TOPCon 셀의 습열 환경: 후면이 먼저 열화되는 이유
목차
소개
TOPCon은 고효율 결정질 실리콘 시장의 대부분을 차지했지만, 장기적인 현장 신뢰성은 여전히 해결해야 할 과제입니다. 습열 연구에서 계속해서 나타나는 약점 중 하나는 후면 패시베이션 스택입니다. 최근 연구(Tong et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188)는 나트륨 염이 셀 표면에 쌓이고 85°C/85% RH 조건에 노출될 때 실제로 무엇이 잘못되는지 규명했습니다. 요약하자면, 후면 SiNₓ 층이 취약점이며, 얇은 ALD AlOₓ 필름이 대부분의 문제를 해결합니다.
주요 발견 사항
후면 SiNₓ 층이 습열 취약점입니다. 아세트산나트륨(CH₃COONa)은 후면 개방 전압(Voc)을 5.8% 감소시키고 직렬 저항(Rₛ)을 450% 증가시켰습니다.
나트륨 염은 표면 산화와 질소 손실을 가속화합니다. XPS 분석 결과 후면 Si/N 원자 비율이 1.3에서 23으로, O/N 비율이 1.6에서 53으로 급증했습니다.
10nm ALD Al₂O₃ 장벽은 큰 차이를 만들었습니다 — CH₃COONa 오염 하에서 PCE 손실이 16%에서 0.4%로 감소했습니다.
전면 패시베이션은 훨씬 더 견고합니다. AlOₓ/SiOᵧNᵣ 다층 구조가 나트륨 확산을 차단하여, 오염으로 인한 PCE 손실이 0.87%에 불과했습니다.
두 오염 물질은 다르게 작용합니다: 아세트산나트륨은 금속 접촉을 공격하는 반면, 염화나트륨(NaCl)은 주로 패시베이션 층을 산화시킵니다.
배경
핵심 질문은 간단히 말할 수 있지만 답하기는 더 어렵습니다: 나트륨 염이 존재할 때 TOPCon 셀이 습열 조건에서 성능을 잃는 이유와 후면 패시베이션이 더 큰 타격을 받는 이유는 무엇일까요? (Kyranaki et al., 2022)
연구 공백
대부분의 이전 연구는 금속 접촉 부식에 초점을 맞췄지만(Iqbal et al., 2023), 패시베이션 층 자체의 화학적 분해를 체계적으로 조사한 연구는 없었습니다. 전면과 후면 스택은 다르게 구성되어 있습니다 — 전면은 AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, 후면은 도핑된 poly-Si 위의 SiNₓ — 그리고 이들의 내식성은 직접 비교된 적이 없었습니다(Feldmann et al., 2014). 게다가 두 가지 일반적인 오염 물질(CH₃COONa vs. NaCl)이 동일하게 작용할 것으로 생각되었지만, 실제로는 그렇지 않습니다(Li et al., 2021).
이 부분을 정확히 하는 것은 실제 돈과 관련된 문제입니다. PV 플랜트는 25년 수명 약속으로 판매되며(Peters et al., 2021), 습도에서 나타나는 후면 실패 모드는 바로 그 약속을 잠식하는 종류입니다.
접근 방식
작업 흐름은 실제 생산 흐름에 가깝게 유지했습니다: 산업용 TOPCon 셀 → 전면 또는 후면에 나트륨 염 용액 국소 분사 → 가속 습열(85°C/85% RH) → 전기적 및 화학적 특성 분석 → ALD AlOₓ 배리어 테스트 → 보호 메커니즘 규명.
새로운 점
이론 측면에서, 이 연구는 후면 SiNₓ 층의 질소 손실이 Voc 저하의 주요 원인임을 지적한 첫 번째 연구입니다. 실용적 측면에서, 10nm AlOₓ 층은 표준 산업용 ALD 장비에서 실행되며 절대 효율에서 약 0.01%만 비용이 듭니다. 방법론적으로, 팀은 20시간이 수년의 옥외 노화를 대표하는 셀 수준 DH 테스트를 구축했습니다(Sen et al., 2023).
논리 체인은 따라가기 쉽습니다: 후면 오염은 급격한 Voc 저하를 유발하며, 이는 패시베이션 실패를 직접 가리킵니다. XPS는 SiNₓ 산화 반응과 그것이 열어주는 나트륨 확산 경로를 확인합니다. AlOₓ 층을 추가하고 나트륨을 차단하면 PL 이미징이 결함이 억제되었음을 확인합니다.
방법
샘플 준비
| 항목 | 세부 사항 |
|---|---|
| 셀 구조 | n형 TOPCon. 전면: 붕소 확산 이미터 + AlOₓ/SiNₓ/SiOᵧNᵣ, ARC. 후면: SiO₂/인 도핑 폴리-Si + SiNₓ, ARC |
| 오염 물질 | 0.155 mol/L CH₃COONa 또는 NaCl 용액, 샘플당 0.3g, 국소 분사 |
| ALD 배리어 | 10nm AlOₓ, 150°C에서 증착(Leadmicro QL200) |
| 습열 | 85°C/85% RH, 20시간(ASLi 환경 챔버) |
측정 방법
I-V 파라미터(Pmax, Voc, FF, Jsc)는 LOANA 시스템(pv-tools)을 통해 측정.
유효 소수 캐리어 수명(τ_eff)을 통한 패시베이션 품질.
XPS 및 SEM-EDS를 통한 표면 화학.
결과 및 논의
전기적 열화
후면이 확실히 민감한 면입니다. 후면에 CH₃COONa를 처리했을 때 Voc가 5.8% 감소했고, Rₛ는 450% 증가했으며(표 1), PL 강도는 37.3% 감소했습니다(그림 3a). 전면에 동일한 처리를 했을 때는 PCE 손실이 0.87%에 불과했습니다. 같은 염이지만 어느 면에 닿느냐에 따라 결과가 크게 달라집니다.
패시베이션의 화학적 분해
후면 표면의 XPS 분석 결과 Si-O 결합 비율이 급격히 증가했으며(그림 5b), O/N 원자 비율은 대조군의 1.6에서 CH₃COONa 처리군의 53으로 증가했습니다. 메커니즘은 질소 손실입니다. 습열이 SiNₓ를 가수분해하여 표면 패시베이션을 파괴합니다.
AlOₓ 장벽의 역할
10nm ALD AlOₓ를 적용했을 때, 후면 CH₃COONa 오염에 따른 PCE 손실이 16%에서 0.4%로 감소했고 Voc는 유지되었습니다(그림 6a). SEM-EDS 분석 결과 AlOₓ 샘플에서 나트륨 함량이 86% 감소했으며(그림 6c), PL 분석에서는 결함 활성화가 나타나지 않았습니다(그림 6b). 장벽이 정확히 원하는 대로 작동하고 있습니다. 나트륨을 차단하는 것입니다.
결론
주요 결론
후면 SiNₓ 층은 습열과 나트륨 염의 영향으로 가수분해 및 산화되어 Voc 감소와 Rₛ 증가를 초래합니다(XPS/EDS로 확인, 그림 4-5). 10nm AlOₓ 층은 나트륨 확산을 차단하여 DH85 PCE 손실을 1% 미만으로 유지합니다(그림 6a). 또한 전면 AlOₓ/SiOᵧNᵣ 다층 구조는 본질적으로 내식성이 있어 오염의 영향이 거의 없습니다.
유용성
AlOₓ 장벽은 Leadmicro QL200과 같은 장비를 사용하여 TOPCon 양산에 바로 적용할 수 있습니다. 더 나아가, 이중 유리 모듈 봉지재에서 AlOₓ와 SiNₓ를 함께 사용하면 습윤 지역에서 발전소 수명을 연장할 수 있습니다.
배경 지식
TOPCon 구조: 터널 산화막(SiO₂)과 도핑된 폴리-Si 패시베이팅 접촉으로 구성되어 금속 접촉에서의 재결합을 줄입니다(Feldmann et al., 2014).
ALD: 층별 나노 필름 성장 방식으로 균일한 나노미터 규모의 AlOₓ 코팅을 제공합니다.
DH 시험: 85°C/85% RH 가속 노화 시험으로 습윤 기후에서의 모듈 열화를 모사합니다.
SiNₓ 패시베이션: 수소화 질화규소로 반사 방지 및 표면 패시베이션에 유용하지만, 댕글링 본드를 가지며 쉽게 가수분해됩니다.
참고문헌
Tong H. et al., Mitigating contaminant-induced degradation in TOPCon solar cells via ALD AlOₓ barrier, DOI: 10.1016/j.solmat.2024.113188
Feldmann F. et al., Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 120 (2014) 270–274.
Li X. et al., Accelerated damp-heat testing of TOPCon cells using NaCl, Solar Energy Materials and Solar Cells 262 (2023) 112554.
Peters I.M. et al., The value of stability in photovoltaics, Joule 5 (2021) 3137–3153.
Ooitech의 견해
여기서 주목할 점은 신뢰성 스토리의 상당 부분이 셀 설계의 헤드라인이 아니라 후면 패시베이션 스택에 있다는 것입니다. 실제 생산 라인에서 추가 10nm ALD AlOₓ 공정은 습한 기후 프로젝트에 저렴한 보험이며, 표준 모듈 생산에 큰 어려움 없이 통합됩니다. 우리는 턴키 모듈 라인을 처음부터 끝까지 구축하므로 이러한 발견을 면밀히 주시합니다. 상류의 작은 공정 조정이 공장이 25년 동안 유지되는지 여부를 결정하는 경우가 많습니다. 공장 현장에서 더 많은 정보를 원하시면 Ooitech YouTube 채널(www.youtube.com/ooitech)을 팔로우할 가치가 있습니다.
