Recently, thin film solar cells are investigated intensively as a possible alternative for bulk Si solar cells. Among thin film solar cells, poly-Si thin films have attracted as photovoltaic materials because of no light-induced degradation, high carrier mobility, and low-cost production. A number of poly-Si crystallization methods such as SPC and Epitaxial growth after fabricating poly-Si seed layer using AIC have been investigated, especially in the field of poly-Si thin film solar cells. The company Pacific Solar developed CSG method based on SPC with the module efficiency of above 10%. Even though CSG method based on SPC has high efficiency, it has long processing time and small grain size of about 1㎛. To make large-grained poly-Si films for thin film solar cells, epitaxial growth on poly-Si seed layer using AIC have been proposed. Gordon et al. reported 8% efficient thin film poly-Si solar cells based on AIC and thermal CVD epitaxy. However, the thermal CVD at temperatures above 1000oC is unsuitable for low-cost glass substrates.
In this work, we proposed the epitaxial growth of large-grained poly-Si film on a VIC processed poly-Si seed layer using HWCVD. We first fabricated poly-Si seed layer using VIC, and then grew the in-situ boron doped epitaxial layer on VIC processed poly-Si seed layer using HWCVD. Using in-situ boron doping, highly doped p+ back surface field layer was fabricated, and poly-Si films had large grains and high mobility. Finally, we fabricated the hetero-junction Si thin film solar cells using in-situ boron doped poly-Si absorber layer and CoSi2 back contact.
After epitaxial growth on VIC seed layer, average grain size of about 20㎛, are obtained and the crystallographic defects in epitaxial poly-Si layer on VIC seed layer are mainly LAGB and CSL, which are special boundaries of less electrical activity. Furthermore, the crystallinity of the poly-Si film was improved. However, the doping concentration of epitaxial Si layer is too low to use p-type absorber, and Al doping concentration of VIC seed layer is also low to use p+ BSF layer. Therefore, we proposed the in-situ boron doping technique to form p+ BSF layer and p-type poly-Si absorber layer, which had large grains and high crystallinity.
The poly-Si grains are impinged together and have polyhedral disk shapes after epitaxial growth. The undoped and 5min in-situ boron doped poly-Si have dense poly-Si grains. However, as the in-situ boron doping time increase, the grain size decreases slightly and the bright regions of SEM images increase because of increase in etching holes. Regardless of in-situ boron doping time, many LAGB and a few twin boundaries such as Σ3, Σ9, and Σ27, which has the low energy level of special boundaries exist for all the samples. Average mis-orientation angle of 5min in-situ boron doping is the smallest among the samples. Therefore, it seems that the slightly boron doped poly-Si film with an epitaxial layer on VIC processed poly-Si seed layer will be good for device characteristics even though it has grain boundary.
With increasing in-situ boron doping time, FWHM of the Raman peak increased, and FWHM of the Raman peak of 5min in-situ boron doping is the smallest among the samples. On the other hand, in heavily boron doped poly-Si film, the Raman peak was distorted and broadened asymmetrically. From the dark-field cross-sectional TEM images and SADP of in-situ boron doped epitaxial poly-Si thin films, the lateral grain size of all the poly-Si films with an epitaxial layer on VIC processed poly-Si seed layer is over 3㎛, and the SADP of all the samples show only spot pattern. It seems to reveal a quasi-monocrystalline phase with a low-angle grain boundary. In case of heavily boron doped poly-Si film, higher order spots were observed, which seems to be due to the periodic array of stacking faults in the epitaxial poly-Si film. It is reported that the stacking fault cause the epitaxial breakdown and surface roughening. Therefore, the crystallinity of the heavily boron doped poly-Si film is poor.
The boron concentration at the epitaxial Si/VIC processed poly-Si seed layer interface is about 3x1019cm-3 during in-situ boron doping. The epitaxial poly-Si films have back ground boron concentration between 3x1016cm-3 and 1x1018cm-3 when the B2H6 flow is cut off. The p+ to p transition at the sputtering depth of 1.2㎛, 1.3㎛, and 1.5㎛ is sharp as a function of in-situ boron doping time, respectively. From the SIMS depth profile, the p+ back surface field layer seems to be formed near to the epitaxial Si/VIC processed poly-Si seed layer interface. Furthermore, Al was accumulated at the surface and the interface between VIC seed layer and epitaxial layer. Therefore, it is considered that Al is used to increase grain size of epitaxial poly-Si. With decreasing in-situ boron doping time, carrier mobility and resistivity increased. The highest carrier mobility of 360 cm2/Vs was achieved when the B2H6 gas flow was continued for 5min and cut off. It is considered that this is due to improved crystallinity of the poly-Si film with decreasing in-situ boron doping time. Consequently, the high quality poly-Si film was obtained by controlling the in-situ boron doping time.
Finally, we fabricated the hetero-junction Si thin film solar cells using highly boron doped poly-Si and CoSi2 back contact. In case of the hetero-junction Si thin film solar cell using highly boron doped poly-Si back contact, the best cell efficiency was 0.05% with Jsc = 1.58mA/cm2, Voc = 0.130V, and FF = 25.42%. On the other hand, in case of the hetero-junction Si thin film solar cell using CoSi2 back contact, the best cell efficiency was 0.47% with Jsc = 10.42mA/cm2, Voc = 0.142V, and FF = 32.01%. Compared to the cell using highly boron doped poly-Si back contact, it was found that all the parameters of the cell using CoSi2 back contact were much higher, suggesting that the resistivity of back contact material was critical for photovoltaic properties. Additionally, an increase of the intrinsic a-Si thin layer thickness led to decrease the photovoltaic properties, and deterioration of blue response.
최근, 벌크 실리콘 태양전지의 대안으로 박막태양전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 박막태양전지 중 다결정 실리콘 박막 태양전지는 대량생산에 매우 적합하고 무해하며 높은 캐리어 이동도를 갖기 때문에 박막태양전지 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 고상결정화 및 알루미늄 유도 결정화 씨앗층 위에 에피택시 성장시키는 기술등의 다결정 실리콘 박막의 제조방법들이 다결정 실리콘 박막 태양전지분야에서 많이 연구되고 있다. 그 중 고상결정화를 이용한 CSG 방법은 10%의 고효율을 보유하고 있지만, 결정립의 크기가 1㎛이내로 작고 열적부담이 큰 단점을 지니고 있다. 큰 결정립을 갖는 다결정 실리콘 박막 태양전지를 제조하기 위해 알루미늄 유도 결정화를 이용한 씨앗층 위에 에피택시 성장시키는 기술이 제안되었다. 이 기술로 제조된 태양전지는 8%의 고효율을 보유하고 있지만, 역시 에피택시 성장과정중 1000℃ 이상의 열화학기상증착법을 사용하여 열적 부담이 큰 단점을 지니고 있다.
본 연구에서는 HWCVD방법을 이용하여 기상유도결정화 씨앗층 위에 인시츄 보론 도핑된 에피택시 실리콘 박막을 성장시켜 큰 결정립을 갖는 고품질의 다결정 실리콘 박막의 제조기술을 제안하였다. 인시츄 보론 도핑을 통해 후면전계층이 형성되었고, 큰결정립과 높은 결정성을 갖는 에피택시층이 형성되었다. 또한, 다결정실리콘 박막을 코발트실리사이드 후면전극을 이용한 이종접합 실리콘 박막 태양전지에 적용하여 그 특성을 살펴보았다.
기상유도결정화 씨앗층 위에 에피택시 성장 후 평균 20㎛ 정도의 큰 결정립을 얻을 수 있었고, 전기적인 특성 저하에 영향이 거의 없는 저각결정립계가 주로 분포하고 있고 소량의 CSL 바운드리가 분포하였다. 더욱이, 다결정 실리콘 박막의 결정성이 향상되었다. 그러나 에피택시층의 도핑농도가 매우 낮기 때문에 p형 광흡수층으로 사용하기 어렵고, 기상유도결정화 씨앗층의 알루미늄에 의한 도핑효과가 매우 낮기 때문에 p+ 후면전계층으로 사용하기에 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 p+ 후면전계층을 형성하고 큰결정립과 높은 결정성을 갖는 p형 에피택시 층을 형성하기 위해 인시츄 보론 도핑기술을 제안하였다.
에피택시 성장 후 다결정 실리콘 박막의 결정립들은 서로 병합되어 다각형의 형태를 보이며 결정립의 크기가 증가되었다. 도핑을 하지 않은 경우와 5분간 초기에 인시츄 도핑을 한 경우 다결정 실리콘 박막의 결정립 내부는 비교적 치밀한 구조를 갖는 반면에, 인시츄보론 도핑시간이 증가함에 따라 결정립의 크기는 약간 감소하였고, 박막내의 에칭홀의 증가로 인해 박막의 표면형상의 변화가 나타났다. 인시츄 보론 도핑시, 모든 시편의 경우 주로 저각결정립계의 분포를 갖고, 일부 CSL 바운드리의 분포를 나타내었다. 또한, 인시츄 보론 도핑시간이 감소함에 따라 평균 mis-orientation angle 값이 감소하였다.
인시츄 보론 도핑 시간이 증가함에 따라 라만 피크의 반가폭은 증가되었고, 5분간 초기에만 인시츄 보론 도핑한 경우의 반가폭이 가장 작은 값을 보였다. 한편, 60분간 과도핑한 경우에는 라만 피크의 모양이 뒤틀리고 반가폭도 크게 증가하였다. 단면 TEM 이미지와 SADP결과로부터 기상유도결정화 씨앗층 위에 에피택시 성장된 인시츄 보론 도핑된 다결정 실리콘 박막의 경우 측면 결정립의 크기는 3㎛이상 크게 증가하였고, 점패턴을 보였다. 한편, 과도핑된 다결정 실리콘 박막의 경우에는 stacking faults 및 twin등의 결함이 발견되었다.
한편, 박막내의 알루미늄의 도핑 프로파일의 경우 기상유도결정화 씨앗층과 에피택시 성장초기의 계면사이에 일부 분포하고 에피택시 성장 후 다결정 실리콘 박막의 표면에 일부 분포하는 것을 확인하였는데, 이러한 결과를 통하여 유추해보면 기상유도결정화 씨앗층 위에 에피택시 성장시킬 때 결정립의 크기의 증가의 원인으로 저각결정립계를 갖는 인접 결정립들간의 병합에 의한 영향뿐만 아니라 씨앗층에 소량 분포하고 있던 알루미늄이 결정립의 증가를 촉진하였다고 생각할 수 있다. 이에 더하여, 박막내의 보론 도핑 프로파일로부터 보론 인시츄 도핑시 도핑 시간을 조절하여 박막내의 후면전계를 형성할 수 있음을 확인하였다. 또한 도핑시간이 감소함에 따라 캐리어 이동도가 증가하는 것을 확인하였는데, 도핑 시간의 조절을 통해 캐리어 이동도를 360 cm2/Vs까지 향상시킬 수 있었다.
최종적으로, 인시츄 보론 도핑하여 성장시킨 대결정립의 다결정 실리콘 박막을 이종접합 박막 실리콘 태양전지에 적용하여 그 특성을 살펴보았다. 본 연구에서 새로 제안된 과도핑된 다결정 실리콘 박막 및 코발트 실리사이드 후면전극을 적용한 이종접합 박막실리콘 태양전지의 광전압 특성을 살펴본 결과 각각 0.05%와 0.47%로 모두 낮은 효율을 보였으나 코발트실리사이드 후면전극을 사용한 경우 전반적으로 향상된 광전압 특성을 보였다. 또한, 인트린식 비정질 실리콘 층의 두께가 증가함에 따라 단락전류의 감소로 인한 효율의 감소를 확인할 수 있었다.
본 연구를 통하여 결정성이 우수하고 대결정립을 갖는 고품질의 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있었고, 코발트실리사이드 후면전극을 적용하여 이종접합 다결정 실리콘 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 수는 있었으나 전체적으로 태양전지의 광전압 특성이 매우 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 광흡수층인 다결정실리콘 박막의 경우 도핑농도가 비교적 높을 뿐만 아니라 두께가 얇은 편이라 충분한 양의 빛을 흡수하지 못했기 때문으로 생각된다.
