Recently, the importance of renewable energy has been increasing due to the depletion of fossil fuels and environment pollution with green house effect. Among the many renewable energy, solar photovoltaic that provide harmless to environment and unlimited solar source has attracted considerable attention. Photovoltaic based on solar light is semiconductor device which convert incident light of sun to electricity with photoelectric effect. Although silicon solar cells with lower silicon wafer cost and stable performance occupy 90 % of photovoltaic industry, solar cells based on silicon wafer has high capital cost and low power conversion efficiency to commercialization of silicon solar cells. Therefore, it is important to high power conversion efficiency and reducing manufacturing cost for commercialization of photovoltaic. Surface passivation of crystalline silicon is a key enabler for achieving high efficiency and cost-effective c-Si solar cells.
To achieve high efficiency of silicon solar cells, stack of $SiN_x$ anti-reflection coating (ARC) and $Al_2O_3$ passivation layer are required based on $p^+$-emitter/n-base silicon structure. However, stack films demands additional time and extra capital cost since complex process were used for deposition of films. Thus, the functional passivation layer that provide outstanding passivation property and suppress optical reflectance was required for cost-effective and high performance of silicon solar cell. $TiO_2$ film has attracted attention from 1970s as ARC of silicon solar cells, but unfortunately, poor passivation performance of $TiO_2$ passivation layer deposited by various method such as plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and pulsed layer deposition were reported in the literature. Atomic layer deposition (ALD) was developed for $TiO_2$ passivation layer with negative fixed charge densities to provide field-effect passivation in recent years.
Chapter 3 introduces the research on ALD $Al_2O_3$ films which has been widely used in PV industry and ALD $TiO_2$ films that are recently attracted attention for functional passivation layer. $Al_2O_3$ has excellent passivation characteristics by annealing process, but an additional anti-reflection film was needed due to the low refractive index. In contrast, $TiO_2$ has slightly lower passivation characteristics compared to $Al_2O_3$. However, high refractive index of film is suitable to minimize the loss due to reflection of silicon. Therefore, we studied functional Al-doped $TiO_2$ thin film through ALD super cycle process in Chapter 4.
In chapter 4, we adjusted the amount of Al concentration in $TiO_2$ passivation layer from 0 to 15.5 % by controlling the cycle proportion of $Al_2O_3$ to $TiO_2$ in ALD process. Fixed charge densities of Al-doped $TiO_2$ film was increased from $–8 \cdot$ $10^{11}cm^{-2}$ to $–3 \cdot$ $10^{12} cm^{-2}$ by controlling the amount of Al concentration, leading to implied $V_{oc}$ up to 709 mV with 15nm thick Al-doped $TiO_2$ on n-Si by improving field-effect passivation. We then investigated the optical reflection losses of silicon by applying Al-doped $TiO_2$ passivation layer. The refractive index of Al-doped $TiO_2$ film was controlled from 1.9 to 2.3 and maintained high. As a result, the reflection of silicon was reduced from 35.78% to 10.24%. Therefore, we demonstrated that the ALD Al-doped $TiO_2$ functional passivation film is promising candidate for cost effective and high efficient Si solar cells based on the $p^+$-emitter/n-base structure with suppressed optical reflection losses and outstanding passivation characteristic. Also, the silicon photo-electrode with Al-doped $TiO_2$ passivation layer will provide stability with long time and high open circuit voltage.
최근 화석에너지의 고갈 및 온실 가스로 인한 환경 문제로 인해 친환경 에너지에 대한 중요성이 대두되고 있다. 신 재생 에너지 중에서도 환경에 무해하고 무한한 에너지를 제공할 수 있는 태양광 발전이 주목을 받고 있다. 태양광 발전을 기반으로 하는 태양전지는 p-n 접합을 기반으로 광전효과를 이용하여 입사하는 태양 빛을 전기로 변환하여 주는 반도체 소자이다. 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 화합물 반도체 태양전지 보다 낮은 실리콘 웨이퍼 단가 및 안정된 성능으로 태양전지 시장에서 90% 를 점유하고 있다. 그러나 아직까지 실리콘 태양전지는 제조 단가가 높고 변환 효율이 낮은 단점이 있어, 화석연료를 완전히 대체하지 못하고 있다. 따라서 태양광 발전의 상용화를 위해 태양전지의 높은 광 전환 효율과 제조 단가의 절감이 중요하다. 이를 위해 실리콘 표면에서 발생하는 재결합을 줄이는 패서베이션 박막은 고효율 저비용 실리콘 태양전지의 핵심 요소이다.
실리콘 태양전지는 효율을 증가시키기 위해 $p^+$-emitter/n-base 구조의 p-n 접합과 전극 및 적층 형태의 $Al_2O_3$ 패서베이션 박막과 $SiN_x$ 반사방지막 및 전극으로 구성되어 있다. 패서베이션과 반사방지막은 다양한 물질 및 복잡한 공정 프로세스를 거쳐 증착 되어 추가적인 비용 및 시간이 요구된다. 그러므로 고효율 저비용 태양전지 제작을 위해 우수한 패서베이션 효과를 주면서 반사로부터 오는 광학적 손실을 막아주는 기능적인 패서베이션 박막이 요구된다. $TiO_2$는 1980년대부터 ARC로 주목을 받아왔지만, 패서베이션 특성이 없어서 사용되지 못하였지만, 최근에 ALD로 증착된 $TiO_2$가 음의 고정전하를 가져 전계 효과 패서베이션을 줄 수 있다는 보고가 되면서 주목을 받고 있다.
3장은 현재 가장 뛰어난 패서베이션 효과를 보여주는 ALD $Al_2O_3$ 박막과 최근에 주목을 받고 있는 ALD $TiO_2$ 박막에 대한 연구를 소개한다. $Al_2O_3$는 열처리를 진행함으로써 패서베이션 특성은 뛰어나지만 낮은 굴절률로 인해 추가적인 반사방지막이 필요하였다. 반대로 $TiO_2$는 패서베이션 특성은 $Al_2O_3$보다 다소 떨어지지만 실리콘의 반사로 인한 손실을 최소화하기에 적합한 굴절률을 가졌다. 따라서 4장에서 ALD super cycle 공정을 통한 기능적인 Al-doped $TiO_2$ 박막에 대하여 연구를 진행하였다.
$TiO_2$ 필름의 Al의 농도를 0 ~ 15.5% 까지 조절하였으며, 그에 따라 기존의 $TiO_2$ 필름의 고정 전하가 $–8 \cdot$ $10^{11}cm^{-2}$ 에서 $–3 \cdot$ $10^{12} cm^{-2}$ 까지 증가하였고 전계 효과 패서베이션 특성도 향상되어 709 mV의 implied $V_{oc}$를 달성하였다. 또한 Al-doped $TiO_2$의 반사율 및 반사도 측정을 통해 광학 특성을 확인하였다. Al을 도핑 함으로써 굴절률이 1.9에서 2.3까지 조절되었으며 결과적으로 실리콘 웨이퍼의 반사도를 35.78%에서 10.24%까지 감소시켰다. 따라서 ALD Al-doped $TiO_2$ 패서베이션 박막은 음의 전하로 높은 전계 효과 패서베이션 특성과 반사를 최소화하여 고효율 저비용 $p^+$-emitter/n-base 실리콘 태양전지 제조에 적절한 패서베이션 박막임을 증명하였다. 본 연구를 통해 개발된 패서베이션 박막은 고효율 저비용 실리콘 태양전지의 패서베이션 박막으로 적용이 가능하다. 또한 실리콘 광전극의 패서베이션 박막으로 적용되어 우수한 패서베이션 특성과 높은 개방 전압을 제공할 수 있을 것이라고 예상된다.
