26.3% 이상의 효율: 후면에는 무엇이 남았나?
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빠른 답변: 26.3% 이상의 셀 효율에서 TOPCon 셀의 전면은 거의 최적화되어 있고 남은 여유는 후면에 있습니다. 이것이 전면 전체 p형 후면 접촉과 국부 폴리실리콘 핑거로의 전환을 이끄는 요인이며, 이는 후면이 전류를 수집하는 방식과 패시베이션과 접촉에 할당되는 면적을 변화시킵니다. 측정된 구조는 약 1 nm, 1.5 nm, 36 nm 및 90 nm의 층을 가진 후면 스택, 전면 전체 접촉 및 약 650 °C의 후면 공정 단계를 포함하며, 논의된 소자의 개방 회로 전압은 1.961 V로 보고되었습니다. 이러한 각 치수는 접촉 저항과 재결합을 상충시키며, 전면이 개선됨에 따라 최적점이 이동합니다. 라인에서 이는 후면 레시피가 공정의 고정된 부분이 아니라 살아있는 변수가 된다는 것을 의미합니다.
PV 모듈 제조 · Ooitech의 Jerry 작성
26.3% 이상 효율, 후면에서 최적화할 것은 무엇인가?
“라오 장, 26.66% 셀은 전체 p형 TOPCon 후면 구조를 사용했어. 26.34% 논문에서는 전면을 국부적 n-TOPCon 핑거로 바꾸고, 후면은 전체 면적 p-TOPCon 접합으로 바뀌었어. 이중층 SiOx/폴리-Si 스택은 여전히 같은 거야?”
어제 26.66% 셀에 대해 논의를 마친 후 우리 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 국부 n-TOPCon 핑거로 이동합니다. 이는 재결합을 줄이는 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. 등 "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
단일 접합 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 상부 셀 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 접촉이 결합된 구조. 이는 본질적으로 기존 TOPCon의 미러 반전으로, 일반적으로 전면 보론 이미터와 후면 n-TOPCon 접촉을 사용합니다.
후면 이중층 접촉: 동일한 골격, 그러나 세 가지 다른 공정 변수
26.66% 후면 접촉은 SiOx / 경도핑 n+ 폴리-Si / SiOx / 고도핑 n+ 폴리-Si를 사용하며, 도펀트는 인입니다.
26.34% 후면 접촉은 SiOx / 36 nm p+ 폴리-Si / SiOx / 90 nm p+ 폴리-Si를 사용하며, 보론 도핑입니다.
두 구조 모두 동일한 기본 순서를 따릅니다: 하부 SiOx, 내부 폴리-Si, 중간 SiOx 및 외부 폴리-Si. 그러나 p-TOPCon 버전은 오랜 문제를 해결해야 합니다.
p-TOPCon은 항상 패시베이션과 접촉 간의 트레이드오프에 직면해 왔습니다. 보론은 인보다 Si/SiO₂ 계면에서 더 많은 결함을 생성할 수 있으며, p+ 폴리-Si의 금속화는 정공 수송 제한과 기존 은 페이스트와 p+ 폴리-Si 간의 약한 상호작용으로 인해 더 어렵습니다.
| 비교 항목 | 26.66% 후면 접촉: 전면적 n-TOPCon | 26.34% 후면 접촉: 전면적 p-TOPCon |
|---|---|---|
| 도펀트 극성 | 인, n+ | 보론, p+ |
| 내부 / 외부 폴리-Si 두께 | 약 40 / 60 nm | 36 / 90 nm; 더 두꺼운 외부 층은 보론 확산 및 금속화에 더 많은 여유를 제공 |
| 중간 SiOx | 약 1.5 nm, 620°C에서 열 산화 | 약 1 nm, 650°C에서 in-situ 열 산화로 형성; p+ 측에서 정공 터널링이 이미 더 어렵기 때문에 더 얇음 |
| 어닐링 | 이전 분석에서 추정된 880–920°C 범위 | 1050°C에서 30초 이상 사전 어닐링, 98% 결정화율 달성 및 implied Voc를 747 mV로 상승 |
| 은 페이스트 | 기존 페이스트, Ag 침투를 제한하기 위해 외부 비정질 층과 함께 사용 | 알칼리 금속 산화물로 개질된 페이스트(4 wt% Na₂O/K₂O)와 거친 은 분말을 사용하여 접촉 비저항을 0.55 mΩ·cm²로 낮춤 |
| 후면 형태 | 기존 후면 폴리싱 | 평탄화된 후면 폴리싱: p-TOPCon은 표면 텍스처에 더 민감하고 더 낮은 J₀가 필요하기 때문 |
| 주요 목표 | 패시베이션을 유지하면서 Ag 침투 차단 | Ag 침투 차단, 붕소 관련 계면 결함 억제, p+ poly-Si 금속화 개선 |
보고된 공정 데이터에는 650°C에서의 in-situ 후면 산화, 약 1 nm 두께의 중간 SiOx 층, 1 × 10²⁰ cm⁻³의 붕소 도핑, 1050°C 사전 어닐링 후 98% 결정화율, 747 mV의 implied Voc, 그리고 알칼리 금속 개질 페이스트와 거친 은 분말을 사용한 0.55 mΩ·cm²의 접촉 비저항이 포함됩니다.
한 가지 세부 사항은 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 도핑 영역은 접촉 비저항을 낮추기 위해 더 두꺼운 두께가 필요합니다. 동시에 1050°C 사전 어닐링 공정은 붕소를 내부로 확산시킵니다. 더 두꺼운 외부 층은 붕소가 침투하여 하부 SiOx 층을 손상시키는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.
이는 외부 층을 더 얇고 더 비정질로 유지할 수 있는 n-TOPCon 전략과 반대입니다.
전면: 430 Ω/□ 전략이 국부화로 대체됨
이전 연구에서 남은 질문은 430 Ω/□ 고저항 붕소 이미터 전략이 핑거형 n-TOPCon 전면 접점에도 적용될 수 있는지 여부였습니다.
26.34% 셀에서 얻은 답은 명확합니다: 적용되지 않습니다. 설계는 다른 방향으로 전환됩니다.
26.66% 셀은 430 Ω/□의 시트 저항을 가진 기존 붕소 확산 전면 이미터를 사용합니다. 약 10 μm의 미세 금속 핑거가 약한 측면 전도성을 보완합니다.
26.34% 셀은 기존 전면 붕소 이미터를 제거하고 이를 약 210 μm 폭의 패턴화된 n-TOPCon 핑거로 대체하여, 금속 접촉 영역 아래에만 poly-Si를 남깁니다.
따라서 재결합 감소 메커니즘은 높은 시트 저항을 통한 도펀트 농도 희석에서 poly-Si가 덮는 면적 감소로 변경됩니다.
텍스처가 먼저 수정됩니다. 오존과 HF를 사용하여 피라미드 끝부분을 둥글게 만듭니다. 이는 날카로운 텍스처 피크 주변의 불량한 패시베이션과 은 페이스트 부식을 줄입니다.
LPCVD에 구배 열장(GTF)이 도입됩니다. 라만 반치폭(FWHM)은 8.4 cm⁻¹에 도달합니다. 낮은 값은 더 나은 결정성을 나타냅니다. 구배 열장은 수평 및 수직 온도 균일성을 모두 개선하고 n+ 폴리-Si의 결정성을 향상시킵니다.
인 도핑 농도는 3.3 × 10²⁰ cm⁻³에 도달합니다. 이는 26.66% 후면 접점에 사용된 인 농도보다 약 한 자릿수 높습니다. 전면 n+ 핑거는 전체 면적 패시베이션보다는 전도성을 위해 설계되었습니다. 패시베이션 작업의 대부분은 전체 면적 후면 p-TOPCon 접점이 담당합니다.
핑거 폭은 약 210 μm입니다. 폴리-Si는 금속 아래에 남아 있고, 비접촉 텍스처 영역은 덮이지 않은 상태로 유지됩니다. 이는 전체 면적 폴리-Si 접점에 비해 전면 기생 흡수를 크게 줄입니다.
430 Ω/□ 접근 방식은 붕소 이미터 시대에 속합니다. 핑거형 n-TOPCon 구조에서는 재결합이 국소 폴리-Si 커버리지, 둥근 표면 텍스처, GTF-LPCVD로 개선된 결정성, 단순히 시트 저항을 증가시키는 대신.
이는 26.34% 셀이 743.2 mV의 Voc에 도달하여 26.66% 셀에서 보고된 744.6 mV에 근접하면서도 더 높은 Jsc를 달성하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 국소 전면 접점은 전체 면적 전면 폴리-Si 구조에 남아 있을 기생 흡수를 줄입니다.
두 26% 자매 설계의 나란한 비교
후면 이중층 SiOx/폴리-Si 접점
| 층 또는 공정 | 26.66% n-TOPCon 후면 | 26.34% p-TOPCon 후면 | 차이의 주요 원인 |
|---|---|---|---|
| 하부 SiOx | 약 1.3–1.6 nm, 620°C에서 O₂로 형성 | 약 1.8 nm, 650°C에서 in situ 형성 | p형 측은 정공 터널링이 더 어려움에도 불구하고 붕소 침투에 대한 더 강한 장벽이 필요합니다 |
| 내부 폴리-Si | 약 40 nm, 경인 도핑 및 고결정성 | 36 nm, 경량 붕소 도핑 | 붕소는 고용도가 낮아 더 얇은 내부층으로도 패시베이션을 지지할 수 있음 |
| 중간 SiOx | 약 1.5 nm, 620°C에서 O₂로 형성 | 약 1 nm, 현장에서 형성 | 터널링은 p형 측에서 더 까다로워 중간층이 너무 두꺼울 수 없음 |
| 외부 폴리-Si | 약 60 nm, 고농도 인 도핑 및 주로 비정질 | 90 nm, 고농도 붕소 도핑 | p+ 폴리-Si 금속화는 더 어려워 더 두꺼운 층과 수정된 페이스트가 필요함 |
| 어닐링 | 약 880–920°C | 1050°C 사전 어닐링, 98% 결정화도 달성 | 붕소는 더 높은 활성화 온도가 필요하며, 공정은 붕소 관련 계면 결함도 제어해야 함 |
| 은 페이스트 | 기존 페이스트와 비정질 외부층 조합 | 4 wt% 알칼리 금속 산화물과 거친 은 분말 | p+ 폴리-Si의 금속화는 여전히 주요 공정 병목 중 하나 |
전면 비교
| 항목 | 26.66% 전면 | 26.34% 전면 |
|---|---|---|
| 구조 | 전면 붕소 확산 이미터 | 약 210 μm 폭의 국부 n-TOPCon 핑거 |
| 재결합 제어 전략 | 도핑 희석을 위한 430 Ω/□의 높은 시트 저항 | 폴리-Si 피복 감소와 둥근 텍스처 결합 |
| 표면 텍스처 | 기존 역피라미드 텍스처 | 오존 및 HF 처리된 둥근 피라미드 |
| 폴리-Si 증착 | 해당 없음 | GTF-LPCVD, 라만 FWHM 8.4 cm⁻¹ |
| 도펀트 | 붕소 | 3.3 × 10²⁰ cm⁻³의 인 |
26% 이상 후면 접점 개발에 관한 두 논문의 내용
결합된 메시지는 상당히 직접적입니다.
25% 수준에서는 산화물 층의 핀홀 거동이 초점이었습니다. 26% 수준에서는 이중층 SiOx/poly-Si 구조와 금속화 엔지니어링으로 개발이 진행되었습니다. 26.3% 이상에서는 경로가 분기되기 시작합니다: n-TOPCon 후면 접점은 이중면 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 공통 기능입니다. 그러나 p-TOPCon 측은 세 가지 추가 문제를 해결해야 합니다:
보론 활성화, 결정성 증가 및 보론 관련 계면 문제 억제를 위해 1050°C 사전 어닐링 단계가 필요합니다.
p+ poly-Si의 어려운 금속화를 해결하려면 알칼리 금속 산화물 개질 은 페이스트가 필요합니다.
p-TOPCon은 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
후면 연마 및 평탄화를 개선합니다. p-TOPCon 생산 라인은 후면 연마를 '충분히 좋은' 수준으로만 처리해야 하는 공정으로 취급해서는 안 됩니다. 평탄화는 n-TOPCon보다 이중층 p-TOPCon 접점의 J₀에 더 강한 영향을 미칩니다.
중간 SiOx 층을 약 1 nm에서 in situ로 형성합니다. 26.66% n-TOPCon 구조에 사용된 1.5 nm 열 산화물을 복사하면 p형 측에서 터널링이 감소하고 FF가 손상될 수 있습니다.
1050°C 사전 어닐링 단계를 도입합니다. 이 처리 없이는 보론 활성화와 98% 결정성을 달성하기 어려워 747 mV의 암시적 Voc는 가능성이 낮습니다.
알칼리 금속 산화물 개질 은 페이스트를 사용합니다. 보고된 배합은 4 wt% Na₂O/K₂O와 거친 은 분말을 사용합니다. 0.55 mΩ·cm²의 접촉 저항은 p-TOPCon 측면에서 달성하기 어려운 목표입니다. 기존 페이스트는 p+ 접촉에서 직렬 저항이 급격히 증가할 수 있습니다.
전면 핑거 폭을 약 210 μm로 제어하십시오. 레이저 패터닝 정밀도는 더 좁은 접촉 형상에 맞춰 유지되어야 합니다. 핑거 폭을 더 줄이면 기생 흡수를 다시 줄일 수 있지만, 이중층 스택에 대한 레이저 손상은 재평가해야 합니다.
BC-TOPCon을 위한 다음 질문
26.34% 구조는 전면 n-TOPCon 핑거와 전면적 이중층 p-TOPCon 후면 접촉을 갖추고 있어, 사실상 BC-TOPCon의 부분 버전입니다.
다음 논리적 단계는 후면 p-TOPCon 접촉도 국부화하여 후면 p형 핑거와 n형 핑거를 교차 배열하는 것입니다. 그러면 진정한 BC-TOPCon 구조가 됩니다.
이것은 새로운 질문을 제기합니다. 국부화된 후면 p-TOPCon 접촉의 중간 SiOx 층이 순수한 SiO₂로 유지되어야 하는지, 아니면 질소 도핑된 SiOx (OGO 방식) 로 대체되어 필드 패시베이션을 강화해야 하는지입니다. 또 다른 옵션은 AlOx/SiOx 스택으로, 알루미늄 산화물의 필드 효과와 이중층 SiOx/poly-Si 접촉을 함께 사용하는 것입니다.
26.34% 연구는 후면 p-TOPCon 접촉이 전면적이었고 국부 필드 효과 패시베이션에 의존하지 않았기 때문에 이 문제를 탐구하지 않았습니다. 그러나 후면 p형 접촉이 핑거 형태가 되면, AlOx 필드 효과 패시베이션과 이중층 SiOx/poly-Si 구조의 조합이 심각한 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 탠덤 잠재력이 더 높을 수 있음을 나타냅니다.
그러나 국부 n-TOPCon 핑거가 있는 텍스처링된 전면 표면에서 광발광 균일성을 어떻게 제어해야 할까요? 과도한 레이저 에너지는 피라미드 팁을 국부적으로 태우거나 평평하게 만들 수 있습니다. 이는 둥근 피라미드 처리로 만들어진 공정 창의 일부를 소비할 수 있습니다.
세 연구(25.4% Das Solar 셀에서 26.66% 및 26.34% 셀까지)를 통해 후면 접촉 로직은 3세대를 거쳤습니다: 산화물 핀홀 제어, 은 침투에 대한 이중층 보호, 그리고 마지막으로 알칼리 금속 변형 금속화와 결합된 이중층 p-TOPCon.
Ooitech의 견해
여기서 실제 병목 현상은 공정 창입니다. p-TOPCon이 전면 후면 접촉에서 국부 BC 핑거로 이동하면 접촉 저항, 레이저 손상, 붕소 활성화 및 전계 효과 패시베이션을 하나의 결합 시스템으로 최적화해야 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 것이며, 단지 최고 효율 값만이 아닙니다.
추가 자료 및 배경 데이터
이 주제에 관한 공개 참고 자료로, 업계의 기술 로드맵과 시장 데이터를 관리하는 기관들이 발행한 것입니다:
