전압(VOC)은 거의 일정하게 유지됩니다. 그러나 두 경우 모두 위에서 설명한 대로 빠른 단계와 느린 단계를 모두 포함하여 분해 동역학이 유사합니다. 흥미롭게도 시간 의존성은 HF 용액에서 c-Si의 에칭 속도와 유사합니다. 그러나 후자의 경우 시간 규모가 훨씬 더 깁니다(10~100일)[4]. 이 거동에 대한 간단한 설명은 수소화된 a-Si 표면에 많은 수의 댕글링 결합이 포함되어 있다는 것입니다. 빠른 단계 동안, HF 수용액에서 수소에 의한 전차선 결합의 부동태화는 [15] 더 긴 시간 규모에서 에칭 속도를 늦춥니다.

둘째, 어떤 도핑된 a-Si 층이 HF의 영향을 더 많이 받는지에 대한 질문에 답하기 위해 B형과 C형 샘플을 준비했습니다. 이 경우, HF 처리 시간(3분)은 100nm 두께의 SiNx 층의 에칭 시간과 거의 동일하도록 선택되었습니다. 표 1은 ITO 층을 증착하기 전에 n 층(C 유형) 또는 p 층(B 유형)이 주로 HF에 노출되는 SHJ 태양 전지의 매개변수를 보여줍니다. 비교를 위해 HF에 담그지 않은 SHJ 태양전지(A형)의 매개변수도 표에 표시되어 있습니다.

표 1.3 SHJ 태양전지 매개변수에 대한 n층 또는 p층의 HF 처리 효과. 2.5% 고주파 용액, 실온.

HF가 n층과 p-a-Si층에 서로 다른 영향을 미치는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 충진율은 HF 처리된 n-mc-Si 층에 의해 가장 큰 영향을 받는 반면, 단락 전류 저하는 HF 처리된 p-a-Si 층에서 가장 많이 발생합니다. HF로 처리된 n-mc-Si 및 p-a-Si 층의 개방 회로 전압에도 약간의 변화가 있습니다. 그러나 n-a-Si 층으로 HF를 처리한 SHJ 셀의 경우 HF 처리 후 모든 셀 매개변수가 크게 저하되는 최악의 시나리오가 관찰되었습니다. n-mc-Si 및 p-a-Si 층과 비교하여 n-a-Si 층의 HF 노출은 그룹 내의 셀 매개변수에 광범위한 변화를 가져옵니다(상한 및 하한을 보여주는 표 I의 마지막 행 참조). ).

그림 4는 각각 Type B 및 Type C 샘플을 기반으로 한 SHJ 셀의 외부 양자 효율을 보여줍니다. HF 처리가 없는 A형 구조를 기반으로 하는 SHJ 세포의 EQE 곡선(주황색)도 비교를 위해 여기에 표시됩니다. n형 미세결정질 실리콘 층에서 2.5% HF에 3분 동안 노출되면 전지의 외부 양자 효율에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있습니다. 작은 청색 이동만 있는데, 이는 n mc-Si 층의 두께 감소를 나타낼 가능성이 가장 높습니다. 반면, p형 비정질 실리콘층을 동일한 HF 용액에 담그면 EQE가 파장 범위에 걸쳐 크게 감소합니다. HF 처리된 n형 비정질 실리콘 층의 경우 EQE가 더욱 감소하는 것으로 관찰되었습니다. 이러한 결과는 희석된 HF 용액에서 n-mc-Si, p-a-Si 및 n-a-Si 층이 서로 다른 에칭 속도(ER)를 가짐을 보여줍니다.

일반적으로 n형 반도체는 밴드 갭에 더 많은 채워진 상태를 갖는 것으로 알려져 있으므로 p형 반도체보다 화학적으로 더 반응성이 높으며 식각 속도도 더 높습니다[11]. 예를 들어, Lui와 동료[3]는 최근 희석된 HF에서 높은 도핑(캐리어 농도 > 1020 cm-3)으로 n형 c-Si의 예상치 못한 에칭 속도(0.8 nm/min)를 발견했습니다. 그러나 a-Si:H 필름의 에칭 특성은 수소 함량과 결합 구성이 다양할 수 있고 불규칙하게 구조화되어 있기 때문에 c-Si보다 더 복잡합니다. 우리의 결과는 ER(n-a-Si)> ER(n-mc-Si)> ER(p-a-Si)이 KOH 및 희석된 HF 용액에서 도핑된 a-Si 필름의 건식 에칭과 일치함을 보여줍니다[12,13]. n-mc-Si의 에칭 속도는 n-a-Si에 비해 더 작습니다. 이는 n-mc-Si에도 c-Si 부분이 포함되어 있기 때문일 수 있지만, HF에서 c-Si의 에칭 속도는 일반적으로 낮거나 중요하지 않습니다[4]. 또한, n-mc-Si는 n-a-Si와 비교하여 수소 함량이 다릅니다[14]. 그러나 HF 처리된 pa-Si 층의 경우 EQE가 크게 저하되는 이유에 대한 질문은 여전히 열려 있으며 추가 조사가 필요합니다.

결론

SHJ 전지의 성능에 대한 HF 처리된 도핑된 a-Si 층의 효과를 조사하기 위해 단면 PECVD SiNx 마스킹 층을 기반으로 한 간단한 방법이 적용되었습니다. 희석된 HF 용액은 에칭 속도의 차이로 인해 SHJ 셀의 n-mc-Si 및 p-a-Si 층에 부정적인 영향을 덜 미쳤지만 n-a-Si 층에는 그렇지 않은 것으로 나타났습니다. 따라서 간략한 HF고도로 산화된 n-mc-Si 및 p-a-Si 층에 SHJ 셀을 담그면 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 HF 농도와 치료 기간은 최소화되어야 합니다. 우리의 결과는 또한 습식 화학 공정을 사용하여 접촉 후 패터닝이 수행되는 SHJ-IBC 셀 제조에 n mc-Si가 n-a-Si보다 더 적합하다는 것을 보여줍니다.