제품 소개

TOPCon 공정 라인을 운영하는 사람이라면 누구나 이 딜레마에 직면합니다. SiNx를 너무 얇게 코팅하면 은 페이스트가 패시베이션층을 태워 Voc가 떨어질까 걱정됩니다. 너무 두껍게 코팅하면 접촉 저항이 급증하여 FF를 유지할 수 없습니다. 얇아도 걱정, 두꺼워도 걱정 — 그렇다면 '적당한' 두께는 얼마일까요?

2022년, ISFH(독일 하멜린 태양에너지연구소)의 Min Byungsul 팀은 AIP Conference Proceedings에 발표한 연구에서 이 문제를 분석했습니다. 그들은 POLO 패시베이팅 접점 — 업계에서 TOPCon이라고 부르는 학술적 명칭으로, 기본적으로 초박막 산화물과 도핑된 폴리실리콘(poly-Si/SiOx) 구조 — 을 사용하여 실제 상황을 규명했습니다.

주요 결론은 복잡하지 않습니다: SiNx 두께와 소성 온도는 짝을 이루어야 합니다. 두께를 변경하면 온도를 조정해야 합니다. 하나만 움직이고 다른 하나를 움직이지 않으면 Voc가 떨어지거나 FF가 붕괴됩니다.

기술 매개변수

실험 설정 방법

ISFH는 p형 CZ 웨이퍼를 사용했으며, 셀 후면에 n⁺ POLO 접점 (터널 산화물과 인 도핑 폴리실리콘)을 적용했습니다.

두 가지 주요 변수:

1. 후면 SiNx 캡핑 두께 — 40nm에서 80nm 범위

2. 최고 소성 온도 — 790°C에서 810°C 사이로 조정

그런 다음 두 가지를 측정했습니다: 접촉 저항률 ρc (TLM으로) 및 셀 IV 파라미터.

앞서 2016년 JA Solar 논문에서 화학 조성 (Si/N 비율)이 전면 SiNx 반사 방지막이 은 페이스트 접촉에 미치는 영향을 살펴보았습니다. 이 2022년 ISFH 연구는 물리적 두께 가 후면 SiNx 캡핑이 은 페이스트 접촉에 미치는 영향에 관한 것입니다. 이 두 가지를 합치면 '화학 조성'과 '물리적 두께', 전면막과 후면막의 두 가지 차원을 모두 다루게 됩니다.

모든 샘플은 800°C에서 소성되었으며, 후면 SiNx 두께만 변화

55nm 및 60nm 샘플에 대한 소성 온도 스캔

기술적 장점

첫 번째 발견: 너무 두꺼우면 페이스트가 관통할 수 없음

모든 샘플은 800°C 피크 온도에서 소성되었으며, 후면 SiNx 캡핑 두께만 변경했습니다. 위 표에서 패턴이 명확합니다 — 페이스트가 소성 중에 태울 수 있는 SiNx 양은 제한적입니다. 그 한계를 넘으면 페이스트가 아래의 폴리실리콘에 도달하지 못하여 접촉 저항이 급증합니다.

SEM 이미지가 직접적인 증거를 제공합니다:

• 40nm SiNx: 페이스트가 SiNx와 폴리실리콘을 완전히 태워버려 많은 마이크론 크기의 에치 피트 가 폴리 위에 남았습니다. 폴리실리콘이 국부적으로 완전히 제거되어 접촉은 좋았지만, 패시베이션 층이 손상되었습니다.

• 80nm SiNx: 매우 적은 수의 아주 작은 에치 피트만 있고, 폴리가 완전히 제거된 영역은 없었습니다. 패시베이션은 유지되었지만 접촉 저항이 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 치솟습니다.

두 번째 발견: 두께와 온도는 짝을 이룹니다

ISFH는 "50-60nm가 최적"이라는 데서 멈추지 않았습니다. 그들은 더 실용적인 현장 질문을 던졌습니다: SiNx 두께가 변하면 소성 온도도 함께 변해야 하는가?

그들은 55nm 및 60nm 그룹을 선택하고 790°C에서 810°C.

까지 온도 스캔을 실행했습니다. 결과는 매우 깔끔합니다:

• 55nm SiNx: FF는 800°C에서 최고점을 찍고, 그 온도에서 효율이 가장 좋습니다. 더 낮추면 접촉이 충분하지 않고, 더 높이면 패시베이션이 손상되기 시작합니다.

• 60nm SiNx: FF는 805-810°C. SiNx가 더 두껍기 때문에 페이스트가 소성되어 통과하려면 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 참고치일 뿐이며, 페이스트를 바꾸면 재보정이 필요합니다.

접촉 저항 데이터도 이를 뒷받침합니다: 더 높은 온도에서 더 나은 접촉 — 단, 패시베이션을 태우기 시작하는 선을 넘지 않는 한.

메커니즘: 에치 피트 크기가 핵심입니다

ISFH는 SEM을 사용하여 매우 명확한 기준을 제시했습니다:

• 직경 1μm보다 큰 피트: 폴리 완전 제거, 패시베이션 손상 → Voc 하락

• 직경 1μm보다 작은 피트: 폴리머가 완전히 제거되지 않았고, 패시베이션은 손상되지 않음 → 접촉 저항이 감소하고, Voc는 변하지 않음

ISFH은 직접적으로 말했습니다: "좋은 접촉을 형성하기 위해서는 일정 수의 작은 에치 피트가 필요합니다. 직경 1μm 미만의 에치 피트는 패시베이션 품질에 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다."

라인 기준: 에치 피트는 적을수록 좋지도 않고, 많을수록 좋지도 않습니다 — 목표는 작은 크기, 적당한 분포입니다. 현미경으로 1μm 이상의 피트가 많이 보인다면 온도가 너무 높거나 SiNx가 너무 얇아서 패시베이션이 이미 손상되고 있는 것입니다.

제품 적용 분야

생산 라인에서 실제로 사용할 수 있는 것은 무엇인가?

1. SiNx 두께는 얇을수록 좋지도 않고, 두꺼울수록 좋지도 않습니다. 40nm 미만에서는 페이스트가 패시베이션을 뚫고 Voc가 급락합니다; 80nm 이상에서는 페이스트가 소성되지 못하고 접촉 저항이 거의 600배 증가합니다.

2. 두께와 온도는 짝을 이룹니다. SiNx 두께를 변경하면 소성 온도도 따라 조정되어야 합니다. ISFH의 데이터는 참고 자료를 제공합니다 — 이러한 조건에서 SiNx가 5nm 증가할 때마다 피크 온도가 약 5-10°C 상승합니다 — 단, 페이스트를 교체한 후에는 재보정해야 합니다.

3. 에치 피트는 "창" 지표입니다. SEM으로 피트의 크기와 밀도 를 관찰하면 현재 두께-온도 조합이 창 내에 있는지 판단할 수 있습니다. 1μm 이상의 피트가 많으면 → 너무 뜨겁거나 막이 너무 얇은 것; 피트가 거의 없으면 → 너무 차갑거나 막이 너무 두꺼워 접촉에 문제가 있을 수 있습니다.

4. 후면막 두께는 외관 수율과 페이스트 선택에도 영향을 미칩니다. 위의 세 가지 사항은 모두 두께가 페이스트 소성 여부를 통해 접촉 저항과 FF에 미치는 영향에 관한 것입니다. 그러나 라인에서 후면 SiNx 두께는 전기적 성능 이상의 많은 것을 제어합니다.

실제 대량 생산에서 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 맞춰야 하며, 더 두껍고 안정적인 범위를 선택합니다. 더 중요한 것은, 상업용 라인 페이스트는 ISFH의 실험실 페이스트와 다른 유리 프릿 시스템을 사용하므로, 관통 가능한 SiNx 두께 창도 다릅니다.

두께를 변경하면 굴절률이 변하고, 필름의 간섭색도 함께 변합니다. 너무 얇거나 너무 두꺼우면 웨이퍼에 색상 변동, 오프 컬러 및 이와 유사한 외관 불량이 발생하여 외관 수율이 직접적으로 감소합니다. 이는 페이스트 제조업체에 엄격한 요구 사항을 부과합니다: 페이스트는 후면 필름 공정 창과 일치해야 합니다, 특정 페이스트에 맞추기 위해 후면 필름을 강제로 변경해서는 안 됩니다. 두께와 온도는 쌍을 이루어야 하며, 페이스트와 필름 두께도 쌍을 이루어야 합니다 — 라인은 단일 지점 조정이 아닌 시스템입니다.

논문이 말하지 않은 세 가지

1. POLO와 TOPCon의 관계. ISFH가 사용한 POLO 접촉은 기본적으로 초박형 산화막에 도핑된 폴리실리콘(poly-Si/SiOx)으로, 오늘날의 TOPCon 후면 구조와 동일하므로 결론이 직접적으로 적용됩니다. POLO는 ISFH가 제안한 학술적 명칭이고, TOPCon은 업계 표준 용어입니다. 본질적으로 동일한 구조입니다.

2. 페이스트 모델이 침투 깊이에 영향을 미칩니다. 다른 페이스트는 서로 다른 유리 프릿 조성을 가지며, 다양한 SiNx 두께를 관통할 수 있습니다. ISFH의 50-60nm는 특정 페이스트를 기준으로 한 것입니다. 페이스트를 변경하면 재보정이 필요할 수 있습니다.

3. 장기 신뢰성은 다루지 않습니다. 작은 에칭 피트가 25년의 옥외 노화 동안 큰 피트로 성장할까요? 습열 조건에서 계면이 더 열화될까요? 논문은 이에 대한 답을 제공하지 않습니다.

JA Solar 2016과 함께 읽기

두 논문을 나란히 놓으면 전면막과 후면막 공정의 전체 그림을 볼 수 있습니다: 화학적 조성은 접촉이 잘 되는지 여부를 결정하고, 물리적 두께는 접촉 시 아래에 손상을 주는지 여부를 결정합니다.

코팅 Si/N 비율을 조정하면 Rs가 급증하고, FF가 붕괴하며, 효율이 폭락합니다

라인에 대한 알림: 효율 손실을 추적할 때 poly만 쳐다보지 마세요

두 논문을 마친 후, 우리 라인으로 돌아갑니다. 효율 손실을 추적할 때 엔지니어의 반사 신경은 먼저 후면 poly 두께, 도핑 수준, 터널 산화물 두께를 확인하는 것입니다. 이들이 FF와 Voc에 미치는 영향은 잘 알려져 있으며 표준 확인 항목입니다. 그러나 후면 SiNx 캡핑층 은 종종 "패시베이션/장식층"으로 간주되어 접촉 저항 측면에서 생각하는 사람이 거의 없습니다.

이 ISFH 논문의 가치는 바로 이 간과된 변수를 다시 테이블 위로 끌어올린다는 점입니다: 잘못된 후면막 두께로 인해 페이스트가 소성되지 않거나 과소성되어 FF가 붕괴됩니다. 다음에 "poly 매개변수는 건드리지 않았는데 FF가 신비롭게 떨어졌다"는 상황을 만나면, poly 주변만 맴돌지 말고 후면막 두께와 소성 온도가 여전히 짝을 이루는지 확인하세요.

주목할 점: ISFH의 실험은 기존 소성을 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 줄이지만, 후면막 두께는 여전히 기본 창이므로 무시할 수 없습니다.

Ooitech의 견해

우리가 시운전하는 모든 TOPCon 라인에서 동일한 현상을 봅니다. 후면 SiNx 캡핑이 단순한 색상 필름으로 취급되고, 두께-온도 짝을 확인하지 않아 FF가 조용히 떨어집니다. ISFH 데이터는 사람들을 LECO로 밀어붙이는 요인과 일치합니다. 소성 단계에서 접촉 형성을 분리하면 페이스트의 frit 화학과 후면막 창이 완벽히 일치하지 않을 때 실제 마진을 확보할 수 있기 때문입니다. 이러한 단계가 실제 모듈 라인(코팅, 소성, 스트링 등)에서 어떻게 진행되는지 보려면 Ooitech YouTube 채널을 방문하세요: www.youtube.com/ooitech 팔로우할 가치가 있습니다. 그리고 이는 셀 수준의 연구임을 명심하세요; 모듈 라인은 이 셀들을 상속받지만 접촉의 운명은 이미 상류에서 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)