멀티피스 태양전지 절단을 더 잘하는 방법은?

빠른 답변: 전체 셀을 반으로, 3분의 1로 또는 더 작은 조각으로 절단하면 각 스트립이 전달하는 전류가 줄어들어 모듈 전력이 증가하며, 이는 리본의 저항 손실을 낮춥니다. 스트립이 작아질수록 이점은 줄어들고 기계적 비용은 증가합니다. 세 가지 접근법이 주를 이룹니다. 레이저 스크라이빙 후 기계적 절단은 가장 빠르고 열 부하가 가장 적지만, 절단 가장자리 품질은 스크라이브 깊이에 따라 달라집니다. 레이저 완전 절단은 빔만으로 셀을 분리하며 더 낮은 속도에서 더 깨끗한 가장자리를 제공합니다. 열 레이저 분리는 레이저와 냉각 단계를 결합하여 균열이 제어된 경로를 따라 전파되도록 합니다. 관련 치수는 532 nm 레이저 파장에서 1 µm 및 20 µm에 가까운 피처 크기를 거쳐 100 µm에 이르며, 스트립 전압은 낮아 약 0.55 V이므로 이득은 전압이 아닌 저항에서 비롯됩니다.

PV 모듈 제조 · Ooitech의 Jerry 작성

소개

TOPCon, SHJ 및 BC 셀의 에지 손실에 관한 반직관적 진실" title="다중 조각 태양전지를 더 잘 자르는 방법은? n-type TOPCon, SHJ 및 BC 셀의 에지 손실에 관한 반직관적 진실"/>

为了追求更高的组件功率，工程师们常常将一个大电池片切成1/2、1/3甚至更多的“小电池片”，然后在组件内将它们串联和并联。关键在于降低电流并减少电阻功率损耗。但每一次切割都会在电池边缘留下未钝化的“伤口”。这些伤口变成载流子陷阱，并降低开路电压（Voc）和填充因子（FF）。子电池越小，这种边缘复合损失的影响就越大。

目前行业中最常见的方法“激光划片+机械裂片”（L&C）会在切割边缘留下严重的热损伤。多年来，业界一直认同一个观点：在p-n结侧划片造成的损伤最大，因此“p-n结侧是边缘损失的主要瓶颈”。这一信念催生了标准的技巧：“从n-n+侧划片以保护p-n结”。

但这种被广泛接受的“常识”是否真的反映了p-n结的内在电学行为？还是仅仅是激光热效应的产物？

核心发现：打破共识的内在电学行为

苏州大学FUNSOM研究所的一个研究团队在Nano Energy上发表了工作，使用一种他们称之为“45°旋转裂片”的新型低损伤切割方法。它巧妙地避开了激光热损伤，并探测了p-n结边缘的真实内在电学行为。结论令业界惊讶：

在低损伤切割下，p-n结侧的边缘载流子收集效率实际上高于n-n+侧。简单来说：从p-n结侧划片是更好的工业策略。这颠覆了二十年的公认做法。

如何在不损伤电池的情况下打开电池边缘

"p-n 접합의 고유 전기적 거동"을 연구하려면 먼저 까다로운 문제를 해결해야 합니다. 전통적인 레이저 절단 은 재용융 및 재응고된 층과 미세 균열, 그리고 가장자리를 따라 쌓인 열 손상을 남기며, 이 모든 것이 p-n 접합과 표면 재결합 거동에 대한 관찰을 흐리게 만듭니다. 연구팀은 다른 접근법을 택해 실리콘 결정의 이방성 쪼개짐 특성을 이용한 "45° 회전 쪼개기" 방법을 제안했습니다:

1단계: 웨이퍼를 면내에서 45° 회전합니다.

2단계: 다이아몬드 스크라이버로 (100) 면에 얕은 선을 미리 긋습니다.

3단계: {110} 면족을 따라 벽개하여 원자적으로 평탄하고 열 손상이 없는 단면을 얻습니다.

이렇게 얻은 가장자리 단면은 구조적 및 전기적 무결성을 유지합니다. 마이크로미터 해상도의 광전압 이미징 기술과 결합하면, p-n 접합을 손상시키지 않고 가장자리 근처의 전기적 거동을 점별로 스캔할 수 있습니다.

실험에서는 532 nm 레이저(침투 깊이 약 1.3 µm)를 사용했으며, 50× 대물렌즈에서 약 1 µm의 공간 해상도를 달성하여 가장자리 수십 마이크로미터 내의 광전압 감쇠 거동을 선명하게 포착할 수 있었습니다.

실험 결과

그림 1. 절단이 p-n 접합 무결성에 미치는 영향 (a, b), 45° 회전 벽개 방법의 개략도 (c, d), 및 세 가지 고효율 셀 구조의 개략도 (e-g).

그림 1a는 기존 L&C 공정이 p-n 접합 측에 스크라이빙하는 것을 보여줍니다: 먼저 레이저가 셀 표면에 홈을 절삭하고(레이저 마크), 그 다음 기계적 힘으로 셀을 분리합니다. 그림 1b는 L&C 절단 후 가장자리의 SEM 단면입니다. 단면이 두 영역으로 나뉘는 것을 명확히 볼 수 있습니다. 위쪽 부분은 "레이저 절삭 영역"으로, 명백한 재용융 및 재응고 형태를 보여줍니다. 아래쪽 부분은 "응력 분리 영역"으로, 기계적 힘에 의해 찢겨져 많은 불규칙한 미세 균열과 용융 풀이 남습니다. 이 열 손상이 바로 누설 전류 급증과 셀 성능 저하를 유발하는 원인입니다.

주목할 점: 레이저가 p-n 접합 측에 스크라이빙할 때, p-n 접합 자체가 열에 의해 완전히 파괴됩니다. 따라서 업계에서 항상 보아온 "p-n 접합 측이 가장자리 손실 병목 현상"이라는 "현상"은 실제로 열 손상의 인공물입니다.

그림 1c는 여기서 제안된 45° 회전 절단 방법을 보여줍니다: 웨이퍼를 면 내 축을 기준으로 45° 회전시키고, 다이아몬드 스크라이버로 (100) 면에 스크래치를 낸 후 {110} 절단면을 따라 찢어냅니다. 그림 1d는 절단된 가장자리의 SEM 이미지이며, 스케일 바는 20 µm입니다. 단면은 매우 평평하고 깨끗하며, 용융 흔적이 전혀 없어 p-n 접합의 구조와 전기적 무결성을 완벽하게 보존합니다. 이것이 '고유 거동'을 연구하는 핵심입니다.

이 연구는 TOPCon, SHJ 및 TBC의 세 가지 주류 n형 고효율 셀 기술을 다룹니다. 이들은 공통된 특성을 공유합니다. n형 c-Si 기판 위에 p-n 접합(동종 또는 이종)과 n-n+ 고저 접합을 모두 갖고 있습니다. 따라서 가장자리 거동을 연구하는 것은 실제 산업 생산에 직접적인 지침을 제공합니다.

그림 2. TOPCon, SHJ 및 TBC 셀의 전면 가장자리 광전압 분석.

그림 2a는 532 nm 레이저가 셀 전면 가장자리에서 안쪽으로 스캔하는 것을 보여주며, XY 정밀 스테이지와 전기 증폭기를 사용하여 광전압 신호를 실시간으로 기록하고 최종적으로 2D 광전압 맵을 구축합니다. 그림 2b는 TOPCon, SHJ 및 TBC(왼쪽에서 오른쪽으로)의 전면 광전압 이미지입니다. 더 밝은 색은 더 높은 광전압을 의미합니다. 세 셀 모두 가장자리에서 약 100 µm 이내에 명확한 '구배 밴드'를 보여주며, 가장자리에 가까울수록 광전압이 낮습니다. 이것이 가장자리 재결합 손실의 직접적인 증거입니다.

세 가지를 비교하면: TOPCon이 가장 높은 광전압(0.40–0.55 V)을 가지며 가장 빠르게 포화됩니다. TBC는 가장 낮은 광전압(0.36–0.49 V)을 가지며 가장 느리게 감쇠하여 가장자리 재결합이 가장 심함을 의미합니다. 이 결과는 'p-n 접합이 병목 현상'이라는 상식에 반하는데, 전면(빛이 들어오는 면)은 일반적으로 p-n 접합이 위치한 곳이기 때문입니다.

그림 2c는 그림 2b의 검은 점선을 따라 추출된 광전압 프로파일을 정규화합니다. 세 곡선 모두 '가장자리에서 낮고, 고원에서 높음'을 보여주지만, 포화 속도(가장자리 재결합 길이를 반영)는 명확히 다릅니다:

• TOPCon: 가장 짧은 감쇠 영역, 약 100 µm 내에서 거의 포화, 가장 작은 가장자리 손실.

• SHJ: 중간 범위의 감쇠 영역, 약 200 µm에서 거의 포화.

• TBC: 가장 느린 회복, 완전히 포화되기까지 약 500 µm까지 늘어나며, 가장 심한 가장자리 손실.

그림 2d는 차이背后的 물리적 원리를 설명합니다. 광생성 정공은 두 가지 중 하나를 수행하게 됩니다: 전극에 수집되거나, 가장자리로 이동하여 재결합합니다.

TOPCon: 전면에 이미터, 초단거리 정공 수집 경로

전면은 p+ 이미터입니다. 정공은 매우 얇은 이미터만 통과하면 전면 전극에 수집될 수 있으므로 대부분의 정공은 "기회를 얻지 못한 채" 가장자리에 도달하지 않습니다. 동시에 p+ 이미터 / SiOx / n-poly-Si가 형성하는 강한 전계는 가장자리에서도 효과적으로 작용하여 캐리어를 빠르게 분리합니다. 이것이 TOPCon의 가장자리 손실이 가장 작은 근본 이유입니다.

SHJ: 전면은 전자를 수집하고, 정공은 긴 길을 간다

SHJ 전면은 n-a-Si:H로, 전자를 수집합니다. 정공은 후면 p-a-Si:H까지 확산해야 수집될 수 있으며, 이는 매우 긴 경로입니다. 여기에 고전도성 TCO 층이 "고속도로"처럼 작용하여 많은 정공을 측면으로 운반하여 가장자리로 보내므로, 가장자리 재결합이 눈에 띄게 증가합니다.

TBC: 모든 전극이 후면에 있어 완전히 소멸

TBC에서는 모든 전극이 후면에 있습니다. 전면에서 생성된 캐리어는 수집되기 위해 웨이퍼 전체를 가로질러 측면으로 이동해야 합니다. 더 나쁜 것은, 전면 Al2O3 패시베이션 층이 많은 고정 음전하를 띠어 Si 표면에 정공 축적 층을 유도하고 "정공 전도 채널"을 형성하여 정공을 가장자리로 더욱 강하게 밀어냅니다.

참고: 전면 광전압 거동은 주로 두 가지, 즉 "캐리어 수집 거리"와 "측면 수송 채널 존재 여부"에 의해 결정되며, p-n 접합 방향과는 무관합니다.

그림 3. TOPCon, SHJ 및 TBC 셀의 후면 가장자리 광전압 분석.

그림 3a는 후면 가장자리에서의 레이저 스캔을 보여줍니다. 그림 3b는 해당 2D 광전압 맵입니다. 그림 2b와 비교하면, 세 셀 모두 후면 광전압이 전면보다 낮습니다(전면은 일반적으로 반사 방지 설계가 더 우수하고 광 이용률이 높기 때문). 그림 3c는 흥미로운 점을 보여줍니다: 후면 가장자리의 "승자"는 TBC가 됩니다. SHJ도 후면에 p-n 접합이 있지만, 그 가장자리 광전압은 실제로 TOPCon보다 낮아, "p-n 접합 위치"가 가장자리 손실을 결정하는 유일한 요인이 아님을 보여줍니다. 그림 3d는 후면 소수 캐리어 수송 메커니즘을 보여줍니다. 후면은 특별합니다: 후면 n-poly-Si는 높은 농도의 전자를 보유하여 강한 전계 환경을 형성하여 정공을 억제하고 전자 수집을 촉진합니다.

TOPCon 후면: 정공의 "빠른 차선"이 억제됨

후면 n-poly-Si의 높은 전자 농도는 정공 수송을 억제합니다. 정공은 수집되기 전에 전면 p+ 이미터에 도달하기 위해 전체 n형 c-Si 기판을 가로질러야 합니다. 이러한 "장거리 수송"은 후면 광전압을 일반적으로 낮추지만, 가장자리에 도달하는 정공의 수도 줄입니다.

SHJ 후면: 헤테로접합은 강하지만, TCO는 양날의 검입니다

SHJ의 n형 c-Si / p-a-Si:H 헤테로접합은 실제로 TOPCon보다 더 강한 캐리어 분리를 제공하지만, TCO는 낮은 측면 저항을 가지며 여전히 상당한 양의 정공을 가장자리로 "단락"시킵니다. 결과적으로 강한 분리 능력이 작은 가장자리 손실을 의미하지는 않습니다.

TBC 후면: 정공 HSC가 바로 후면에 있어 홈 코트 어드밴티지입니다

TBC의 후면 HSC는 광생성 정공을 직접 마주합니다. 캐리어는 후면에서 바로 수집되므로 가장자리로 흐르는 양이 훨씬 적고, 후면 광전압이 가장 빠르게 포화됩니다.

참고: 후면 광전압 거동은 전면과 "반대" 추세를 보입니다. TBC는 전면에서 가장 나쁘지만 후면에서 가장 좋으며, 이는 "어느 쪽이 빛을 마주하는가"가 "어느 쪽이 p-n 접합인가"보다 더 중요함을 보여줍니다.

그림 4. TOPCon 및 SHJ 셀의 단면 광전압 분포 모델.

그림 2와 3이 가장자리를 "측면에서" 본다면, 그림 4는 그것을 "가로로" 자른 것입니다. 레이저가 단면을 직접 스캔하므로 p-n 접합에서 n-n+까지의 전체 전기적 거동을 한 번에 볼 수 있습니다. 이것이 이 연구의 가장 독창적인 부분입니다. 그림 4a는 TOPCon의 단면 광전압 맵으로, 왼쪽에서 오른쪽으로 전면(p+ 이미터 / p-n 접합)과 후면(n-폴리-Si / n-n+ 접합)입니다. 왼쪽(p-n 접합)이 전체적으로 더 밝고, 오른쪽(n-n+)이 더 어두운 것을 볼 수 있습니다. 그림 4b에서 추출된 곡선은 매우 명확합니다: p-n 접합 쪽에서 n-n+ 쪽으로 광전압이 단조롭게 감소하며, 전체 감쇠 영역은 약 100 µm입니다. 이 결과는 "p-n 접합이 가장자리 손실의 병목 지점"이라는 전통적인 견해를 완전히 반박합니다. 저손상 조건에서는 p-n 접합 쪽이 오히려 높은 광전압 영역이기 때문입니다. 그림 4c는 물리적 이유를 제시합니다: p-n 접합 쪽(p+ 이미터)에서는 소수 캐리어(정공)가 짧은 거리만 이동하여 수집되는 반면, n-n+ 쪽(n-폴리-Si 영역)에서는 정공이 전체 n형 c-Si를 가로질러 p+ 이미터에 도달해야 하므로 경로가 길고 재결합 확률이 높아 손실이 더 큽니다. 그림 4d–f는 SHJ 셀에서 정확히 동일한 경향을 보여줍니다: 후면 p-n 접합(p-a-Si:H / n-c-Si)에서 전면 n-n+ 접합(i/n-a-Si:H / n-c-Si)으로 갈수록 광전압이 다시 단조롭게 감소합니다. 이 규칙성이 서로 다른 셀 구조에서도 유지된다는 것이 이 연구의 핵심 논거 중 하나입니다.

이를 정량적으로 설명하기 위해 팀은 1차원 소수 캐리어 확산 모델을 도출했습니다. 그림 4g는 모델 개략도로, p-n 접합 쪽(정공 선택 접점, HSC)에서 ESC 쪽(전자 선택 접점, ESC)으로 단조롭게 감소하는 곡선(주황색)을 보여줍니다. 그림 4h는 HSC와 ESC 쪽의 캐리어 거동을 추가로 비교합니다:

• HSC 쪽: 소수 캐리어(정공)가 짧은 거리에서 수집되어 재결합 확률이 낮습니다.

• ESC 쪽: 소수 캐리어가 HSC에 도달하기 위해 긴 거리를 확산해야 하며, 그 과정에서 많은 재결합이 발생합니다.

• p-n 접합의 캐리어 분리 메커니즘은 고농도 도핑 접점과 패시베이션 접점의 이중 이점을 가지며, 단순한 고-저 접합(n-n+)보다 더 효율적입니다.

참고: 단면 광전압 모델은 "p-n 접합 쪽의 전기적 성능이 n-n+ 쪽보다 우수하다"는 것을 정량적으로 확인하고, 가장자리 손실 평가를 위한 새로운 지표로 "소수 캐리어 확산 길이 L"을 제안합니다.

그림 5. 산업용 열 레이저 분리(TLS) 방법으로 제작된 TOPCon 셀의 단면 광전압 분석.

45° 클리빙 방법의 결론이 산업용 절단에도 적용되는지 확인하기 위해, 팀은 "열 레이저 분리"(TLS) 방법(그림 5a)을 사용했습니다 — 먼저 레이저가 p-n 접합 쪽을 전처리하고(그림의 Pre-grooving), 그 다음 냉각수가 분리를 돕습니다. TLS는 오늘날 인정받는 저손상 절단 기술 중 하나입니다. 그림 5b는 TLS 절단 후 TOPCon의 단면 광전압 이미지입니다: 왼쪽(p-n 접합)이 오른쪽(n-n+)보다 명확히 더 밝습니다. 그림 5c의 정량적 곡선은 p-n 접합에서 후면까지 광전압이 여전히 단조롭게 감소하여 45° 클리빙 결과와 완전히 일치함을 보여줍니다.

핵심 검증: 산업용 TLS 방법(p-n 접합 쪽에서 직접 절단)을 사용해도 광전압은 여전히 "높은 p-n 접합, 낮은 n-n+" 경향을 보입니다. 이는 저손상 절단에서 "p-n 접합"이 전혀 병목이 아니라 오히려 장점이 있는 부분임을 의미합니다. TLS 절단에서 "p-n 접합 쪽이 더 우수하다"는 기존 업계 경험이 마침내 실험과 이론 모두로 확인되었습니다.

그림 6. TBC 및 THBC 셀의 단면 광전압 분석과 저손상 p-n 접합 절단 전략의 개략도.

그림 6a와 6b는 TBC 및 THBC 셀의 단면 광전압 이미지입니다. TBC는 가장 높은 광전압 0.39V를 가지며, THBC는 약간 낮은(0.21V) 값을 보이지만, 둘 다 명확한 "밝은 p-n 접합, 어두운 n-n+" 공간 분포를 나타냅니다. 그림 6c와 6d에서 추출된 곡선은 그림 4와 동일한 패턴을 따릅니다: p-n 접합에서 n-n+ 방향으로 단조 감소합니다. 특별히 언급할 점은 그림 6c의 작은 삽입 그림입니다: 각 셀 구조의 광전압 "방향 분포"는 "왼쪽 위가 조밀하고 오른쪽 아래가 드문" 패턴을 보여, p-n 접합 쪽의 전기적 장점이 구조와 공정에 걸쳐 보편적임을 의미합니다. 그림 6e는 후면 접촉 셀의 특별한 점을 설명합니다: HSC는 후면에서 "가까운" 홀을 수집하고, ESC는 후면에서 "가까운" 전자를 수집합니다. p-n 접합 영역에서 생성된 소수 캐리어(홀)는 HSC에 도달하는 데 짧은 거리만 필요하므로 손실이 작습니다; n-n+ 영역의 소수 캐리어는 긴 여정을 해야 하므로 손실이 더 큽니다. 이 패턴은 TOPCon 및 SHJ와 정확히 일치합니다. 이러한 모든 증거를 바탕으로 팀은 그림 6f에서 완전히 새로운 절단 전략을 제안했습니다:

업계 권장 사항

저손상 절단(예: TLS)에서는 p-n 접합 쪽에서 슬라이스해야 합니다. 이유: p-n 접합 쪽은 캐리어 분리 효율이 더 높고 소수 캐리어 이동 경로가 더 짧습니다. 일부 공정 교란에도 적절한 전기적 성능을 유지합니다. 이 권장 사항은 20년간의 'p-n 접합 접촉 회피' 업계 관행을 뒤집는 것입니다.

Ooitech의 견해

솔직히 이것은 헤드라인 사양이 아닌 라인 레벨 습관을 조용히 다시 쓰는 발견 중 하나입니다. n-타입 라인을 운영하는 사람에게 중요한 점: 레이저 절단 레시피를 셀 자체의 캐리어 물리와 짝을 이루고, 오래된 규칙이라는 이유만으로 스크라이브를 n-n+ 쪽에 맹목적으로 두지 마십시오. 저손상 분리(TLS 스타일)가 여기서 실제 핵심이며, 태양광 셀 레이저 절단 기계에서 그 공정을 정밀하게 조정하는 것이 모듈 제조사가 실제 Voc와 FF를 얻거나 잃는 지점입니다. 우리는 TOPCon, SHJ 및 BC 포맷 전반에 걸쳐 에지 손상을 낮게 유지하도록 절단 및 스트링 스테이션을 구축하므로, 이런 종류의 연구는 생산에 바로 적용됩니다. 이러한 단계가 가동 라인에서 어떻게 보이는지 확인하려면 Ooitech YouTube 채널 www.youtube.com/ooitech 을(를) 팔로우할 가치가 있습니다.