최신 PIP 연구: UV 노출 하에서 TOPCon 태양전지의 화학적 진화 및 전기적 열화

연구 배경

TOPCon은 결정질 실리콘 태양광 산업의 주류 기술 중 하나가 되었습니다. 그러나 높은 효율이 자동으로 장기 안정성을 의미하지는 않습니다. 자외선 유도 열화(UVID)의 차이는 여러 태양전지 구조에서 보고되었습니다. TOPCon, PERC, HJT 셀 모두 영향을 받을 수 있지만, 열화 위치와 주요 메커니즘은 정확히 동일하지 않습니다.

과거 UV 열화 논의는 종종 고에너지 광자가 Si-H 결합을 끊고, 이어서 수소 방출과 계면 패시베이션 변화가 발생하는 것에 초점을 맞췄습니다. 실제 PV 모듈 환경에서 발견되는 자외선 스펙트럼은 단일 파장에 국한되지 않습니다. 조명된 전면 표면에는 SiNx, Al2O3, 붕소 에미터, 금속 접촉을 포함한 여러 결합 영역도 포함됩니다. 따라서 저자들은 TOPCon 셀의 UV 열화가 수소 거동만으로 연구되어서는 안 된다고 주장합니다. 산소 이동과 접촉 계면도 중요합니다.

한 가지 세부 사항은 간과하기 쉽습니다. 모듈 유리는 일반적으로 대부분의 UVB 방사선을 걸러내지만, 조명된 셀 표면을 자외선 노출로부터 완전히 보호하지는 않습니다. 논문에서 논의된 스펙트럼은 UVA가 지배적이면서도 약 11%의 UVB를 포함합니다. 저자들은 비봉지 샘플을 사용했습니다. 따라서 실험은 완전한 모듈의 옥외 노화와 동일하지 않지만, 셀 전면의 UV 민감 영역을 증폭하고 분리하는 데 도움이 됩니다.

이 논문은 모듈 수명 인증 연구라기보다는 고장 메커니즘 조사로 읽는 것이 좋습니다. UV60 후 6.72%의 상대 효율 손실은 기대되는 옥외 모듈 출력 손실로 직접 변환되어서는 안 됩니다. 더 중요한 점은 저자들이 다양한 특성화 방법을 사용하여 전면 패시베이션 손상, 계면 산화, 금속 접촉 열화를 어떻게 연결하는지입니다.

실험 방법

이 연구는 182mm × 105mm 크기의 상용 하프컷 TOPCon 셀을 사용했습니다. 셀은 비저항이 약 1.0 Ω·cm이고 웨이퍼 두께가 약 130μm인 n형 초크랄스키 단결정 실리콘으로 제작되었습니다. 전면 및 후면 구조의 UV 저항성을 비교하기 위해 연구자들은 대칭형 전면 샘플과 대칭형 후면 샘플도 준비했습니다.

전면 구조는 SiNx/Al2O3로 구성되었습니다. 후면 구조는 SiOx/n+ poly-Si/Al2O3/SiNx로 구성되었습니다. 논문에 보고된 주요 막 두께는 아래에 나열되어 있습니다.

연구자들은 노출 전후의 소수 캐리어 수명, 내재 개방 전압, J0를 비교하여 패시베이션 안정성을 평가했습니다. 비행 시간형 이차 이온 질량 분석법(ToF-SIMS)을 사용하여 수소와 산소의 깊이 분포를 추적했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 깊이 프로파일링을 적용하여 N 1s, O 1s, Al 2p, Si 2p의 화학적 상태를 분석했습니다. 그런 다음 EQE, TLM, I-V 측정을 통해 박막 변화를 셀 수준의 전기적 손실과 연결했습니다.

이 실험 설계의 강점은 완전한 셀과 대칭 구조를 결합 사용한 데 있습니다. 완전한 셀은 효율, Voc, Jsc, 충진율, 접촉 저항이 어떻게 변하는지 보여줍니다. 대칭형 전면 및 후면 샘플은 나머지 셀 구조로부터의 간섭을 줄여 어느 패시베이션 측이 UV 노출에 더 민감한지 식별하기 쉽게 만듭니다.

그림 1: TOPCon 셀, 대칭형 전면 구조, 대칭형 후면 구조의 개략도. 대칭형 샘플을 통해 전면 SiNx/Al2O3 스택과 후면 poly-Si 패시베이팅 접점의 UV 저항성을 별도로 비교할 수 있습니다.

자외선 노출 조건도 별도로 고려해야 합니다. 이 연구에서는 자외선 강도 300 W/m², 온도 60°C, 상대 습도 30%, 최대 누적 선량 60 kWh/m²를 사용했습니다. 스펙트럼은 주로 UVA 영역에 집중되어 있었고, 더 작은 UVB 성분을 포함했습니다. 이는 일반적인 옥외 노출보다 더 집중된 조건으로, 실험실 환경에서 전면 표면의 관찰 가능한 화학적 변화를 가속화하는 데 적합합니다.

그림 2: 실험에 사용된 자외선 스펙트럼. 스펙트럼은 UVA가 지배적이며 더 작은 UVB 성분을 포함하여, 더 높은 에너지 광자가 전면 패시베이션 층에 미치는 영향을 관찰할 수 있습니다.

결과 및 논의

전면 구조는 후면 구조보다 UV에 분명히 더 민감합니다

그림 3은 두 구조 사이의 가장 직접적인 비교를 제공합니다. 대칭형 후면 구조는 UV60 후에 약간의 변화만 보였습니다. 대칭형 전면 구조는 UV 선량이 증가함에 따라 계속 열화되었습니다. 논문에 따르면, 전면 샘플의 평균 수명은 2895.6 μs에서 1552.8 μs로 감소했습니다. 내재 개방 전압은 735.5 mV에서 715.2 mV로 떨어졌습니다. 단면 J0는 초기 값의 약 3배인 18.4 fA/cm²로 증가했습니다.

이러한 결과는 UV60 하에서 주요 문제가 후면 TOPCon 폴리-Si 패시베이팅 접점의 불안정성이 아니라, 조명된 전면 SiNx/Al2O3 구조의 패시베이션 품질 저하였음을 나타냅니다. 저자들은 후면의 상대적 안정성을 120 nm 폴리-Si 층에 의한 UV 흡수에 기인한다고 설명합니다. 이는 구조와 광학적 흡수 특성에 기반한 합리적인 메커니즘이지만, 여전히 메커니즘 수준의 해석입니다.

세 가지 매개변수는 서로 다른 방향에서 동일한 결론을 뒷받침합니다. 더 낮은 수명과 더 낮은 iVoc는 더 강한 표면 재결합을 가리킵니다. J0의 증가는 재결합 전류 증가에 대한 더 직접적인 증거를 제공합니다. 저자들은 단일 지표에 의존하지 않았습니다. 수명, 전압 및 재결합 전류 모두 전면 구조의 열화를 보여주는 반면, 후면 구조를 나타내는 녹색 곡선은 대체로 안정적으로 유지됩니다.

그림 3: UV 노출 하에서 전면 및 후면 구조의 수명, 내부 개방 회로 전압 및 J0의 변화. 빨간색 전면 구조 곡선은 더 큰 열화를 보여주며, 조명된 SiNx/Al2O3 패시베이션 스택이 주요 약점임을 식별합니다.

ToF-SIMS는 수소와 산소의 재분포를 보여줍니다

ToF-SIMS 깊이 프로파일은 전면 표면 열화가 단일 원소에 의한 것이 아님을 보여줍니다. 그림 4a에서 수소 농도는 UV60 후에 증가하며, 특히 SiNx 층에서 증가합니다. 저자들은 이것이 일반적으로 논의되는 Si-H 결합의 파괴뿐만 아니라 SiNx 내부의 N-H 결합의 파괴에서도 비롯될 수 있다고 제안합니다.

그림 4b는 산소 분포도 변화함을 보여줍니다. Al2O3 층의 산소 농도는 약간 감소하는 반면, SiNx/Al2O3 및 Al2O3/Si 계면 근처에서는 증가합니다. 저자들은 이것을 Al2O3에서 Al-O 결합이 파괴되고, 방출된 산소가 SiNx 층과 실리콘 표면으로 확산된 결과로 해석합니다.

핵심 요점은 단순히 산소가 더 많다는 것이 아닙니다. 산소는 원래의 격자 또는 결합 환경을 떠나 계면의 화학적 상태를 변화시키고 있습니다.

각 곡선 변화의 위치가 중요합니다. SiNx 영역에서 더 강한 수소 신호는 상부 패시베이션 막이 반응에 직접 관여함을 보여줍니다. 계면 근처의 산소 변화는 Al2O3와 인접 층 사이의 화학적 불안정성을 가리킵니다. 종합하면, 이러한 결과는 전면 표면 열화가 패시베이션 품질과 최종 전기 출력 모두에 영향을 미치는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

그림 4: UV60 전후의 수소와 산소의 ToF-SIMS 깊이 분포. 수소는 패시베이션 스택에서 증가하는 반면, 산소는 계면 근처에서 재분포되어 나중에 XPS로 식별된 화학 결합 변화에 대한 단서를 제공합니다.

XPS는 N-H 결합 파괴, 산소 공공 및 증가된 Al-OH를 연결합니다

피팅된 N 1s XPS 스펙트럼은 SiNx/Al2O3 계면에서 N-H 결합의 비율이 9.64%에서 5.97%로 감소했음을 보여줍니다. 이는 N-H 결합도 수소 방출에 참여한다는 저자들의 결론을 뒷받침합니다. 동시에 SiNx 표면 근처에서 N-H 신호가 증가하여, 방출된 수소 중 일부가 SiNx 영역으로 이동하여 그곳에서 새로운 결합을 형성할 수 있음을 시사합니다.

O 1s 변화는 이 연구에서 가장 독특한 부분 중 하나입니다. 저자들은 O 1s 신호를 격자 산소, 산소 공공 관련 성분, 표면 흡착 산소로 분리했습니다. UV60 후, 산소 공공 관련 피크의 비율이 SiNx/Al2O3 및 Al2O3/Si 계면 모두에서 증가했습니다. 이는 Al2O3 막 품질의 손상을 나타냅니다.

이 증거는 열화 메커니즘을 수소 유발 패시베이션 손실 이상으로 확장합니다. 수소 관련 및 산소 관련 열화가 함께 작용하여 전면 표면 재결합을 증가시키는 것으로 보입니다.

ToF-SIMS와 XPS는 서로 다른 유형의 정보를 제공합니다. ToF-SIMS는 필름 스택의 깊이에 따른 원소 분포를 보여주는 데 더 적합합니다. XPS는 해당 원소의 화학적 상태를 결정하는 데 도움이 됩니다. N 1s 스펙트럼의 N-Si 및 N-H 피팅과 O 1s 스펙트럼의 격자 산소 및 산소 공공 관련 성분은 분석을 원소 위치에서 화학 결합 변화로 확장합니다.

저자들은 이상적인 결정질 Al2O3에서 Al-O 결합이 비교적 높은 결합 에너지를 가진다고 지적합니다. 그러나 실제 태양전지 패시베이션 막은 일반적으로 비정질입니다. 배위 결핍 알루미늄 이온과 산소 공공은 결합 파괴를 위한 국부 에너지 장벽을 낮출 수 있습니다. 이러한 이유로, 실험의 가장 긴 파장인 400 nm(약 3.1 eV에 해당)의 광자조차도 결함이 풍부한 환경에서 Al-O 관련 구조 변화를 유발할 수 있습니다. 이 해석은 박막 결함을 UV 민감성과 직접 연결합니다.

그림 5: 피팅된 N 1s 및 O 1s XPS 스펙트럼. N-H 결합의 변화는 수소 방출 및 이동에 해당합니다. O 1s 스펙트럼에서 산소 공공 관련 성분의 증가는 Al2O3 패시베이션 품질 저하를 나타냅니다.

Al2O3는 완전히 안정적인 방관자가 아님

그림 7은 Al2O3/Si 계면에서 Al 2p 및 Si 2p를 추가로 추적합니다. UV60 후, Al2O3 성분에 할당된 비율은 69.99%에서 60.36%로 감소한 반면, Al-OH는 30.01%에서 39.64%로 증가했습니다. 이는 자외선 노출 하에서 Al-O 관련 구조의 명확한 변환을 나타냅니다.

Si 2p 결과는 UV60 이후 Si2+의 출현과 증가를 보여주는 반면, Si, Si3+, Si4+와 관련된 성분은 감소합니다. 이러한 결과를 바탕으로 저자들은 Al2O3/Si 계면으로 확산되는 자유 산소가 실리콘을 산화시키는 동시에 Al2O3 층에 산소 공공이 형성될 수 있다고 제안합니다. XPS 스펙트럼은 이러한 해석을 뒷받침하지만, 정확한 반응 경로를 확인하려면 직접적인 in-situ 특성 분석이 여전히 필요합니다.

이 발견은 TOPCon 전면 표면 신뢰성에 중요합니다. Al2O3는 전계 효과 패시베이션과 계면 안정성을 제공하기 위한 것입니다. Al-O 관련 구조가 Al-OH로 전환되기 시작하고 산소 공공 농도가 높아지면, 필름은 더 이상 단순한 보호층이 아닙니다. 이는 열화 반응 자체의 일부가 될 수 있습니다. 실리콘 산화 상태의 변화는 계면 화학이 변경되었음을 나타냅니다.

그림 6: Al2O3/Si 계면에서 Al 2p 및 Si 2p XPS 스펙트럼의 변화. Al2O3 관련 구조의 Al-OH로의 전환과 실리콘 산화 상태의 변화는 산소 관련 반응이 전면 표면 열화에 참여함을 보여줍니다.

전기적 손실은 궁극적으로 Voc와 필 팩터에 나타납니다

패시베이션 스택의 화학적 상태가 변하면 셀 수준의 전기적 영향이 명확해집니다. 그림 8에서 EQE는 중장파장 영역에서는 대체로 안정적으로 유지되지만 500 nm 이하에서는 감소합니다. 반사율은 거의 변하지 않습니다. 이는 단파장 응답 손실이 주로 더 강한 전면 표면 재결합에 의해 발생하며, 텍스처링, 반사 방지 성능 또는 광학 흡수의 급격한 악화 때문이 아님을 시사합니다.

그림 7: UV60 전후의 EQE 및 반사율 곡선. 반사율은 거의 안정적으로 유지되는 반면 단파장 EQE는 감소하여, 전류 응답 손실이 주로 증가된 전면 표면 재결합과 관련이 있음을 나타냅니다.

단파장 EQE 감소는 앞서 관찰된 J0 증가와 일치합니다. 단파장 빛은 셀의 전면 표면 근처에서 흡수됩니다. 전면 표면 패시베이션이 손상되면 이 영역에서 생성된 캐리어는 수집되기 전에 재결합할 가능성이 더 높습니다. 따라서 손실은 먼저 단파장 EQE 영역에서 나타납니다. 중장파장 빛은 벌크 내부 또는 후면 쪽으로 더 깊이 침투하므로 해당 응답 변화는 더 작습니다.

TLM 측정 결과, 전면 접촉 저항률은 UV 조사량에 따라 거의 선형적으로 증가했습니다. UV60 후에는 4.1 mΩ·cm²에 도달하여 초기 값의 약 8.6배에 달했습니다. 저자들은 UV 노출 중 생성된 자유 수소, 자유 산소 및 반응성 라디칼이 금속 전극 계면에서의 반응에 참여하여 접촉 저항을 증가시킬 수 있다고 제안합니다. 이 설명은 저항 측정 결과와 일치하지만, 전극 계면에서의 정확한 반응 생성물에 대해서는 여전히 더 직접적인 화학적 증거가 필요합니다.

그림 8: 전면 접촉 저항률은 UV 조사량에 따라 증가합니다. UV60 후 접촉 저항률은 초기 값의 약 8.6배로, 필 팩터 손실의 중요한 요인입니다.

셀 매개변수의 최종 상대 열화는 다음과 같이 보고되었습니다.

핵심 전기적 결론은 명확합니다. UV60 조건에서 TOPCon의 주요 손실은 전류 감소에서 오지 않습니다. 손실은 전면 패시베이션 열화로 인한 Voc 손실과 전면 접촉 저항 증가와 관련된 필 팩터 손실에서 발생합니다.

이는 Jsc만 살펴보면 UV 열화 위험을 과소평가할 수 있는 이유를 설명합니다. 단파장 EQE는 변화하지만 총 Jsc는 0.64%만 감소합니다. 재결합과 접촉 문제가 더 큰 효율 손실을 만듭니다. 고효율 TOPCon 셀에서 Voc와 필 팩터는 계면 품질, 패시베이션 상태 및 금속 접촉 성능에 매우 민감합니다. 이러한 매개변수는 Jsc보다 먼저 신뢰성 약점을 드러낼 수 있습니다.

그림 9: UV60 조건에서 Voc, Jsc, 필 팩터 및 효율의 상대 열화. 효율은 6.72% 감소하며, 주로 Voc 및 필 팩터 손실에 의해 주도되고 Jsc 변화는 상대적으로 작습니다.

메커니즘 및 적용 평가

제안된 메커니즘은 다음과 같이 요약할 수 있습니다: UV 노출은 전면 SiNx/Al2O3 구조의 결합 상태를 변화시킵니다. Si-H 및 N-H 결합이 끊어지고 수소가 방출됩니다. Al-O 관련 구조가 변형되고 산소 공공이 형성됩니다. 자유 산소가 계면으로 이동하여 전면 표면 재결합이 증가하고, 접촉 영역 주변의 전기화학 반응이 전면 접촉 저항을 증가시킬 수 있습니다.

수명, iVoc, J0, EQE, TLM 및 I-V 결과는 전기적 열화에 대한 직접적인 지지를 제공합니다. ToF-SIMS 및 XPS는 수소와 산소의 이동 및 관련 화학 결합 변화를 지지합니다. 금속 전극 계면의 해석에는 더 많은 주의가 필요합니다. 이 논문은 주로 더 높은 접촉 저항과 이전 연구의 결과로부터 이 메커니즘을 추론합니다. 전극 계면의 원소 분포, 화학 상태 측정 또는 단면 분석이 더 강력한 확인을 위해 필요할 것입니다.

산업 생산의 경우, 이 논문은 TOPCon UV 신뢰성이 초기 셀 효율만으로 평가될 수 없음을 상기시킵니다. 여러 요인이 장기 에너지 성능에 영향을 미칠 수 있습니다:

• 전면 SiNx/Al2O3 패시베이션 스택의 재료 품질

• 수소 농도 및 Si-H 및 N-H 결합의 안정성

• Al2O3 층의 산소 공공 농도

• 금속 접촉 계면의 안정성

• 모듈 유리 및 봉지재에 의한 UVA 및 UVB 필터링

• 자외선 노출, 수분, 열, 기계적 응력 및 전기장 간의 상호 작용

이 연구가 모듈 수준에서 고려될 때, 셀에 도달하는 실제 스펙트럼은 유리와 봉지 필름에 의해 다시 필터링됩니다. 수분, 열 응력 및 전기장도 노화에 참여할 것입니다. 따라서 논문에서 보고된 메커니즘은 IEC 테스트나 장기 옥외 현장 데이터를 대체하기보다는 재료 및 공정 최적화를 위한 방향으로 더 유용합니다.

가치 있는 다음 단계는 동일한 검증 프레임워크 내에서 비봉지 셀, 봉지 미니 모듈 및 옥외 노출 모듈을 평가하는 것입니다. 이렇게 하면 현실적인 스펙트럼 필터링 및 환경 결합 후에도 어떤 화학적 변화가 중요한지 결정하기가 더 쉬워질 것입니다.

가능한 공정 최적화 방향은 다음과 같습니다:

• 전면 SiNx/Al2O3 스택에서 불안정한 수소 공급원 감소

• 비정질 Al2O3 네트워크 개선 및 산소 공공 제어

• 더 나은 접촉 계면 안정성을 위한 소성 및 금속화 조건 최적화

• 전면 금속 접촉 주변의 산화 관련 반응에 대한 저항성 개선

• 고에너지 UV가 셀 표면에 직접 미치는 영향을 줄이는 봉지재 선택

이 논문은 완전한 해결책을 제공하지는 않습니다. 문제의 경계를 더 명확히 정의하고, 전면 표면 패시베이션과 접촉 엔지니어링이 함께 고려되어야 함을 보여줍니다.

연구 결론: 다음에 해결해야 할 과제

UV60 노출 테스트를 통해 저자들은 TOPCon 셀의 전면 SiNx/Al2O3 구조가 후면 poly-Si 패시베이팅 접촉보다 자외선 유도 열화에 더 취약함을 보여줍니다. 열화는 단일 요인에 의해 발생하지 않습니다. 수소 관련 프로세스, 산소 관련 프로세스, 그리고 전면 접촉 저항 증가가 모두 기여합니다.

이 연구의 중요성은 TOPCon UV 열화에 대한 설명을 Si-H 결합 파괴만으로 국한하지 않고, 전면 표면 화학적 진화의 더 넓은 프레임워크를 제시한 데 있습니다. UVID 위험을 줄이려면 전면 패시베이션 스택, 계면 산소 공공, 수소 관리, 금속화 접촉, 모듈 패키징의 UV 필터링을 조정하는 것이 필요할 것입니다. 단일 막 파라미터만 조정하는 것으로는 충분하지 않을 수 있습니다.

한계는 명확히 유지되어야 합니다. 샘플은 보고된 UV 조건에서 비캡슐화 상태였으며, 제안된 금속 접촉 열화 메커니즘의 일부는 여전히 추론적입니다. 가장 신중한 해석은 이 논문이 UV 노출 하에서 TOPCon 전면 표면의 화학 조성 진화와 전기적 열화 사이의 명확한 관계를 입증한다는 것입니다. 또한 캡슐화 후 장기 신뢰성에 대한 향후 연구를 위한 구체적인 목표를 제공합니다.

참고문헌

Lou, X., Yang, N., Fu, Z., Chen, D., Chen, Y., & Verlinden, P. J. (2026). Chemical composition evolution and electrical performance degradation of TOPCon solar cells under UV exposure. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 1–9.

Ooitech의 견해

실용적인 메시지는 간단합니다: 전면 패시베이션과 금속화는 별개의 공정 단계가 아닌 하나의 신뢰성 시스템으로 취급되어야 합니다. UV 노출이 Al2O3 화학을 변화시키고 전면 접촉 저항을 꾸준히 증가시킬 수 있다면 안정적인 초기 Voc만으로는 충분하지 않습니다. 향후 검증은 셀 수준 UV 테스트를 실제 유리 및 봉지재 스펙트럼 하의 캡슐화 미니 모듈 테스트와 연결해야 합니다.