p-Si Al-BSF에서 n-Si PERT 셀로 유전체 패시베이션 혁명

1980년대 태양전지는 내부 전계로 후면 패시베이션을 하는 Al-BSF(back surface field) 기술이 이용됐고 전면은 TiO2 유전체 층이 스프레이 코팅 또는 APCVD로 형성되어 반사방지코팅(ARC)의 역할을 했다. (TiO2는 유리한 고굴절률과 제한적인 기생 흡수를 갖는다.)

표면 패시베이션은 스크린 인쇄된 Ag 금속 그리드와 접촉을 좋게 하기 위해 고도핑된 이미터에서는 필요없다. Firing-through 공정이 되면 좋겠지만 그것은 꿈 같은 얘기고 대신 접촉을 위한 열처리 후 TiO2 층이 종종 적용되었고 인터컨넥션을 위한 솔더링을 하기 위해 버스바 위의 ARC를 마스킹 또는 브러싱(brushing)을 해야한다.  

1990년대 첫 번째 유전체 패시베이션인 SiNx 코팅이 등장했다. SiNx 막을 형성하기 위한 뚜렷이 다른 두 버젼인 저온 플라즈마 기반(PECVD)와 고온 버젼(LPCVD)이 나왔는데 PECVD가 가장 성공적이고 다양하다는 것이 입증됐다. 

SiNx의 성공은 "수소 패시베이션”으로 요약될수 있다. PECVD SiNx:H 층에 포함된 수소가 스크린 인쇄된 접촉의 열처리 동안 방출되어 이미터와 벌크를 패시베이션 한다. 특히 저품질의 다결정 Si 태양전지에 효과적이었다. 

공정이 매우 단순해 졌는데 인쇄된 접촉을 열처리할 때 SiNx:H에 의한 우수한 패시베이션과 동시에 우수한 후면 Al-BSF을 얻을 수 있기 때문이다. 

표면 패시베이션이 가능하기 때문에 더 적절하게 도핑된 이미터를 사용할 수 있어서 높은 옴저항 이미터를 접촉하기 위한 Ag 페이스트 개발을 가능하게 했다. 

SiOx는 태양전지에서 가장 우수한 패시베이션을 한다. 열 산화(thermal oxidation)는 태양전지 효율을 향상시키는 매우 중요한 공정이되고 있다. UNSW는 열 산화막을 전면과 후면에 적용한 PERL 셀에서 효율 25%을 얻었다. 

열 산화막이 태양전지 기술 개발에서 항상 중심에 있지만 지금은 상용셀에서 진전은 덜 하다.

열 산화막 뿐아니라 Al2O3가 유전체 패시베이션으로 주목받고 있다. Al2O3는 “음전하”로 요약될 수 있다. 이 고유 특성은 p-Si셀을 PERC 기술의 단점 중 하나를 피할 수 있게 해준다. 

사실 양전하로 후면 유전체 패시베이션을 할 경우 p-Si에 역전층(inversion layer)이 형성되어 생성된 캐리어가 shunting에 의해 지역적 손실이 야기될 수 있다. 이 나쁜 효과는 저조도에서 상대적 중요해진다. 하지만 음전하를 띤 유전체는 역전층 대신 축적층(accumulation layer)을 생성시켜 이 특별한 문제를 피할 수 있다.   

장비 제조사와 몇몇 연구소가 협력하여 Al2O3 증착 시스템을 상용화하고 있다: ALD(theraml, spatial, plasma assisted), PECVD, 스퍼터링, APCVD 그리고 스크린 인쇄. 현재 Spatial ALD와 PECVD가 주도하고 있다.

n-Si 셀에서 B이 도핑된 이미터는 우수한 패시베이션을 요구하기 때문에 Al2O3 층이 필요하다. IMEC은 열 산화막(SiO2)에 비해 Al2O3의 표면 재결합 속도의 급격한 감소를 보였다. Al2O3 패시베이션 이미터에서의 재결합은 표면 성분이 무시되는 Auger 재결합에 의해 결정된다고 생각할 수 있다.

IMEC은 n-Si 후면 접합 PERT셀을 개발하고 있다. Ni/Cu 도금 전면 접촉과 우수한 후면 Al2O3 패시베이션을 적용해서 최고 효율 21.5%을 달성했다.  

PERC 셀에서는 SiOx가 선두에 있는데 "패시베이션 접촉"으로 요약된다. Si 벌크와 물리적 표면과 관련된 재결합 전류는 Si 재료 품질을 향상과 우수한 표면 패시베이션 방법으로 크게 줄어든다.

금속 접촉 면적은 종종 PERC 셀에서 Voc와 소수 캐리어 재결합 전류에 큰 영향을 미친다. 이것은 항상 금속 자체의 불충분한 차폐 때문만이 아니고 금속-반도체 계면을 만들때 생긴 손상(접촉 면적 형성을 위한 레이저로 유전체를 제거할 때)으로 생길 수 있다.

다수 캐리어에 대한 저항 장벽 형성 없이 소수 캐리어를 위한 패시 장벽을 형성하는 선택적 접촉 방식이 필요하다.

하나의 방법은 패시베이티드 접촉을 형성하는 것인데 앏은 이미터와 BSF 조합에 터널링 유전체(화학 수단 및 열 산화로 형성되는 매우 얇은 산화물층, ~1 nm)를 이용하는 것이다.

참고: http://www.pv-tech.org/guest_blog/the_dielectric_passivation_revolution_from_p_si_al_bsf_to_n_si_pert_cells_a