효율 26.3% 이상, 후면에서 최적화할 것은 무엇인가?

"노장, 26.66% 셀은 전체 p형 TOPCon 후면 구조를 사용했습니다. 26.34% 논문에서는 전면이 국부적 n-TOPCon 핑거로 변경되고 후면은 전면적 p-TOPCon 접촉이 되었습니다. 이중층 SiOx/poly-Si 스택은 여전히 동일한가요?"

어제 26.66% 셀에 대해 논의를 마친 후 공정 팀에서 나온 후속 질문이었습니다.

기본 후면 이중층 구조는 26.66% 설계에서 거의 복사되었지만, p-TOPCon 측면에서는 26.66% 셀이 건드리지 않은 세 가지 조정 노브가 도입되었습니다. 전면 전략도 완전히 다릅니다. 430 Ω/□ 고저항 붕소 이미터에서 벗어나 국부적 n-TOPCon 핑거로 이동합니다. 이는 재결합을 줄이기 위한 두 가지 매우 다른 접근 방식입니다.

Gao K. 등의 26.34% 논문은 26.66% 연구의 후면 접합 자매 연구로 볼 수 있습니다. 두 논문을 함께 읽으면 27% 효율에 접근하기 위해 필요한 것이 무엇인지 더 명확해집니다.

Gao, K. et al. "실리콘 및 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지용 양면 터널 산화물 패시베이팅 접촉으로 효율 개선." Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02007-8

26.34% 셀 뒤의 세 가지 숫자

• 단일접합 효율: 26.34% 335.5 cm²에서 Voc 743.2 mV, FF 85.0%, Jsc 41.69 mA/cm².

• 탠덤 효율: 32.73%, 1.68 eV 페로브스카이트 탑셀 사용. 탠덤 Voc는 1.961 V에 도달했으며, 2,000시간 MPP 추적 후 초기 성능의 80%가 유지되었습니다.

• 구조 정의: 후면 접합 구조의 전면 국부 n-TOPCon 핑거와 전면적 이중층 p-TOPCon 후면 접촉 결합. 이는 일반적으로 전면 붕소 이미터와 후면 n-TOPCon 접촉을 사용하는 기존 TOPCon의 거울 반전입니다.

후면 이중층 접촉: 동일한 골격, 그러나 세 가지 다른 공정 변수

26.66% 후면 접촉은 SiOx / 저농도 도핑 n+ poly-Si / SiOx / 고농도 도핑 n+ poly-Si를 사용하며, 도펀트는 인입니다.

26.34% 후면 접촉은 SiOx / 36 nm p+ poly-Si / SiOx / 90 nm p+ poly-Si를 사용하며, 붕소 도핑입니다.

두 구조 모두 동일한 기본 순서를 따릅니다: 하부 SiOx, 내부 poly-Si, 중간 SiOx 및 외부 poly-Si. 그러나 p-TOPCon 버전은 오랜 문제를 해결해야 합니다.

p-TOPCon은 항상 패시베이션과 접촉 간의 트레이드오프에 직면해 왔습니다. 붕소는 인보다 Si/SiO₂ 계면에서 더 많은 결함을 생성할 수 있으며, p+ poly-Si의 금속화는 정공 수송 제한과 기존 은 페이스트와 p+ poly-Si 간의 약한 상호작용으로 인해 더 어렵습니다.

보고된 공정 데이터에는 650°C에서의 in-situ 후면 산화, 약 1 nm 중간 SiOx 층, 1 × 10²⁰ cm⁻³의 붕소 도핑, 1050°C 사전 어닐링 후 98% 결정화도, 747 mV의 implied Voc, 거친 은 분말을 사용한 알칼리 금속 개질 페이스트로 0.55 mΩ·cm²의 접촉 저항률이 포함됩니다.

한 가지 세부 사항을 놓치기 쉽습니다. 외부 p+ poly-Si 층의 두께는 90 nm로, n-TOPCon 측에 사용된 약 60 nm 외부 층보다 50% 더 두껍습니다.

이는 임의적인 증가가 아닙니다. 붕소는 인보다 poly-Si에서 고용도가 낮기 때문에, 고농도 도핑된 부분은 접촉 저항률을 낮추기 위해 더 두꺼운 두께가 필요합니다. 동시에 1050°C 사전 어닐링 단계는 붕소를 내부로 확산시킵니다. 더 두꺼운 외부 층은 붕소가 침투하여 하부 SiOx 층을 손상시키는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

이는 외부 층을 더 얇고 비정질로 유지할 수 있는 n-TOPCon 전략과 반대입니다.

전면: 430 Ω/□ 전략이 국부화로 대체됨

이전 연구에서 남겨진 질문은 430 Ω/□ 고저항 붕소 이미터 전략이 핑거형 n-TOPCon 전면 접촉에도 적용될지 여부였습니다.

26.34% 셀의 답은 명확합니다: 그렇지 않습니다. 설계는 다른 방향으로 전환됩니다.

26.66% 셀은 시트 저항이 430 Ω/□인 기존의 붕소 확산 전면 이미터를 사용합니다. 약 10μm의 미세 금속 핑거가 약한 측면 전도성을 보완합니다.

26.34% 셀은 기존의 전면 붕소 이미터를 제거하고 이를 약 210μm 너비의 패턴화된 n-TOPCon 핑거로 대체하여, 금속 접촉 영역 아래에만 폴리-Si를 남깁니다..

따라서 재결합 감소 메커니즘은 높은 시트 저항을 통한 도펀트 농도 희석에서 폴리-Si가 덮는 면적을 줄이는 방식으로 변경됩니다.

• 먼저 텍스처가 수정됩니다. 오존과 HF를 사용하여 피라미드 팁을 둥글게 만듭니다. 이는 날카로운 텍스처 피크 주변의 불량한 패시베이션과 은 페이스트 부식을 줄입니다.

• LPCVD에 구배 열장(GTF)이 도입됩니다. 라만 반치폭(FWHM)이 8.4 cm⁻¹에 도달합니다. 낮은 값은 더 나은 결정성을 나타냅니다. 구배 열장은 수평 및 수직 온도 균일성을 모두 개선하고 n+ 폴리-Si의 결정성을 높입니다.

• 인 도핑 농도는 3.3 × 10²⁰ cm⁻³에 도달합니다. 이는 26.66% 후면 접촉에 사용된 인 농도보다 약 1자릿수 높습니다. 전면 n+ 핑거는 전면 패시베이션보다는 전도성을 위해 설계되었습니다. 대부분의 패시베이션 작업은 전면 후면 p-TOPCon 접촉이 담당합니다.

• 핑거 폭은 약 210μm입니다. 폴리-Si는 금속 아래에 남아 있고, 비접촉 텍스처 영역은 덮이지 않은 상태로 남습니다. 이는 전면 폴리-Si 접촉에 비해 전면 기생 흡수를 크게 줄입니다.

430 Ω/□ 접근법은 붕소 이미터 시대에 속합니다. 핑거형 n-TOPCon 구조에서는 재결합이 국소화된 폴리-Si 커버리지, 둥근 표면 텍스처 및 GTF-LPCVD로 인한 향상된 결정성을 통해 제어되며, 단순히 시트 저항을 높이는 것이 아닙니다.

이는 26.34% 셀이 26.66% 셀의 744.6mV에 근접한 743.2mV의 Voc를 달성하면서도 더 높은 Jsc를 얻는 방법을 설명하는 데 도움이 됩니다. 국소화된 전면 접촉은 전면 폴리-Si 구조에 남아 있을 기생 흡수를 줄입니다.

두 26% 자매 설계의 나란히 비교

후면 이중층 SiOx/폴리-Si 접촉

전면 비교

두 논문이 26% 이상 후면 접점 개발에 대해 말하는 것

결합된 메시지는 상당히 직접적입니다.

25% 수준에서는 산화물 층의 핀홀 거동에 초점이 맞춰졌습니다. 26% 수준에서는 개발이 이중층 SiOx/poly-Si 구조와 금속화 엔지니어링으로 이동했습니다. 26.3% 이상에서는 경로가 갈라지기 시작합니다. n-TOPCon 후면 접점은 양면 전기적 시너지를 추구하는 반면, p-TOPCon 후면 접점은 국부적인 전면 핑거를 가진 후면 접합 구조로 이동합니다. 후자는 이미 부분적인 BC-TOPCon 아키텍처에 가깝습니다.

은 침투를 차단하는 데 사용되는 중간 SiOx 층은 두 이중층 후면 접점 설계의 공통된 특징입니다. 그러나 p-TOPCon 측은 세 가지 추가 문제를 해결해야 합니다:

• 붕소를 활성화하고, 결정성을 높이며, 붕소 관련 계면 문제를 억제하기 위해 1050°C 사전 어닐링 단계가 필요합니다.

• p+ poly-Si의 어려운 금속화를 해결하기 위해 알칼리 금속 산화물 변성 은 페이스트가 필요합니다.

• p-TOPCon이 표면 텍스처와 J₀에 미치는 영향에 더 민감하기 때문에 후면 연마 및 평탄화가 더 중요해집니다.

이러한 문제는 26.66% n-TOPCon 설계의 핵심이 아니었습니다. 간단히 말해, 이중층 p-TOPCon 접점은 n-TOPCon 접점보다 제조가 더 어렵지만, 공정이 제어되면 더 높은 Voc 잠재력을 제공할 수 있습니다.

26.34% 셀의 이중층 후면 p-TOPCon 접점은 747 mV의 암시적 Voc에 도달했으며, 이는 26.66% 설계에 대해 논의된 추정 전체 암시적 Voc 수준보다 약간 높습니다.

직접 적용할 수 있는 생산 라인 매개변수

1. 후면 연마 및 평탄화 개선. p-TOPCon 생산 라인은 후면 연마를 '충분히 좋은' 수준으로만 처리해서는 안 됩니다. 평탄화는 n-TOPCon보다 이중층 p-TOPCon 접점의 J₀에 더 강한 영향을 미칩니다.

2. 중간 SiOx 층을 약 1 nm에서 in situ로 형성. 26.66% n-TOPCon 구조에 사용된 1.5 nm 열 산화물을 복사하면 터널링이 감소하고 p형 측의 FF가 손상될 수 있습니다.

3. 1050°C 사전 어닐링 단계를 도입합니다. 이 처리 없이는 붕소 활성화와 98% 결정화도를 달성하기 어려우며, 747 mV의 암시적 Voc는 가능성이 낮습니다.

4. 알칼리 금속 산화물로 개질된 은 페이스트를 사용합니다. 보고된 조성은 4 wt% Na₂O/K₂O와 거친 은 분말을 사용합니다. p-TOPCon 측에서 0.55 mΩ·cm²의 접촉 저항률은 달성하기 어려운 목표입니다. 기존 페이스트는 p+ 접촉에서 직렬 저항을 급격히 증가시킬 수 있습니다.

5. 전면 핑거 폭을 약 210 μm로 제어합니다. 레이저 패터닝 정밀도는 더 좁은 접촉 형상에 맞춰져야 합니다. 핑거 폭을 더 줄이면 기생 흡수를 다시 줄일 수 있지만, 이중층 스택에 대한 레이저 손상을 재평가해야 합니다.

BC-TOPCon을 위한 다음 질문

전면 n-TOPCon 핑거와 전면적 이중층 p-TOPCon 후면 접촉을 갖는 26.34% 구조는 사실상 BC-TOPCon의 부분 버전입니다.

다음 논리적 단계는 후면 p-TOPCon 접촉도 국소화하여 후면 p형 핑거와 n형 핑거를 상호 교차 패턴으로 배열하는 것입니다. 이는 진정한 BC-TOPCon 구조를 만들 것입니다.

이것은 새로운 질문을 제기합니다. 국소화된 후면 p-TOPCon 접촉의 중간 SiOx 층이 순수 SiO₂로 유지되어야 하는지, 아니면 OGO 방식의 질소 도핑된 SiOx 로 대체하여 전계 패시베이션을 강화해야 하는지입니다. 또 다른 옵션은 AlOx/SiOx 스택으로, 알루미늄 산화물의 전계 효과와 이중층 SiOx/poly-Si 접촉을 함께 사용하는 것입니다.

26.34% 연구는 후면 p-TOPCon 접촉이 전면적이었고 국소 전계 효과 패시베이션에 의존하지 않았기 때문에 이 문제를 탐구하지 않았습니다. 그러나 후면 p형 접촉이 핑거 형태가 되면 AlOx 전계 효과 패시베이션과 이중층 SiOx/poly-Si 구조의 조합이 중요한 다음 단계 옵션이 될 수 있습니다.

또한 탠덤 관련 공정 질문이 있습니다. 32.73% 탠덤에 사용된 하부 셀은 텍스처링된 전면 표면을 가지고 있습니다. 그림 1의 시뮬레이션은 양면 핑거-TOPCon 구성이 전면적 양면 TOPCon 구조보다 더 높은 탠덤 잠재력을 가질 수 있음을 나타냅니다.

그러나 텍스처링된 전면 표면에 국부적인 n-TOPCon 핑거가 있는 경우 광발광 균일성을 어떻게 제어해야 할까요? 과도한 레이저 에너지는 피라미드 팁을 국부적으로 태우거나 평평하게 만들 수 있습니다. 이는 둥근 피라미드 처리로 생성된 공정 창의 일부를 소모할 수 있습니다.

세 가지 연구(25.4% Das Solar 셀에서 26.66% 및 26.34% 셀까지)를 통해 후면 접촉 로직은 세 가지 세대를 거쳐 발전했습니다: 산화물 핀홀 제어, 은 침투에 대한 이중층 보호, 마지막으로 알칼리 금속 변형 금속화와 결합된 이중층 p-TOPCon입니다.

Ooitech의 견해

여기서 공정 창이 실제 병목 현상입니다. p-TOPCon이 전면 후면 접촉에서 국부적인 BC 핑거로 이동하면 접촉 저항률, 레이저 손상, 붕소 활성화 및 전계 효과 패시베이션이 하나의 결합 시스템으로 최적화되어야 합니다. 더 얇은 중간 SiOx 층은 FF를 보호할 수 있지만, 은 침투 및 붕소 유도 계면 손상에 대한 여유도 줄어듭니다. 다음으로 유용한 결과는 생산 규모 웨이퍼에서 이 완전한 통합 창을 입증하는 것이지, 단지 최고 효율 값만 보여주는 것이 아닙니다.