왜 필 팩터가 태양전지 양산 결함을 가장 먼저 드러낼까?

소개: 필 팩터는 독립적인 매개변수가 아닙니다. 접촉 저항, 누설, 페이스트 조성, 스크린 인쇄, 소성 및 LECO 공정 창을 단일 I-V 곡선으로 압축합니다.

효율은 결과를 보여주지만, FF는 생산 라인에서 무슨 일이 일어나고 있는지 드러냅니다

글로벌 에너지 전환에 따라 태양광 산업은 빠르게 확장되었습니다. 글로벌 PV 모듈 생산 능력은 이미 200 GW를 넘었으며, 연간 생산량은 150 GW 이상을 유지하고 있습니다. 동시에 PERC 기술은 수명 주기의 후반부에 접어들었습니다. 양산 변환 효율은 23.5%까지 상승했으며, 약 24%의 이론적 한계를 향해 어렵게 움직이고 있습니다. 추가적인 이득을 얻는 것은 훨씬 더 어려워지고 있습니다.

제조 비용 측면에서 PERC 셀의 비실리콘 비용은 와트당 약 0.2위안으로 압축되어 추가 감소 여지가 제한적입니다. 따라서 업계는 TOPCon, 이종접합 기술(HJT), 후면 접촉 셀과 같은 고효율 N형 기술로 전환하고 있습니다. 목표는 더 높은 효율과 더 강력한 프로젝트 금융성을 통해 새로운 수익 공간을 여는 것입니다.

변환 효율은 태양전지 기술 세대를 평가할 때 분명히 중요합니다. 그러나 실제 양산 라인에서는 개방 회로 전압(Voc)과 단락 전류(Isc)가 종종 비교적 좁은 범위 내에서 안정화됩니다. 이 시점에서 필 팩터는 최종 생산 수율의 결정적 지표이자 작은 공정 변동의 민감한 신호가 됩니다.

기하학적으로, 필 팩터는 태양전지의 I-V 특성 곡선의 직각도를 측정합니다. 이는 실제 최대 전력 사각형과 Voc 및 Isc로 형성된 이론적 사각형 간의 비율입니다. 값은 항상 1 미만입니다. 이상적인 조건에서 갈륨 비소 태양전지의 최대 FF는 0.89에 근접할 수 있습니다. 일반적인 상업용 결정질 실리콘 태양전지의 이론적 한계는 약 0.83에서 0.85입니다.

생산 라인은 이상적인 모델이 아닙니다. 불량한 금속화 접촉, 에칭 관련 누설, 불균형한 페이스트 조성, 또는 이동된 소성 창은 모두 미세 접촉 계면을 교란할 수 있습니다. 이러한 결함은 열 축적에 매우 민감합니다. 결국 기생 저항의 급격한 변화로 나타나며, 종종 FF 감소를 통해 먼저 드러납니다.

공식: 변환 효율과 FF 간의 관계

η = Pmax / Pin = (Voc × Isc × FF) / Pin

의미: Voc와 Isc가 비교적 안정적으로 유지될 때, 작은 FF 변동은 최종 변환 효율에 직접 전달됩니다.

공식: 필 팩터의 정의

FF = Pmax / (Voc × Isc) = (Vmp × Imp) / (Voc × Isc)

의미: FF는 I-V 곡선의 직각도를 측정합니다. 실용적인 측면에서, 이는 셀이 이론적 전기 출력을 실제 최대 전력으로 얼마나 효과적으로 변환하는지 보여줍니다.

FF의 물리적 핵심: Rs와 Rsh 간의 견인

To understand why FF is so sensitive to manufacturing conditions, it is necessary to return to the equivalent-circuit model of a solar cell. Photogenerated carriers drift and diffuse through the silicon body before being collected by the external circuit. Energy losses are unavoidable during this process.

거시적 전기 수준에서 이러한 손실은 기생 저항으로 표현됩니다. 두 가지 주요 구성 요소는 직렬 저항 Rs와 션트 저항 Rsh입니다.

직렬 저항은 전류가 외부 부하로 흐를 때 발생하는 모든 순방향 물리적 저항을 나타냅니다. 이는 실리콘 웨이퍼 벌크 저항, 전면 및 후면 전극과 실리콘 간의 접촉 저항, 측면 이미터 수송 저항, 핑거 및 버스바 저항, 그리고 모듈 수준에서 상호 연결 리본 저항의 결합 결과입니다.

이러한 기여 요인 중 금속-반도체 접촉 저항, 이미터 도핑 농도 및 접합 깊이의 변동은 대량 생산에서 가장 불안정한 변수 중 일부입니다. 또한 급격한 Rs 증가의 가장 가능성 있는 원인 중 하나입니다. 직렬 저항은 셀 충진율과 강한 음의 상관관계를 가집니다.

I-V 곡선에서 Rs가 증가하면 Voc 근처의 순방향 바이어스 영역의 기울기가 감소하고 곡선이 더 평평해집니다. 거시적 수준에서 직렬 저항이 높을수록 최대 출력 전력이 감소하고 FF가 낮아집니다.

션트 저항은 내부 전기 누설 수준을 반영합니다. 이상적으로 Rsh는 무한대에 가까워야 하며, 광생성 캐리어에 대한 우회 경로가 없어야 합니다. 실제 제조에서는 가장자리 누설, 결정 전위, PN 접합을 관통하는 금속 페이스트로 인해 의도치 않은 전류 경로가 생성될 수 있습니다.

Rsh가 낮을수록 내부 누설 전류가 더 많아집니다. 이 션트 효과는 기능성 PN 접합을 통과하는 전류를 감소시키고 작동 전압을 낮춥니다. 이 문제는 낮은 조사 조건에서 더 두드러지는데, 광생성 전류가 이미 약하기 때문에 누설이 전체 전류에서 더 큰 부분을 차지하기 때문입니다.

공식: 기생 저항을 포함한 태양전지 방정식

I = IL - I0 × { exp[q(V + I×Rs)/(n k T)] - 1 } - (V + I×Rs) / Rsh

의미: Rs는 전류 출력을 방해하고, Rsh는 누설 경로를 만듭니다. 둘 다 FF를 감소시킵니다.

공식: 최대 전력점 조건

d(I×V) / dV = 0

의미: I-V 곡선에서 전력이 최대에 도달하는 지점은 생산 테스트에 사용되는 Pmax 값의 근원입니다.

공식: 정규화된 션트 저항

RCH = Voc / Isc; rsh = Rsh / RCH

의미: 특성 저항 RCH로 정규화하면 크기와 전류 등급이 다른 셀을 동일한 척도에서 비교할 수 있습니다.

공식: 션트 저항이 FF에 미치는 근사 효과

FFsh ≈ FF0 × (1 - 1 / rsh)

의미: Rsh가 낮을수록 누설이 더 심각하고 결과적인 FF 손실이 더 큽니다.

어떤 생산 문제가 Rs 및 Rsh에 해당합니까?

공학적 관점에서 FF는 단순히 효율이 떨어졌다고 말해주기 때문에 가치 있는 것이 아닙니다. 엔지니어가 효율이 떨어진 이유를 파악하는 데 도움을 줍니다. 직렬 저항과 션트 저항은 I-V 곡선의 다른 영역에 영향을 미치므로 다른 제조 결함을 가리킬 수 있습니다.

공식: 직렬 저항으로 인한 열 손실

Ploss ≈ I² × Rs

의미: 고전류 또는 고조도 조건에서 Rs로 인한 전력 손실은 전류의 제곱에 비례하여 증가합니다.

불량 접촉: 금속화의 아킬레스건

실리콘 웨이퍼에서 완성된 셀로의 공정 흐름에서 스크린 인쇄 및 금속화 소성은 전기적 성능을 결정하는 중요한 단계입니다. 스크린 인쇄는 성숙하고 비용 효율적이지만, 물리적 접촉 메커니즘으로 인해 직렬 저항 및 션트 저항 문제가 발생할 수 있습니다.

현대의 고효율 셀은 일반적으로 후면 유전체 패시베이션과 국부 금속 접촉 구조를 사용하여 후면 캐리어의 표면 재결합 속도를 줄입니다. 금속과 실리콘 본체 사이에 절연 유전체 층이 있기 때문에 레이저 개구 또는 페이스트 보조 에칭을 통해 국부 접촉을 형성해야 합니다. 개구 품질이 좋지 않거나 합금이 불충분하면 금속과 반도체가 신뢰할 수 있는 오믹 접촉을 형성할 수 없습니다.

스크린 인쇄된 국부 후면 전극 접촉이 있는 셀에 대한 연구에서 불량 접촉으로 인해 직렬 저항이 21.34 mΩ까지 상승한 것으로 나타났습니다. 변환 효율은 8.95%에 불과하여 기존 알루미늄 후면 전계 셀의 17.44% 수준에 크게 미치지 못했습니다.

연구진은 후면 알루미늄 페이스트의 도핑 수준을 조정하여 FF를 회복하려고 시도했습니다. 알루미늄 함량이 증가함에 따라 합금 깊이가 개선되고 직렬 저항이 감소했습니다. 알루미늄 함량이 임계 수준인 60%에 도달했을 때, Rs는 도핑되지 않은 조건에 비해 11mΩ 감소했습니다. 이로 인해 변환 효율이 절대 2.59% 포인트 증가했습니다.

그러나 알루미늄 함량이 너무 높아지면 과잉 알루미늄이 접촉 영역의 전도성 네트워크를 방해했습니다. 그 결과 직렬 저항이 다시 증가하기 시작했습니다.

QFLS: 재료 결함과 제조 결함 구분하기

생산 라인에서 FF가 광범위하게 감소하는 경우, 가장 어려운 질문 중 하나는 손실이 재료 내부의 과도한 비방사 재결합에서 비롯된 것인지, 아니면 스크린 인쇄 및 소성 과정에서 도입된 기생 저항에서 비롯된 것인지입니다.

준페르미 준위 분할(QFLS)은 이러한 상황에서 중요한 진단 도구입니다. 물리적 측면에서 QFLS는 외부 전하 추출이 없을 때 광전지 장치의 이론적 전압 한계를 결정합니다. QFLS와 복사 한계 간의 차이는 재료 결함이나 불순물로 인한 비방사 재결합 손실을 직접적으로 나타냅니다.

QFLS를 광학적으로 측정하고 비접촉식 유사 J-V 분석과 결합함으로써 연구자들은 외부 전기 측정에서 직렬 저항의 영향을 제거할 수 있습니다.

측정된 FF가 QFLS에서 도출된 유사 충진율보다 훨씬 낮다면, 손실은 일반적으로 불량한 금속화 접촉이나 파손된 핑거에 기인할 수 있습니다. 유사 충진율이 이미 낮다면, 비방사 재결합이 통제 불능 상태일 가능성이 높으며, 이는 웨이퍼 품질이나 계면 패시베이션의 본질적인 문제를 가리킵니다.

HJT 저온 은 페이스트: 200°C 이하에서 전도성 네트워크 구축

N형 기술이 확장됨에 따라 HJT 및 BC 셀은 금속화 품질에 더 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 따라서 FF는 혁신적인 전도성 페이스트를 평가하는 중요한 지표가 되었습니다.

HJT 셀은 비정질 실리콘과 결정질 실리콘 이종접합 구조를 사용합니다. 이는 강력한 패시베이션을 제공하지만, 구조는 온도에 매우 민감합니다. 비정질 실리콘 막의 결정화 및 열화를 방지하기 위해 HJT 셀은 800°C 이상의 기존 소성 온도를 견딜 수 없습니다. 따라서 경화 온도가 200°C 미만으로 엄격히 제어되는 저온 은 페이스트가 필요합니다.

저온 은 페이스트는 기존의 고온 페이스트와 다르게 작동합니다. 고온 은 페이스트는 고온에서 유리 프릿이 용융되는 것에 의존합니다. 유리 프릿은 반사 방지막을 에칭하고 실리콘 내부로 은 결정체의 성장을 촉진하여 저저항 오믹 접촉을 형성합니다.

저온 은 페이스트는 주로 폴리머 수지 시스템에 분산된 은 입자에 의존합니다. 저온에서 용매가 증발한 후 입자들이 서로 압착되어 물리적 전기 접촉을 형성합니다.

이 메커니즘은 일반적으로 저온 페이스트가 고온 페이스트보다 높은 체적 저항률을 가지게 합니다. 이는 셀의 총 직렬 저항을 증가시키고 FF를 감소시킬 수 있습니다. 페이스트 공급업체는 나노 분말 엔지니어링을 통해 이 문제를 해결하고 있습니다. 일반적인 조치로는 은 함량을 줄이고 페이스트의 미세도와 유변학을 개선하여 더 적은 은 소비로 조밀한 전도성 네트워크를 형성하는 것이 포함됩니다.

BC 셀: 후면 절연 불량의 경보로서의 FF

HJT의 과제가 저온 전도성이라면, 후면 접촉 셀의 과제는 전극 배치의 미세한 한계에 있습니다.

BC 셀은 전면 금속 그리드 차광을 제거하여 Isc를 더 높일 수 있습니다. 그 대가로 모든 양극과 음극 전극을 후면에 매우 작은 간격으로 교대로 배치해야 합니다.

이 고밀도 배선 영역에서 약간의 스크린 인쇄 오프셋, 페이스트 퍼짐 또는 미세한 절연층 결함으로 인해 양극과 음극 사이에 물리적 연결이 발생할 수 있습니다. 그렇게 되면 Rsh가 거의 0으로 떨어질 수 있습니다.

미세 단락은 큰 션트 전류를 생성하여 작동 전압을 소모합니다. Voc가 붕괴되고 FF가 0으로 떨어질 수 있습니다. 전면 근처에서 생성된 광생성 캐리어는 후면 금속 수집 전극에 도달하기 전에 더 긴 측면 거리를 이동해야 합니다. 이는 누적된 벌크 및 측면 직렬 저항의 위험을 증가시킵니다.

이러한 이유로 FF 변동 모니터링은 BC 셀 생산 라인에서 가장 중요한 수율 보호 조치 중 하나입니다. FF 임계값을 통과하지 못하는 각 셀은 금속화 절연 또는 캐리어 수송 설계의 실패를 나타낼 수 있습니다.

소성 윈도우: 과소 소성과 과소성 모두 FF에 의해 처벌됨

TOPCon 및 PERC 셀의 경우 고온 소성은 마지막 중요한 공정 중 하나입니다. 인쇄된 금속 전극이 있는 실리콘 웨이퍼는 약 800°C의 최고 온도로 벨트로를 통과합니다. 금속 페이스트의 유리 프릿이 표면 패시베이션 층을 통해 용융되어 하부 실리콘 또는 후면 표면 필드와 합금 또는 직접 접촉을 형성합니다. 이는 오믹 접촉을 생성하고 직렬 저항을 줄입니다.

이 공정은 엄격한 균형 잡기입니다. 온도가 너무 낮거나 벨트 속도가 너무 빠르면 과소 소성이 발생합니다. 유리 프릿이 충분히 용융되지 않아 실리콘 질화물 또는 터널 산화물 층을 에칭하지 못할 수 있습니다. 너무 적은 은 결정이 석출되어 실리콘으로 침투합니다. 금속과 반도체 사이에 절연층이 남아 접촉 저항이 급격히 증가합니다. I-V 곡선의 순방향 바이어스 측이 평평해지고 FF가 비정상적으로 낮아집니다.

과도한 온도는 과소성을 유발합니다. 금속 페이스트가 너무 공격적이 되어 은 결정이 스파이크처럼 얕은 PN 접합을 관통할 수 있습니다. 이는 단락 및 재결합 중심을 도입합니다. 패시베이션이 손상되고 Rsh가 감소하며 누설이 심각한 문제가 됩니다.

EL 검사에서 과소성으로 인한 격자 손상 및 패시베이션 실패는 종종 흐린 패턴, 워터마크 또는 용광로 벨트 자국으로 나타납니다.

공정 윈도우를 넓히기 위해 장비 공급업체는 소성 및 광주입 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 소성로와 광주입 챔버를 결합합니다. 고온 어닐링 및 합금 후 웨이퍼는 약 150-350°C의 온도에서 고강도 광에 직접 노출됩니다.

고강도 광자가 캐리어를 여기시키고 웨이퍼 내부 및 표면 근처의 수소 원자 전하 상태를 변화시킵니다. 이는 소성 중 생성된 미세 열적 결함과 댕글링 본드를 패시베이션할 수 있습니다. 테스트 결과, 이 처리는 EL 워터마크와 퍼니스 벨트 마크를 줄이면서 Voc와 FF를 개선할 수 있습니다.

LECO: TOPCon 금속화 충돌을 통한 비평형 경로

TOPCon 초기 확장 동안, 전면 금속화는 주요 수율 병목 현상이 되었습니다. 표면 재결합을 줄이기 위해, TOPCon 셀의 전면은 더 낮은 도핑 농도를 가진 얕은 이미터를 사용하는 경향이 있습니다.

얕은 접합과 낮은 도핑은 유리 프릿을 포함한 기존의 고온 은 페이스트에 충돌을 일으킵니다. 페이스트가 충분히 소성되지 않으면 접촉 저항이 매우 높게 유지됩니다. 너무 과도하게 소성되면 얕은 접합이 관통되어 누설이 발생하고 FF가 0으로 떨어질 수 있습니다.

레이저 강화 접촉 최적화(LECO)는 이 충돌을 해결하기 위해 개발되었습니다. LECO는 비열평형 광전 메커니즘을 사용합니다. 파괴적인 전역 고온 가열 대신, 약 10V 이상의 역방향 바이어스를 인가하면서 고강도 레이저로 전하 캐리어를 여기시킵니다.

강한 바이어스와 광생성 캐리어의 결합 효과 하에서, 과소 소성으로 연결되지 않은 약한 절연 지점에서 국부적 애벌랜치 항복이 발생합니다. 자유 캐리어는 전기장에 의해 금속-반도체 접촉을 통해 구동되어 수 암페어의 국부 전류를 생성합니다.

이러한 강한 전류는 미세 접촉 지점에서 국부적 줄 가열을 생성합니다. 이는 나노초에서 마이크로초 시간 척도로 미세 소성을 생성합니다.

LECO는 TOPCon 소성 전략을 공격적인 전역 가열에서 표적 국부 수리로 변경합니다. 페이스트 공급업체는 전용 LECO 호환 유리 프릿 시스템을 설계할 수 있습니다. 기존의 벨트 소성 공정은 얕은 이미터를 보호하기 위해 약간 과소 소성 상태로 유지될 수 있으며, LECO는 후단에서 국부적 전기적 항복을 생성하고 접촉 저항을 줄입니다.

검증 결과, LECO가 없는 셀은 과도한 접촉 저항으로 인해 고장에 가깝게 작동할 수 있습니다. LECO 처리 후 접촉 저항은 감소하고 패시베이션은 유지됩니다. FF가 상승하여 절대 변환 효율이 0.2% 포인트 이상 증가합니다.

LECO에는 여전히 공정 경계가 있습니다. 광 강도가 너무 낮으면 접촉 수리가 불완전합니다. 너무 높으면 격자 어블레이션과 구조적 손상이 발생할 수 있습니다.

레이저 강도가 파괴적인 값인 375 MW/cm²에 도달하면 FF가 0.84에서 0.65로 약 24% 감소할 수 있습니다. Voc는 0.745 V에서 0.695 V로 감소할 수 있으며, Jsc는 41.8 mA/cm²에서 40.8 mA/cm²로 감소합니다.

LECO에 의해 생성된 미세 접촉 네트워크는 어느 정도 비평형 열 취약성을 가지고 있습니다. EL 분석에 따르면 LECO 처리된 셀이 두 번째 고온 소성 사이클을 거칠 때 두 번째 소성 온도를 280°C에서 680°C로 높이면 설정된 미세 전도 경로가 교란될 수 있습니다.

그러면 접촉 저항이 다시 악화되고 FF가 크게 줄어들며 초기 셀 효율 26.35%가 감소하기 시작합니다.

FF는 단순한 백분율이 아닙니다. 생산 수율의 맥박입니다.

태양전지 제조의 블랙박스 내부를 들여다보면 한 가지 분명해집니다: 필 팩터는 실험실 테스터에 표시된 추상적인 백분율 이상의 의미를 가집니다.

미시적 수준에서 FF는 캐리어 수송 경로를 따라 직렬 저항과 션트 저항 사이의 상호작용의 최종 표현입니다. 생산 라인에서 FF는 금속화 페이스트의 전도도 한계, 스크린 인쇄의 기계적 정밀도, 벨트 소성로의 온도 프로파일의 작은 변화를 기록합니다.

비실리콘 비용이 이미 바닥에 가깝고 자본 확장이 더욱 까다로워지는 새로운 PV 사이클에서, 모든 주요 고효율 기술은 동일한 기본 문제에 직면합니다.

HJT는 저온 경화 한계 내에서 신뢰할 수 있는 전도성 네트워크를 유지해야 합니다. BC 셀은 미세한 거리만큼 분리된 양극과 음극 사이의 누설을 제어해야 합니다. TOPCon은 소성, 광 주입 및 LECO에 의존하여 접촉을 복구하면서 패시베이션을 보호합니다.

목표는 항상 동일합니다: PN 접합을 관통하거나 누설을 생성하지 않으면서 계면 접촉 저항을 줄이는 것입니다.

제조업체에게 절대 효율 값만 추구하는 것은 더 이상 충분하지 않습니다. 더 스마트한 생산 시스템은 실시간으로 작은 FF 변동을 모니터링하고 QFLS 및 의사 J-V 분석과 같은 비파괴 진단 방법과 결합해야 합니다. 이것이 더 안정적인 차세대 고효율 태양전지 제조를 위한 실용적인 경로입니다.

Ooitech의 견해

FF의 진정한 가치는 생산 알람으로서의 속도에 있습니다. 안정적인 라인은 각 결과를 개별적으로 처리하는 대신 FF를 Rs, Rsh, EL 패턴, 의사 FF, 소성 온도 및 금속화 데이터와 함께 추적해야 합니다. TOPCon, HJT 및 BC 기술의 경우, 이 결합된 데이터 세트는 최종 효율 분포가 심각한 수율 손실을 보이기 훨씬 전에 공정 창이 변동하고 있음을 드러낼 수 있습니다.