개요

실리콘 PV 분야에서 오랫동안 유지되어 온 가정을 뒤집는 내용이 있습니다. 연구진은 TOPCon 셀의 SiOx 층에 특정 '핀홀'을 의도적으로 남겨두면 효율이 떨어지는 대신 26.55%까지 올라갈 수 있음을 발견했습니다.

핵심 발견: 터널 산화물의 핀홀은 두 가지 유형으로 나뉩니다. 하나는 재결합형(산소가 고갈되어 폴리-Si가 c-Si에 직접 접촉, 나쁨)이고, 다른 하나는 패시베이팅형(잔류 산소가 남아 댕글링 본드를 패시베이션하면서도 터널링을 허용, 좋음)입니다. 패시베이팅형은 단면적이 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: Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact, Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

연구 배경 및 문제점

TOPCon은 현재 n형 실리콘의 주류 기술입니다. Runergy는 335 cm²에서 26.55%를 달성했고, Jinko는 TOPCon에 페로브스카이트를 적층하여 33.24%를 기록했으며, 단면 n-TOPCon의 이론적 한계는 27.79%입니다. 그러나 계면 SiOx 층의 핀홀이 실제로 어떤 역할을 하는지는 아직 규명되지 않았습니다.

전통적 관점: 핀홀은 폴리-Si가 c-Si에 직접 접촉한다는 의미이며, 산소 패시베이션이 실패하여 나쁜 결과를 초래합니다.

현실은 더 복잡합니다. 산화물이 너무 두꺼우면(>1.7 nm) 패시베이션은 잘 되지만 터널링이 잘 안 되어 FF가 붕괴됩니다. 산화물이 너무 얇으면(<1.3 nm)는 더 많은 핀홀을 의미하며, 이제 Voc 붕괴가 우려됩니다.

저자들은 산화막 두께와 산소 분포를 세 가지 경우로 나누었습니다(서론 부분):

• 사례 1: 두꺼운 산화막, 패시베이션 양호, 터널링 최적 아님

• 사례 2: 얇은 산화막과 산소 고갈로 인한 재결합형 핀홀(전형적인 '나쁜 핀홀')

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

이전에는 HR-TEM 분해능이 2 nm 이하의 특징을 볼 수 있을 정도로 좋지 않았습니다. 문헌에서는 핀홀 직경이 5 nm에서 200 nm, 밀도가 10⁶에서 10⁸ cm⁻²로 보고되었으며, 이는 모두 '큰 구멍'에 불과했습니다. 선택적 에칭과 c-AFM은 Si와 SiOx의 에칭 속도 차이에 의존하므로 잔류 산소가 있는 영역은 에칭으로 열리지 않습니다. 패시베이션형 핀홀은 이러한 방법으로 자연스럽게 걸러졌습니다. 이것이 사례 3이 오랫동안 발견되지 않은 이유입니다.

메커니즘: 두 가지 유형의 핀홀(그림 2)

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

핵심 포인트: 고효율 웨이퍼의 핀홀은 실제로 smaller, 산소를 더 잘 유지합니다. 모든 크기는 이전 문헌에서 보고된 것보다 한 자릿수 작습니다.

Fischer 점 접촉 모델 결과(원본 그림 3d):

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

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

• 의미: 고성능의 핵심은 '핀홀 제로'가 아니라 '패시베이션된 핀홀'입니다. 이것이 전체 논문의 가장 큰 하이라이트입니다.

밀도에 관해서는 약간의 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 4~6자릿수 높습니다.

세 가지 이유가 있습니다: 첫째, 개념이 바뀌어 이전에 걸러졌던 패시베이팅 나노결함이 보이게 되었습니다. 둘째, 샘플은 테스트 구조가 아닌 25% 이상의 산업적으로 최적화된 웨이퍼입니다. 셋째, 방법은 원자 수준의 HAADF이며, 간접적인 접근 방식으로는 2 nm 미만의 산소 함유 영역을 볼 수 없습니다. 50~150 nm 두께의 TEM 샘플에서 빔 방향을 따른 중첩을 방지하기 위해 저자는 두께 방향으로 4D-STEM ptychography를 사용하여 밀도 통계가 투영 중첩에 의해 왜곡되지 않음을 확인했습니다.

공정 랜딩 포인트: 2단계 산화 + 후면 연마 + 폴리 트리플 커플링

원래 Methods 및 SI(보충 표 1)의 변수:

• 2단계 산화: 먼저 O₂ 산화로 얇은 SiO₂를 형성한 후 산소 결핍 단계(산소 공급 없음)를 진행합니다. 패시베이팅 유형은 더 긴 산소 유동 시간, 더 높은 온도, 더 큰 유량 및 더 높은 압력이 필요하며, 이는 균일하고 조밀한 산화막에 유리합니다.

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

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

성능 비교(그림 4 하드 데이터)

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

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

• J₀: 2.6 vs 10.6 fA/cm²

• ΔVoc는 15.9 mV로 측정되었지만, J₀ 차이만으로는 약 11 mV만 설명됩니다. 나머지 약 5 mV는 저자가 개선된 벌크 SRH 수명 때문이라고 설명합니다. 최적화된 어닐링은 패시베이팅 핀홀을 생성하는 동시에 금속 불순물을 게터링합니다(Krügener의 25% POLO 연구 인용). 계면과 벌크를 동시에 개선하는 것이 25%를 넘는 비결입니다.

FF의 경우, 차이는 주로 Rs에서 비롯됩니다:

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

• ρc (TLM): 4.6 vs 5.4 mΩ·cm²

직관에 반하는 점: '핀홀이 조밀할수록 ρc가 낮아진다'는 논리에 따르면, 고효율 웨이퍼에 더 많은 패시베이팅 핀홀이 있으면 ρc가 낮아져야 하며 실제로 4.6 < 5.4입니다. 그러나 저자들은 반전을 추가합니다. 재결합형 핀홀 근처에서는 인이 웨이퍼 내부로 확산되는 반면, 패시베이팅 핀홀은 산소에 의해 차단됩니다(보충 그림 10의 EDS 도핑 프로파일). 따라서 도핑 프로파일과 접촉 저항은 서로 다른 두 가지 논리를 따르며, 핀홀 밀도만으로는 설명할 수 없습니다.

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

산업을 위한 한 줄

이 논문은 TOPCon 인터페이스를 '온전한 산화막 대 핀홀 누설'이라는 이분법적 이야기에서 삼분법으로 전환합니다: '산소가 여전히 존재하는 한 핀홀도 좋을 수 있다'. 업계가 다음에 해야 할 일은 핀홀 제로에 집착하는 것이 아니라, 후면 연마-산화-폴리 증착 공정 체인을 조정하여 핀홀이 산소를 운반하도록 하는 것입니다. Daheng의 333.3 cm²에서 25.40% 효율의 웨이퍼는 이 방법이 효과가 있음을 이미 입증했습니다.

Ooitech의 견해

여기서 주목할 점은 이것이 셀 설계뿐만 아니라 공정 체인에 얼마나 의존하는지입니다. 2단계 산화, POCl₃ 튜닝, 후면 연마가 모두 함께 움직여야 한다는 것은 라인이 부분적으로 조립될 때 손실되는 종류의 결합입니다. 모듈 측면에서도 동일한 패턴을 볼 수 있는데, 라미네이션과 스트링 공차가 좋은 셀이 Voc를 유지하는지 여부를 조용히 결정합니다. 이러한 인터페이스 민감 공정이 실제 생산 현장에서 어떻게 구현되는지 자세히 알아보려면 YouTube의 공장 견학 영상(www.youtube.com/ooitech)을 구독할 가치가 있습니다.