TOPCon 셀의 핀홀: 26.55% 효율로 가는 놀라운 경로

개요

실리콘 PV 분야의 오랜 가정을 뒤집는 내용이 있습니다. 연구진은 TOPCon 셀의 SiOx 층에 특정 '핀홀'을 의도적으로 남기면 효율이 떨어지는 대신 26.55%까지 올라갈 수 있다는 사실을 발견했습니다.

핵심 발견: 터널 산화물의 핀홀은 두 가지 유형으로 나뉩니다. 하나는 재결합형(산소가 고갈되어 폴리-Si가 c-Si에 직접 접촉하여 나쁨)이고, 다른 하나는 패시베이션형(잔류 산소가 남아 댕글링 본드를 패시베이션하면서도 터널링을 허용하여 좋음)입니다. 패시베이션형은 단면이 약 1.6 ± 0.2 nm × 1.4 ± 0.3 nm이고 면적 밀도는 2 × 10¹² cm⁻²입니다. Fischer 모델은 소자 성능을 결정하는 것이 핀홀의 기하학적 구조가 아니라 핀홀이 패시베이션되었는지 여부임을 보여주었습니다.

참고문헌: 터널 산화물 패시베이션 접촉을 갖는 대면적 고효율 실리콘 태양전지용 패시베이션 핀홀, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

연구 배경 및 해결되지 않은 문제

TOPCon은 현재 n형 실리콘의 주류입니다. Runergy는 335 cm²에서 26.55%를 달성했고, Jinko는 TOPCon에 페로브스카이트를 적층하여 33.24%를 달성했으며, 단면 n-TOPCon의 이론적 한계는 27.79%입니다. 그러나 계면 SiOx 층의 핀홀이 실제로 어떤 역할을 하는지는 아무도 규명하지 못했습니다.

전통적 관점: 핀홀은 폴리-Si가 c-Si에 직접 침투하여 산소 패시베이션이 실패하고 나쁜 결과를 초래한다는 것입니다.

현실은 더 복잡합니다. 산화물이 너무 두꺼우면(>1.7 nm) 패시베이션은 잘 되지만 터널링이 잘 안 되어 FF가 붕괴됩니다. 산화물이 너무 얇으면(<1.3 nm) 핀홀이 더 많아지고 Voc 붕괴가 우려됩니다.

저자들은 산화물 두께와 산소 분포를 세 가지 경우로 나누었습니다(서론 섹션):

• 경우 1: 두꺼운 산화물, 패시베이션 양호, 터널링 최적이 아님

• 사례 2: 얇은 산화막에 산소 고갈이 동반되어 재결합형 핀홀이 발생 (전형적인 "불량 핀홀")

• 사례 3: 얇은 산화막이지만 산소가 여전히 핀홀로 스며들어 부동태화형 핀홀 형성 (여기서 새로 발견된 사실)

이전에는 HR-TEM 분해능이 2 nm 이하의 미세 구조를 관찰할 만큼 좋지 않았습니다. 문헌에서는 핀홀 직경이 5 nm에서 200 nm, 밀도가 10⁶에서 10⁸ cm⁻²로 보고되었지만, 이는 모두 단지 "큰 구멍"에 불과했습니다. 선택적 식각과 c-AFM은 Si와 SiOx 사이의 식각 속도 차이에 의존하므로, 잔류 산소가 있는 영역은 식각으로 열리지 않습니다. 부동태화 핀홀은 이러한 방법으로 자연스럽게 걸러졌습니다. 그래서 사례 3이 오랫동안 발견되지 않았던 것입니다.

메커니즘: 두 가지 유형의 핀홀 (그림 2)

수차 보정 HAADF-STEM (JEM ARM200F 및 Spectra 300, 200/300 kV)으로 고효율 웨이퍼(25.40%)와 저효율 대조군(24.07%)의 poly-Si/SiOx/c-Si 계면을 스캔했습니다.

핵심 포인트: 고효율 웨이퍼의 핀홀은 실제로 더 작으며, 산소 보존 능력이 더 좋습니다. 모든 크기는 이전 문헌에서 보고된 것보다 한 자릿수 더 작습니다.

Fischer 점 접촉 모델 결과 (원문 그림 3d):

• 핀홀 면적 분율 f = πr²/P²이지만, J₀는 f에 둔감합니다. 실제로 지배적인 요소는 핀홀에서의 표면 재결합 속도 S입니다.

• f ≈ 0.1 부근에서 S ≳ 10³ cm/s가 되면 J₀가 급격히 증가하고, S > 10⁵ cm/s 이상에서는 포화됩니다.

• 의미: 고성능의 핵심은 "핀홀 제로"가 아니라 "부동태화된 핀홀"입니다. 이것이 이 논문 전체에서 가장 큰 하이라이트입니다.

밀도 측면에서 이는 일종의 혁명입니다. 40개의 웨이퍼(고효율 및 저효율)를 X-Y 직교 절단하여 얻은 통계에 따르면 패시베이팅 핀홀의 경우 2 × 10¹² cm⁻², 재결합 핀홀의 경우 3 × 10¹² cm⁻²로, 문헌 값보다 4~6 자릿수 높습니다.

세 가지 이유가 누적됩니다: 첫째, 개념이 바뀌어 이전에 선별에서 제외되었던 패시베이팅 나노결함이 보이게 되었습니다. 둘째, 샘플은 테스트 구조가 아닌 25% 이상의 산업적으로 최적화된 웨이퍼입니다. 셋째, 방법은 원자 수준의 HAADF이며, 간접적인 접근 방식으로는 2nm 미만의 산소 함유 영역을 볼 수 없습니다. 빔 방향을 따라 50~150nm 두께의 TEM 샘플에서 중첩이 발생하지 않도록 저자들은 두께 방향을 따라 4D-STEM ptychography로 보강하여 밀도 통계가 투영 중첩으로 왜곡되지 않았음을 확인했습니다.

공정 랜딩 포인트: 2단계 산화 + 후면 연마 + 폴리 3중 커플링

원래 Methods 및 SI(보충 표 1)의 변수:

• 2단계 산화: 먼저 O₂ 산화로 얇은 SiO₂를 형성한 후, 산소가 공급되지 않는 산소 결핍 단계를 거칩니다. 패시베이팅 유형은 더 긴 산소 유동 시간, 더 높은 온도, 더 큰 유량, 더 높은 압력을 필요로 하며, 이는 균일하고 치밀한 산화막에 유리합니다.

• POCl₃ 확산: 더 낮은 증착 온도와 더 짧은 시간은 폴리 결정화를 개선하고 재결합형 핀홀을 억제합니다.

• 후면 연마 형태는 산화막 두께 균일성의 상류에 있습니다. 세 가지 모두 함께 조정되어야 Case 3을 안정적으로 생산할 수 있습니다.

성능 비교(그림 4 하드 데이터)

대칭 양면 폴리-Si/SiOx 샘플(n-Si 1–3 Ω·cm, 양면 연마):

• τeff: 고효율 8.9ms 대 대조군 2.96ms(주입 5×10¹⁵ cm⁻³)

• J₀: 2.6 대 10.6 fA/cm²

• ΔVoc는 15.9mV로 측정되었지만, J₀ 차이만으로는 약 11mV만 설명됩니다. 나머지 약 5mV는 저자들이 벌크 SRH 수명 개선으로 돌립니다. 최적화된 어닐링은 패시베이팅 핀홀을 생성하면서도 금속 불순물을 게터링합니다(Krügener의 25% POLO 연구 인용). 계면과 벌크를 동시에 고정하는 것이 25%를 넘는 비결입니다.

FF의 경우, 차이는 주로 Rs에서 발생합니다:

• Rs: 357(고효율) 대 619 mΩ·cm²(대조군), Suns-Voc 측정

• ρc (TLM): 4.6 대 5.4 mΩ·cm²

직관에 반하는 점: "핀홀이 더 조밀할수록 ρc가 낮아진다"는 논리로 보면, 고효율 웨이퍼의 더 많은 패시베이팅 핀홀은 ρc를 낮춰야 하며, 실제로 4.6 < 5.4입니다. 그러나 저자들은 반전을 추가합니다. 재결합형 핀홀 근처에서는 인이 웨이퍼로 확산되는 반면, 패시베이팅형 핀홀은 산소에 의해 차단됩니다(보충 그림 10의 EDS 도핑 프로파일). 따라서 도핑 프로파일과 접촉 저항은 두 가지 별개의 논리를 따르며, 핀홀 밀도만으로는 설명할 수 없습니다.

PL은 전체 웨이퍼에 걸쳐 균일했으며, Voc 분포의 Corescan 매핑도 대면적 균일성을 유지했습니다.

업계를 위한 한 줄

이 논문은 TOPCon 인터페이스를 "온전한 산화막 대 핀홀 누설"이라는 이분법적 이야기에서 삼분법적 이야기로 확장합니다: "산소가 여전히 존재한다면 핀홀도 좋을 수 있다". 업계가 다음에 해야 할 일은 핀홀을 완전히 없애는 것에 집착하는 것이 아니라, 후면 폴리싱에서 산화, 폴리 증착 공정 체인을 조정하여 핀홀이 산소를 운반하도록 하는 것입니다. Daheng의 333.3 cm² 웨이퍼에서 25.40% 효율은 이미 이 방법이 효과가 있음을 입증했습니다.

Ooitech의 견해

여기서 우리가 주목하는 것은 이것이 셀 설계뿐만 아니라 공정 체인에 얼마나 의존하는지입니다. 2단계 산화, POCl₃ 튜닝, 후면 폴리싱이 모두 함께 움직여야 한다는 것은, 라인이 부분적으로 조립될 때 종종 간과되는 결합의 전형입니다. 모듈 측면에서도 동일한 패턴을 볼 수 있는데, 라미네이션과 스트링 공정의 허용 오차가 좋은 셀이 Voc를 유지하는지 여부를 조용히 결정합니다. 이러한 인터페이스 민감 공정이 실제 생산 현장에서 어떻게 구현되는지 자세히 알고 싶다면, YouTube의 공장 견학 영상(www.youtube.com/ooitech)을 구독할 가치가 있습니다.