A Study on Enhanced Passivation Properties of Crystalline Silicon Solar Cells through Interfacial Pre-Oxidation Treatment of Al2O3 Passivation layers
- 주제(키워드) Solar cell , Passivation , Oxide , Al2O3 , SiO2
- 발행기관 고려대학교 에너지환경대학원(그린스쿨)
- 지도교수 강윤묵
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 에너지환경대학원(그린스쿨) 에너지환경정책기술학과
- 세부전공 신재생에너지 전공
- 원문페이지 76 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000291156
- UCI I804:11009-000000291156
- DOI 10.23186/korea.000000291156.11009.0001891
- 본문언어 영어
초록/요약
This study utilized a stacked structure of silicon oxide and aluminum oxide films, formed through pre-oxidation treatment, to improve the properties of Al2O3 passivation layers for p-type crystalline silicon solar cells. To replace the SiO2 layer that naturally forms at the interface during the deposition and annealing process of conventional Al2O3 layers, a thermally grown SiO2 layer was pre-formed prior to the deposition of the Al2O3 layer. This approach aimed to enhance the passivation properties at the interface. The passivation characteristics of Al2O3 layers were evaluated with and without the presence of a thermally grown SiO2 layer, and analyses were conducted to understand the differences between the two structures. The quasi-steady-state photoconductance (QSSPC) and capacitance-voltage (C-V) measurements were used to assess the implied open-circuit voltage (iVOC), fixed charge density (Qf), and interface defect density (Dit). Experimental results showed that the thermally grown SiO2/Al2O3 stacked structure exhibited a higher iVOC compared to the single Al2O3 structure. Through annealing optimization, the single Al2O3 layer achieved optimal properties at 425℃, whereas the SiO2/Al2O3 stacked structure achieved its best performance at 500℃. The stacked structure demonstrated lower interface defect density and a narrower minimum-to-maximum distribution, indicating improved interfacial stability. Additionally, the presence of the thermally grown SiO2 layer effectively suppressed the diffusion of hydrogen at the interface, preventing blister formation during annealing. Furthermore, detailed stoichiometric analyses of the interfacial oxide layers in the two structures revealed that the chemical composition of the oxide formed in the single Al2O3 passivation layer exhibited a lower SiOx ratio compared to the thermally grown SiO2 layer. This study highlights the potential of the SiO2/Al2O3 stacked structure as an advanced passivation design for high-efficiency silicon solar cells, offering a foundation for maximizing performance and reliability through process optimization.
more초록/요약
본 연구는 p-type 결정질 실리콘 태양전지의 패시베이션 층인 Al2O3 의 특성을 개선하기 위하여 사전 산화 처리를 통하여 실리콘 산화막과 알루미늄 산화막을 적층한 구조를 활용하였다. 기존 Al2O3 층의 증착 및 열처리 공정을 진행시 형성되는 계면의 SiO2 층을 대체하기 위하여 Al2O3 층을 증착하기 전에 열성장 SiO2 층을 성장하여 계면의 패시베이션 특성을 향상시키고자 하였다. 열성장 SiO2 층 존재 유무에 따른 Al2O3 패시베이션 특성을 확인하였으며 특성이 다른 두 구조의 차이를 이해하고자 분석을 진행하였다. QSSPC 및 C-V 측정을 통하여 임계 개방 전압(iVOC), 고정 전하 밀도(Qf), 계면 결함 밀도(Dit)를 평가하였다. 실험 결과, 열성장 SiO2 적층 구조는 단일 Al2O3 구조보다 더 높은 임계 개방 전압을 보였다. 열처리 최적화 결과, 단일 Al2O3 층은 425℃에서, SiO2/Al2O3 적층 구조는 500℃에서 최적의 특성을 나타냈으며, 낮은 계면 결함 밀도와 더 좁은 최소-최대 분포를 보여 향상된 계면 안정성을 나타내었다. 또한, 열성장 SiO2 층의 존재로 인하여 수소의 계면 확산을 억제하여 열처리 중 발생할 수 있는 블리스터 형성을 효과적으로 방지하였다. 이어서 두 구조의 계면 산화막의 자세한 화학양론 분석을 진행하였으며 단일 Al2O3 패시베이션 층에서 비롯된 산화막의 화학적 조성비가 열성장 SiO2 보다 작은 SiOx 를 보이는 것을 확인하였다. 본 연구는 SiO2/Al2O3 적층 구조가 고효율 실리콘 태양전지를 위한 패시베이션 설계에 있어 중요한 가능성을 제시하며, 공정 최적화를 통해 성능과 신뢰성을 극대화할 수 있는 기반을 제공한다.
more목차
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
CHAPTER 2. THEORETICAL DETAILS 3
2.1 Solar Cell Structure and Operating Principle 3
2.2 Carrier Collection Probability 5
2.3 Carrier Recombination 9
2.4 Quantum Efficiency 12
2.5 Passivation Effect 15
2.6 Solar Cell Manufacturing Process 19
2.7 Anti-Reflection Coating 21
2.8 Atomic Layer Deposition 25
2.9 Blistering of Al2O3 Layer 28
CHAPTER 3. EXPERIMENTAL DETAILS 30
3.1 Fabrication Methods for Double-Sided Passivated Structures 30
3.2 Methods for Evaluation and Analysis of Passivation Layer Properties 35
CHAPTER 4. RESULTS AND DISSCUSION 36
4.1 Evaluation of Passivation Layer Properties 36
4.1.1 Passivation Properties by Annealing Temperature and Process flow 36
4.1.2 Fixed Charge Density and Interface Trap Density After Annealing 40
4.2 Analysis of Passivation Layer Properties 46
4.2.1 Observation of Blister Formation in Al2O3 Layers 46
4.2.2 Elemental Distribution at the Interface and Al2O3 Layers 49
4.2.3 Observation of Blister Formation in Al2O3 Layers 54
CHAPTER 5. CONCLUSION 61
REFERENCES 63
