TOPCon 태양전지 소개

TOPCon(터널 산화물 패시베이션 접촉)은 2013년에 처음 등장한 N형 웨이퍼 셀 기술입니다. TOPCon 태양전지는 N형 기판 위에 구축된 터널 산화물 패시베이션 접촉 태양전지입니다.

PERC 셀과 비교하여 TOPCon 셀은 우수한 전하 수송 특성을 가진 터널 산화물 층 을 셀 후면의 전하 수송 층으로 사용합니다. 그 위에 약 20nm의 도핑된 폴리실리콘 막을 증착하여 후면에 패시베이션 접촉 구조를 형성합니다. 이는 표면 재결합과 금속 접촉 재결합을 효과적으로 줄이고, 개방 전압을 높이며, 에너지 변환 효율을 향상시킵니다.

TOPCon은 선택적 캐리어 원리에 기반한 터널 산화물 패시베이션 접촉 태양전지 기술로, 우수한 패시베이션 효과를 달성합니다.

TOPCon 셀은 N형 기판을 사용합니다. 셀 후면에 얇은 산화물 층을 준비한 후, 도핑된 박막을 증착합니다. 이 두 층이 함께 패시베이션 접촉 구조를 형성하여 표면 재결합과 금속 접촉 재결합을 효과적으로 줄이며, N-PERT 셀의 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 여지를 제공합니다.

TOPCon 기술은 기존의 일반적인 P형 셀 장비와 공정을 최대한 보존하고 재사용합니다. 붕소 확산 및 박막 증착 장비만 추가하면 되며, 후면 개구나 정렬이 필요하지 않습니다. 이는 셀 생산 공정을 크게 단순화하고 양산 난이도를 낮게 유지합니다. 공정 라인은 호환성이 높아 PERC 및 N-PERT 양면 셀에 사용되는 고온 제조 라인과 함께 운영될 수 있습니다.

TOPCon 셀은 낮은 열화, 높은 양면성, 낮은 온도 계수의 장점을 제공하여 최종 발전소 수준에서 명확한 발전량 이득을 제공합니다.

TOPCon 셀의 개발 단계

TOPCon 셀의 개발 역사는 기술 프로토타입 기간, 제품 배치 기간, 상업적 홍보 기간, 폭발적 성장 기간.

TOPCon 셀의 장점

성능 장점

• 높은 변환 효율. TOPCon 셀의 독특한 패시베이션 접촉 설계 덕분에 이론적 효율 한계는 28.7%에 이릅니다. 선도적인 TOPCon 제조업체는 이미 25.5% 이상의 양산 효율을 달성했으며, 이는 주류 PERC 셀(현재 양산 변환 효율 약 23.5%, 이론적 한계 24.5%)에 비해 크게 개선된 것입니다.

• 높은 양면성. TOPCon 양면 셀은 양면 PERC 셀보다 와트당 약 3% 더 많은 전력을 생산합니다. 동일한 지상 설치 발전소 시나리오에서 더 높은 발전량 이득을 제공합니다.

• 낮은 온도 계수. N형 TOPCon 모듈의 온도 계수는 -0.30%/℃로 P형 모듈의 -0.35%/℃보다 우수하여 고온 환경에서 뛰어난 안정성을 보여줍니다.

• 낮은 열화. 인이 도핑된 N형 결정질 실리콘은 붕소 함량이 매우 낮아 붕소-산소 재결합이 거의 없으므로 열화율 측면에서 장점이 있습니다. 일부 TOPCon 모듈은 첫해 열화율 1%, 선형 연간 열화율 0.4%를 보이는 반면, PERC 모듈은 첫해 2%, 선형 연간 0.45%로, 모듈 수명 주기 동안 와트당 발전량 이득을 제공합니다.

• 강한 저조도 성능. TOPCon 셀은 단파장과 장파장 모두에 잘 반응하여 이른 아침, 저녁, 흐린 날씨와 같은 저조도 조건에서도 우수한 발전 능력을 유지합니다.

경제적 이점

• PERC 제조와의 높은 호환성으로 기술 업그레이드 난이도를 낮춥니다. TOPCon은 PERC 공정 기술에서 확장 가능하며, 붕소 이미터 준비, 터널 산화막 성장, 폴리실리콘 증착 및 도핑, 확산 후 세정의 4단계만 추가하면 됩니다. 이는 업그레이드 난이도를 낮추고 TOPCon 기술 채택을 가속화합니다.

• 낮은 장비 투자 비용으로 원활한 라인 전환. 새로운 TOPCon 라인 구축에는 약 2억~2.5억 위안의 장비 투자가 필요하며, 새로운 HJT 라인에는 3.5억~4억 위안이 필요합니다. TOPCon은 기존 PERC 라인과 장비 호환성이 좋아 붕소 확산 및 폴리실리콘/비정질 실리콘 증착 장비(LPCVD / PECVD / PVD)만 추가하면 되며, 장비 투자는 약 5천만~7천만 위안입니다. 이는 대규모 신규 장비 투자와 주요 라인 개조를 피할 수 있어 경제성이 높습니다.

• 상당한 가격 프리미엄 가능성. PERC 모듈과 비교하여 TOPCon 모듈은 와트당 더 높은 발전량, 더 높은 발전 이득, 더 낮은 시스템 비용을 제공하여 가격 프리미엄에 대한 상당한 여지를 만듭니다.

TOPCon 셀 제조 공정

단결정 PERC 공정과 비교하여 TOPCon 셀 생산 공정은 2~3단계가 추가됩니다: 터널 산화막(초박형 SiO2, 1-2nm) 증착, 진성 폴리실리콘 패시베이션층(60-100nm) 증착, 및 인 이온 주입.

주요 공정 단계 및 기능

1. 세정 및 텍스처링

목적: 웨이퍼 절단 후 가장자리가 손상되고 결정 격자 구조가 파괴되며 표면 재결합이 심각합니다. 세정 및 텍스처링은 주로 표면 손상을 제거하고 표면에 피라미드 광포집 구조를 형성하는 것을 목표로 합니다. 빛이 웨이퍼 표면에서 여러 번 반사되어 반사율을 낮춥니다.

2. 붕소 확산

목적: 주요 기능은 PN 접합을 형성하는 것입니다. 붕소는 실리콘에 대한 고용도가 낮기 때문에 확산을 위해 고온과 긴 시간이 필요합니다. 확산 소스의 선택도 생산에 영향을 미칩니다: 염화물은 부식성이 있고, 브롬화물은 점성이 있어 세척이 번거롭고 유지보수 비용이 증가합니다.

붕소 확산은 일반적으로 1000℃ 이상의 고온에서 완료되며, 인 확산에 필요한 102분 사이클과 비교하여 붕소 확산 사이클은 150분이 소요됩니다.

원리:

퍼니스 튜브 내부 반응으로 생성된 기체 HCl과 H2O는 N2에 의해 운반되어 튜브 전체에 고르게 분포됩니다. H2O는 또한 BBr3 및 O2와 반응하여 B2O3를 형성하고, 이는 추가 반응을 통해 기체 HBO2를 형성합니다. 고온에서 HBO2는 다시 B2O3로 분해되어 B2O3가 태양전지 표면에 고르게 분포할 수 있습니다. 또한 H2O는 퍼니스 튜브 내부에 증착된 B2O3와 반응하여 확산 튜브 벽에 B2O3가 축적되는 것을 방지하고, 석영 부품의 수명을 연장하며, 유효 붕소 소스를 증가시킵니다. HCl은 또한 셀 표면과 튜브 내부의 금속 불순물과 반응하여 기체 금속 염화물을 형성하고 배기 가스와 함께 배출되어 고온 공정 중 금속 불순물이 태양전지로 확산되는 것을 방지합니다.

3. SE 레이저 도핑

목적: 선택적 이미터를 형성합니다. 금속 그리드라인과 웨이퍼 간 접촉 영역 및 그 근처에 고농도 도핑을 적용하여 전면 금속 전극과 웨이퍼 간 접촉 저항을 줄이고, 전극 영역 외부의 저농도 도핑은 확산층의 재결합을 줄입니다. 이미터를 최적화하면 태양전지의 출력 전류와 전압이 증가하여 광전 변환 효율이 향상됩니다.

TOPCon 공정에서 레이저의 위치: PERC SE는 인 도핑을 사용하는 반면, TOPCon SE는 붕소 도핑을 사용합니다. 붕소와 인은 분배 계수가 다르기 때문에 인은 이산화규소에서 실리콘으로 더 쉽게 확산되는 반면, 붕소는 주입하기 어렵고 더 많은 에너지가 필요합니다. 그러나 과도한 레이저 에너지는 웨이퍼를 쉽게 손상시켜 붕소 도핑을 더 어렵게 만듭니다. 기존의 붕소 확산과 비교하여 TOPCon 셀에 SE 기술을 추가하면 이론적으로 효율이 0.5% 향상될 수 있으며, 실제 양산에서는 0.2-0.4%의 효율 향상을 달성할 수 있습니다.

4. 에칭

목적: 에칭의 주요 기능은 BSG와 후면 접합을 제거하는 것입니다. 확산 공정은 웨이퍼 표면과 가장자리에 확산층을 형성합니다. 가장자리 확산층은 단락을 쉽게 유발하고, 표면 확산층은 후속 패시베이션에 영향을 미치므로 둘 다 제거해야 합니다. 에칭은 현재 주로 습식 방식으로 수행되며, 체인형 장비에서 후면과 가장자리 확산층을 제거한 후 전면을 처리합니다.

5. 터널 산화층 및 폴리실리콘층 준비

목적: 후면에 1-2nm 터널 산화층을 증착한 후 60-100nm 폴리실리콘층을 증착하여 패시베이션 구조를 형성합니다. TOPCon 패시베이션층을 준비하는 방법은 여러 가지가 있으며, 주로 LPCVD, PECVD 및 PVD 방식이 있습니다. LPCVD가 현재 주류이지만 랩어라운드 증착이 심각한 반면, PECVD는 전체 성능에서 강력한 잠재력을 제공합니다.

6. 후면 반사 방지막 준비

목적: 셀 후면에 반사 방지 패시베이션막을 준비하여 광흡수를 증가시킵니다. 동시에 SiNx 막 형성 과정에서 생성된 수소 원자가 웨이퍼를 패시베이션합니다.

7. 전면 산화알루미늄 증착

목적: 웨이퍼 전면에 산화알루미늄막을 증착하여 다른 막과 함께 전면 패시베이션 효과를 형성합니다.

8. 전면 반사 방지막 준비

목적: 전면 반사 방지막은 후면과 기본적으로 동일한 방식으로 작동합니다. 또한 전면에 증착된 산화알루미늄막은 매우 얇아 후속 셀 및 모듈 제조 과정에서 손상되기 쉬우므로 전면 SiNx가 산화알루미늄을 보호합니다.

9. 스크린 인쇄 - 레이저 패턴 전사

현재 대부분의 셀 인쇄는 여전히 스크린 인쇄를 사용합니다. 향후 N형 셀의 은 페이스트 소비를 줄이는 측면에서 패턴 전사 인쇄가 장점을 가질 수 있습니다. 레이저 전사는 새로운 유형의 비접촉 인쇄 기술입니다. 필요한 페이스트를 특정 유연한 투명 재료에 코팅하고, 고출력 레이저 빔이 고속 패턴 스캐닝을 수행하여 페이스트를 유연한 투명 재료에서 셀 표면으로 전사하여 그리드 라인을 형성하고 전면 및 후면 전극을 준비합니다.

10. 소결

고온 소결을 통해 우수한 옴 접촉이 형성됩니다.

11. 자동 분류

셀은 변환 효율에 따라 다른 빈으로 분류됩니다.

TOPCon 셀의 미래 발전 동향

2023년 N형 TOPCon 셀의 평균 변환 효율은 25.0%에 도달했고, 이종접합 셀의 평균 변환 효율은 25.2%에 도달하여 2022년 대비 크게 개선되었습니다.

2023년에 새로 가동된 양산 라인은 주로 N형 셀 라인이었습니다. N형 셀 용량이 점차 해제됨에 따라 PERC 셀 시장 점유율은 73.0%로 압축되었습니다. N형 셀은 전체의 약 26.5%를 차지했으며, N형 TOPCon 셀은 약 23.0%, 이종접합 셀은 약 2.6%, XBC 셀은 약 0.9%로 2022년 대비 모두 크게 증가했습니다.

2024년부터 TOPCon으로 대표되는 N형 셀의 점유율은 P형 PERC를 완전히 앞지를 것이며, 업계에서는 점유율이 70%에 도달하고 초과할 것으로 예상합니다.

Ooitech의 관점

Ooitech는 다음과 같이 믿습니다: 기존 PERC 라인을 기반으로 하는 N형 터널 산화물 패시베이션 접촉 셀 기술인 TOPCon은 더 높은 효율, 더 낮은 열화 및 더 강력한 발전 이득을 제공하며, 현재 태양광 산업의 주류가 되고 있습니다.