SiNx가 너무 얇으면 은 페이스트가 폴리층을 뚫고, 너무 두꺼우면 접촉 저항이 600배 증가: ISFH가 해결책 제시
목차
제품 소개
TOPCon 공정 라인을 운영하는 사람이라면 누구나 이 딜레마에 직면합니다. SiNx를 너무 얇게 코팅하면 은 페이스트가 패시베이션 층을 태워버려 Voc가 떨어질까 걱정됩니다. 너무 두껍게 코팅하면 접촉 저항이 급증하여 FF를 유지할 수 없습니다. 얇아도 걱정, 두꺼워도 걱정 — 그렇다면 "적당한" 두께는 얼마일까요?
2022년, 독일 하멜린 태양에너지연구소(ISFH)의 민병술 팀이 AIP Conference Proceedings에 발표한 연구에서 이 문제를 분석했습니다. 그들은 POLO 패시베이팅 접점 — 업계에서 TOPCon이라고 부르는 것의 학술적 명칭으로, 본질적으로 초박형 산화막과 도핑된 폴리실리콘(poly-Si/SiOx) 구조 — 을 사용하여 실제로 무슨 일이 일어나는지 규명했습니다.
핵심 요점은 복잡하지 않습니다: SiNx 두께와 소성 온도는 짝을 이루는 요소입니다. 두께를 변경하면 온도를 조정해야 합니다. 하나만 변경하고 다른 하나는 그대로 두면 Voc가 떨어지거나 FF가 붕괴됩니다.
기술 매개변수
실험 설정 방법
ISFH는 p형 CZ 웨이퍼를 사용했으며, 셀 후면에 n⁺ POLO 접점 (터널 산화막과 인 도핑 폴리실리콘)을 형성했습니다.
두 가지 주요 변수:
후면 SiNx 캡핑 두께 — 40nm에서 80nm 범위
최고 소성 온도 — 790°C에서 810°C 사이로 조정
그런 다음 두 가지를 측정했습니다: 접촉 저항률 ρc (TLM 방식) 및 셀 IV 파라미터.
앞서 우리는 2016년 JA Solar 논문에서 화학적 조성 (Si/N 비율)이 전면 SiNx 반사 방지막의 은 페이스트 접촉에 미치는 영향을 살펴보았습니다. 이 2022년 ISFH 연구는 물리적 두께 의 후면 SiNx 캡핑이 은 페이스트 접촉에 영향을 미칩니다. 이 둘을 함께 놓으면 "화학적 조성"과 "물리적 두께"라는 두 가지 차원을 모두 다루게 됩니다 — 전면 필름과 후면 필름.
모든 샘플은 800°C에서 소성되었으며, 후면 SiNx 두께만 변경됨
| SiNx 두께 | 중앙값 ρc (800°C) | 상태 |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | 매우 낮음 |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | 상승 시작 |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | 명확히 상승 |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | 전이 구간, 급격한 상승 |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | 40nm일 때보다 거의 600배 높음 |
55nm 및 60nm 샘플에 대한 소성 온도 스캔
| 조건 | 중앙값 ρc |
|---|---|
| 55nm SiNx + 800°C | 3.2 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 805°C | 2.8 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 810°C | 2.0 mΩ·cm² |
기술적 장점
첫 번째 발견: 너무 두꺼우면 페이스트가 관통할 수 없음
모든 샘플은 800°C 피크에서 소성되었으며, 후면 SiNx 캡핑 두께만 변경했습니다. 위 표에서 패턴이 명확합니다 — 소성 중 페이스트가 태워 통과할 수 있는 SiNx의 양은 제한적입니다. 그 한계를 넘으면 페이스트는 아래의 폴리실리콘에 도달하지 못하므로 접촉 저항이 급증합니다.
SEM 이미지가 직접적인 증거를 제공합니다:
40nm SiNx: 페이스트가 SiNx와 폴리실리콘을 모두 완전히 태워 통과하여 많은 미크론 규모의 에칭 피트 를 폴리 위에 남겼습니다. 폴리실리콘은 국부적으로 완전히 제거되었습니다 — 접촉은 좋지만, 패시베이션 층이 손상되었습니다.
80nm SiNx: 아주 적은 수의 매우 작은 에칭 피트만 존재하며, 폴리가 완전히 제거된 영역은 없음 — 패시베이션은 유지되었지만 접촉 저항은 거의 600배(약 2.8 자릿수) 높았고, FF는 기본적으로 망가졌습니다.
ISFH의 결론은 명확합니다: 최적의 SiNx 두께 범위는 50~60nm입니다. 너무 얇으면 페이스트가 패시베이션을 뚫고 Voc가 급락합니다. 너무 두꺼우면 페이스트가 통과하지 못해 접촉 저항이 급증합니다.
두 번째 발견: 두께와 온도는 짝을 이룬다
ISFH는 "50-60nm가 최적"이라는 데서 멈추지 않았습니다. 그들은 더 실용적인 현장 질문을 던졌습니다: SiNx 두께가 변하면 소성 온도도 변해야 하는가?
그들은 55nm 및 60nm 그룹을 선택하고 790°C에서 810°C.
까지 온도 스캔을 실행했습니다. 결과는 매우 명확합니다:
55nm SiNx: FF는 800°C에서 최고치를 기록하며, 그곳에서 효율이 가장 좋습니다. 더 낮추면 접촉이 충분하지 않고, 더 올리면 패시베이션이 손상되기 시작합니다.
60nm SiNx: FF는 805-810°C. SiNx가 더 두껍기 때문에 페이스트가 관통하려면 더 높은 온도가 필요합니다.
간단히 말하면: 이 테스트 조건에서 55nm에서 60nm로 가면 최적 소성 온도가 약 5-10°C 상승합니다. 이 기울기는 동일한 페이스트 시스템에 대한 참고 자료일 뿐입니다 — 페이스트를 바꾸면 재보정이 필요합니다.
접촉 저항률 데이터도 이를 뒷받침합니다: 온도가 높을수록 접촉이 좋아지지만, 패시베이션을 태우기 시작하는 한계를 넘지 않는 한 말입니다.
메커니즘: 에칭 피트 크기가 핵심
ISFH는 SEM을 사용하여 매우 명확한 기준을 제시했습니다:
직경 1μm보다 큰 피트: 폴리 완전 제거, 패시베이션 손상 → Voc 하락
직경 1μm보다 작은 피트: 폴리 완전 제거 안 됨, 패시베이션 유지 → 접촉 저항 하락, Voc 변화 없음
ISFH는 직접 말했습니다: "좋은 접촉을 형성하려면 일정 수의 작은 에칭 피트가 필요합니다. 직경 1μm 미만의 에칭 피트는 패시베이션 품질에 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다."
라인 기준: 에치 핏은 적을수록 좋지도, 많을수록 좋지도 않습니다 — 목표는 작은 크기, 적절한 분포입니다. 현미경으로 1μm 이상의 핏이 많이 보이면 온도가 너무 높거나 SiNx가 너무 얇아서 패시베이션이 이미 손상되고 있는 것입니다.
제품 응용
생산 라인에서 실제로 사용할 수 있는 것은 무엇일까요?
1. SiNx 두께는 얇을수록 좋지도, 두꺼울수록 좋지도 않습니다. 40nm 미만이면 페이스트가 패시베이션을 뚫고 Voc가 크레이터링되고, 80nm 이상이면 페이스트가 파이어 스루되지 못해 접촉 저항이 거의 600배 증가합니다.
2. 두께와 온도는 짝을 이룹니다. SiNx 두께를 변경하면 소성 온도도 따라가야 합니다. ISFH의 데이터는 참고 자료를 제공합니다 — 이러한 조건에서 SiNx가 5nm 추가될 때마다 피크 온도가 약 5-10°C 상승합니다 — 하지만 페이스트를 교체한 후에는 재보정해야 합니다.
3. 에치 핏은 "창" 지표입니다. SEM으로 핏의 크기와 밀도 를 관찰하면 현재 두께-온도 조합이 창 내부에 있는지 판단할 수 있습니다. 1μm 이상의 핏이 많으면 → 너무 뜨겁거나 필름이 너무 얇은 것이고, 핏이 거의 없으면 → 너무 차갑거나 필름이 너무 두꺼워 접촉 문제가 있을 수 있습니다.
4. 후면 필름 두께는 외관 수율과 페이스트 선택도 좌우합니다. 위의 세 가지는 모두 두께가 페이스트의 파이어 스루 여부를 통해 접촉 저항과 FF에 미치는 영향에 관한 것입니다. 하지만 라인에서 후면 SiNx 두께는 전기적 성능보다 훨씬 더 많은 것을 제어합니다.
실제 양산에서 후면 SiNx는 일반적으로 70-85nm 범위로 제어됩니다 — ISFH 논문의 50-60nm "접촉 최적"보다 두껍습니다. 이유는 간단합니다: 논문은 특정 POLO 구조와 특정 페이스트에 대한 순수 접촉 최적을 측정한 반면, 생산 라인은 패시베이션, 접촉 및 색상 균일성을 동시에 균형 잡아야 하므로 더 두껍고 안정적인 범위를 선택합니다. 더 중요한 것은, 상업용 라인 페이스트는 ISFH의 실험실 페이스트와 다른 유리 프릿 시스템을 사용하므로 파이어 스루할 수 있는 SiNx 두께 창도 다르다는 것입니다.
이 나타납니다. 색상 변동, 이색 및 이와 유사한 외관 수율을 직접적으로 낮추는 외관 품질 저하. 이는 페이스트 제조사에게 엄격한 요구 사항을 부과합니다: 페이스트는 후면 필름 공정 창과 일치해야 합니다, 후면 필름이 특정 페이스트에 맞춰지도록 강요해서는 안 됩니다. 두께와 온도는 짝을 이루어야 하며, 페이스트와 필름 두께도 짝을 이루어야 합니다 — 라인은 시스템이지 단일 지점 조정이 아닙니다.
논문이 말하지 않은 세 가지
POLO와 TOPCon의 관계. ISFH가 사용한 POLO 접점은 본질적으로 초박형 산화막에 도핑된 폴리실리콘(poly-Si/SiOx)으로, 오늘날의 TOPCon 후면 구조와 기본적으로 동일하므로 결론은 직접적으로 적용됩니다. POLO는 ISFH가 제안한 학술적 명칭이고, TOPCon은 업계 표준 용어입니다. 본질적으로 동일한 구조입니다.
페이스트 모델은 침투 깊이에 영향을 미칩니다. 다른 페이스트는 서로 다른 유리 프릿 조성을 가지며 다른 SiNx 두께를 관통할 수 있습니다. ISFH의 50-60nm는 특정 페이스트를 기준으로 한 것입니다 — 페이스트를 바꾸면 재보정이 필요할 수 있습니다.
장기 신뢰성은 다루지 않습니다. 작은 에칭 피트가 25년의 옥외 노화 동안 큰 피트로 성장할까요? 습열 조건에서 계면이 더 열화될까요? 논문은 답을 주지 않습니다.
JA Solar 2016과 함께 읽기
| 치수 | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| 응용 분야 | 전면 SiNx 반사 방지막 (ARC) | 후면 SiNx 캡핑층 |
| 초점 | SiNx의 화학 조성 (Si/N 비율) | SiNx의 물리적 두께 |
| 핵심 변수 | SiH₄/NH₃ 가스 비율 | SiNx 두께 + 소성 온도 |
| 고장 모드 | Si/N 비율 이탈 → 프릿 점도 불균형 → 높은 접촉 저항 | 잘못된 두께 → 관통 또는 관통 실패 |
| 해결 방향 | 가스 비율을 최적 창으로 조정 | 두께와 온도를 짝지음 |
| 공통 메커니즘 | 프릿-SiNx 반응 속도가 접촉 품질을 결정 | 프릿-SiNx 침투 깊이가 접촉 품질을 결정 |
두 장의 논문을 나란히 놓으면 전면 필름과 후면 필름 공정의 전체 그림이 보입니다: 화학적 조성이 접촉이 잘 되는지를 결정하고, 물리적 두께가 접촉 시 아래에 있는 것을 손상시키는지를 결정합니다.
코팅의 Si/N 비율을 조금만 바꿔도 Rs가 급증하고, FF가 붕괴하며, 효율이 급락합니다.
라인에 대한 알림: 효율 손실을 찾을 때 폴리만 쳐다보지 마세요.
두 논문을 모두 마친 후, 우리 라인으로 돌아갑니다. 효율 손실을 추적할 때, 엔지니어의 반사 반응은 먼저 후면 폴리 두께, 도핑 수준, 터널 산화물 두께를 확인하는 것입니다 — FF와 Voc에 미치는 영향은 잘 알려져 있으며 표준 점검 항목입니다. 하지만 후면 SiNx 캡핑층 은 종종 "패시베이션/외관층"으로 취급되어, 접촉 저항 측면에서 생각하는 사람이 거의 없습니다.
이 ISFH 논문의 가치는 바로 이 간과된 변수를 다시 테이블 위에 올려놓는 것입니다: 잘못된 후면 필름 두께는 페이스트가 소성되지 않거나 과소성되어 FF가 동일하게 붕괴됩니다. 다음에 "폴리 파라미터는 그대로인데 FF가 신비하게 떨어졌다"는 상황을 만나면, 폴리 주변만 맴돌지 말고 후면 필름 두께와 소성 온도가 여전히 짝을 이루는지 확인하세요.
주목할 점: ISFH의 실험은 기존 소성 방식을 기반으로 합니다. 현재 라인에서 널리 채택된 LECO 기술은 후속 레이저/전류 단계를 통해 접촉을 최적화할 수 있어, 소성 온도-두께 짝에 대한 민감도를 어느 정도 줄일 수 있습니다 — 하지만 후면 필름 두께는 여전히 기본 창이며 무시할 수 없습니다.
Ooitech의 견해
우리가 시운전하는 모든 TOPCon 라인에서 같은 것을 봅니다 — 후면 SiNx 캡핑은 단지 색상 필름으로 취급되고, 두께-온도 짝을 확인하는 사람이 없어 FF가 조용히 떨어집니다. ISFH 데이터는 사람들을 LECO로 이끄는 것과 일치합니다. 접촉 형성을 소성 단계에서 분리하면 페이스트의 프릿 화학과 후면 필름 창이 완벽히 일치하지 않을 때 실제 마진을 확보할 수 있기 때문입니다. 실제 모듈 라인에서 이러한 단계가 어떻게 진행되는지 보고 싶다면 — 코팅, 소성, 스트링 등 — Ooitech YouTube 채널 www.youtube.com/ooitech 을 팔로우할 가치가 있습니다. 그리고 이것은 셀 수준 연구임을 명심하세요; 모듈 라인은 이 셀들을 상속하지만 접촉의 운명은 이미 업스트림에서 결정되었습니다.
참고문헌
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
