열처리 온도에 따른 TOPCon 후면 P doped poly-Si 의 도펀트 활성화 및 비활성화 매커니즘 연구 = Study on dopant activation and deactivation mechanisms in rear P doped poly-Si of TOPCon solar cells depending on annealing temperature

국문 초록 (Abstract)

터널 산화막 패시베이션 접촉(TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact) 태양전지는 후면 다결정 실리콘(poly-Si, polycrystalline silicon)과 결정질 실 리콘(c-Si, crystalline silicon) 사이에 얇은 두께(∼1.5nm)의 실리콘 산화막 (SiOx, silicon oxide)을 성장시킨 구조를 갖는다. 얇은 두께의 터널 실리콘 산 화막은 전자와 정공의 비대칭적인 터널링 효과로 정공에 비해 전자에 대한 낮 은 터널 장벽과 작은 유효 질량으로 전자의 높은 선택적 수집 확률을 보인다. 본 연구에서는 TOPCon 태양전지의 후면 구조의 패시베이션 특성이 전면 공정 온도에서 저하되는 것을 확인하여 이를 극복하기 위해 두 공정 사이에 추가적인 열처리 공정을 도입하였고, 패시베이션 특성 변화와 메커니즘에 대 한 연구를 진행하였다. 열처리 온도에 따른 패시베이션 특성을 확인하였을 때, 도핑이 완료된 상태에서의 양면 후면구조의 패시베이션 특성이 600°C 열처리 온도에서 감소하는 모습을 보였고 800°C 열처리 온도에서 회복되는 모습을 보였다. 전체적인 인(phosphorus. P) 농도는 열처리 온도에 상관없이 유사한 값을 보였지만 활성화된 인 농도는 열처리 온도에 따라 변화하는 것을 확인하 였다. 반면, 활성화된 인 도펀트(dopant)의 농도를 확인해 본 결과, as-grown 상태에 비해서 600°C 열처리 온도에서 감소하는 모습을 보였고 800°C 열처리 온도에서 다시 증가하는 모습을 보였다. 이는 열처리 온도에 따라 인 도펀트 가 활성화되는 양이 달라지는 것을 의미한다. TEM(Transmission Electron Microscope)과 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 통해 다결정 실리콘의 미시적 구조와 인 도펀트의 분 포를 확인해 본 결과, 600°C 열처리 온도에서는 인 도펀트가 다결정 실리콘 결정립계(grain boundary)에서 농도가 높아진 모습을 보였고 800°C 열처리 온 도에서는 인 도펀트가 다결정 실리콘 영역 전체에 걸쳐 고르게 확산된 모습을 보였다. 이는 결정립계의 폭의 변화와 밀접한 관계를 가짐을 보인다. 따라서 온도에 따른 패시베이션 특성 변화는 다결정 실리콘 결정립계에서 인 도펀트 의 집적으로 인한 활성화 및 비활성화 현상에 기인하는 것으로 판단된다. 본 논문에서는 열처리 온도에 따른 다결정 실리콘에서의 인 도펀트 활성화 및 비활성화가 태양전지 패시베이션 특성에 미치는 영향과 메커니즘에 대해서 소개하고자 한다. 주요어(Key words) : 터널 산화막 접촉 태양전지(TOPCon Solar Cell), 다결 정 실리콘(poly-Si), 열처리, 패시베이션, 인, 도펀트 활성화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) solar cells have a sandwiched thin silicon oxide (SiOx) layer (∼1.5 nm) between the rear polycrystalline silicon (poly-Si) and crystalline silicon (c-Si) substrate. This thin tunnel oxide provides asymmetric tunnl barriers for electrons and holes, resulting in a lower tunnel barrier and smaller effective mass for electrons compared to holes. As a result, the carrier selectivity of electrons is enhanced. In this study, we found that the rear-side passivation quality of TOPCon solar cells decreased at the front side passivation process. To address this issue, we introduced an additional annealing step between the rear and front processes and investigated the changes of passivation quality at different temperatures and underlying mechanism of passivation. The passivation quality of the rear-side structure decreased after annealing at 600°C and was recovered to a level comparable to that of the as-grown state after annealing at 800°C. The total phosphorus(P) concentration remained nearly constant regardless of annealing temperature, but the electrically active P concentration changed depending on annealing temperature. Specifically, the activated P concentration decreased at 600°C compared to the as-grown state and increased again at 800°C. This result indicates that the amount of electrically active P dopants depends on the annealing temperature. Transmission electron microscopy(TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis showed that, at 600°C, the accumulation of P dopants at the grain boundaries of the poly-Si layer leads to their electrical deactivation. In contrast, after annealing at 800°C, the P dopants were more evenly distributed throughout the polycrystalline silicon region. We consider this phenomena is closely associated with the modulation of grain boundary width at different annealing temperature. Thus, temperature-dependent changes in passivation quality are originated from the activation and deactivation of phosphorus dopants due to their redistribution at grain boundaries in the poly-Si. This dissertation presents the effects and mechanisms of P dopant activation and deactivation in poly-Si according to annealing temperature, and their impact on the passivation properties of TOPCon solar cells. Key word : Tunnel Oxide Contact Solar Cell, Polycrystalline Silicon, Annealing, Passivation, Phosphorus, Dopant activation * A thesis for the degree of Master in August 2025.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 목적 1
• Ⅱ. 연구 이론 3
• 2.1 결정질 실리콘 태양전지와 작동 원리 3
• 2.2 소수 캐리어 재결합 6
• 2.3 패시베이션 효과 8
• 2.4 터널 산화막 패시베이션 접촉 태양전지 10
• 2.5 열처리가 TOPCon 태양전지의 패시베이션에 미치는 영향 13
• 2.6 저압 화학 기상 증착법을 통한 박막 증착과 인(P) 도핑 16
• 2.7 태양전지 분석 방법 19
• 2.7.1 준안정 상태 광전도 20
• 2.7.2 2차 이온 질량 분석기와 전기화학적 정전용량 23
• 2.7.3 투과전자현미경 26
• 2.7.4 타원편광분광분석법 28
• 2.7.5 X-선 회절 31
• 2.7.6 라만 분광법 32
• Ⅲ. 연구 방법 34
• 3.1 시편 제작 34
• Ⅳ. 결과 및 논의 37
• 4.1 전면 공정에서의 TOPCon 패시베이션 특성 37
• 4.2 열처리 온도에 따른 패시베이션 특성 분석 39
• 4.3 열처리 온도에 따른 활성화된 인(P) 농도 변화 41
• 4.4 인(P) 도펀트의 활성화 및 비활성화 메커니즘 45
• 4.5 열처리 온도에 따른 결정립계 폭 변화 분석 48
• 4.6 열처리 온도에 따른 결정성 변화 분석 51
• Ⅴ. 결론 57
• 참고문헌 59