효율 26.3% 이상, 후면에서 최적화할 것은 무엇인가? n형 후면 접촉은 양면성 시너지를 추구하고, p형 후면 접촉은 후면···으로 이동
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26.3% 이상 효율, 후면에서 최적화할 것은 무엇인가?
"라오장, 26.66% 셀은 전체 p형 TOPCon 후면 구조를 사용했습니다. 26.34% 논문에서는 전면이 국부 n-TOPCon 핑거로 변경되었고, 후면은 전면적 p-TOPCon 접촉이 되었습니다. 이중층 SiOx/poly-Si 스택은 여전히 동일합니까?"
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.
