[태양전지 교과서] Week 11 - TOPCON & SHJ

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

TOPCon

TOPCon은 tunnel oxide passivated contacts의 약자이다. 높은 온도에서의 과정을 통해 매우 얇은 tunnel oxide(산화 규소)를 도핑된 Si로 덮고 그 위에 금속과 접촉시킨다.

이러한 oxide는 기본적으로 passivate 효과를 갖는다. 그리고 doped poly-Si는 field effect를 만들어 적은 passivate 효과로도 큰 효과를 볼 수 있도록 한다.

위 그림에서 전자는 얇은 oxide 층을 통과해 p형 Si에서 n형 poly-Si로 통과할 수 있다. 반면, 정공은 oxide를 통과하지 못한다. 한 가지 종류의 전하만 통과하면서 전하의 재결합을 막는다. 이러한 poly-Si과 금속을 접촉하게 해 재결합이 발생하지 않도록 했다.

현재 주류 TOPCon에서는 n-type 웨이퍼를 사용한다. 그래서 반대로 emitter가 p+가 된다. p+ emitter를 만들기 위해 Boron, 붕소가 dopant로 쓰이고 boron emitter는 Al₂O₃ passivation layer로 잘 passivate된다. 후면부에서는 tunnel oxide 층과 doped poly-Si 층이 맞닿아있다.

2023년 기준, 실험 샘플의 cell 수준에서 TOPCon의 최고 효율은 25.2%를 기록했다. 실제 생산 라인에서는 24.5~25%를 기록한다. cell들이 모인 module 수준에서는 21.5~22.7%를 기록했다.

TOPCon의 IV curve

위 그림은 TOPCon의 IV curve이다. PERC보다 좋은 성능을 보여준다. short circuit current는 PERC와 비슷하지만, 전압이 30~40mV 정도 더 높다. poly silicon과 SiO₂ oxide를 증착함으로써 PERC보다 1~1.5% 높은 효율을 보인다. 또한 제작 과정이 PERC와 비슷하기 때문에 PERC를 생산하던 line을 조금만 바꿔 바로 이용할 수 있다. 하지만 PERC에 비해 2배 정도의 은을 필요로 하기 때문에 장기적으로 문제가 될 수 있다.

​

SHJ

SHJ는 silicon heterojunction으로 두 개의 서로 다른 밴드갭을 갖는 반도체 사이의 접합이다. 일반적인 태양전지는 생각해보자. 일반적인 태양전지의 경우, 같은 반도체 물질이 pn 접합을 이룬다. 그러니깐, p 반도체와 n 반도체 모두 crystalline Si이다. 물론 dopant는 다르지만, 결국 기본이 되는 격자 물질은 같기 때문에 p side와 n side의 밴드갭은 같다.

SHJ

하지만 SHJ는 그렇지 않다. 여기서는 c-Si(결정형 규소), a-Si(비결정형 규소)가 쓰였다. 위 구조를 자세히 보면 n-doped 된 결정형 실리콘 웨이퍼(c-Si)에 intrinsic hydrogenated amorphous Si(도핑이 안 된, 수소가 첨가된, 비결정형의 규소)이 증착되었다. (i 표시는 도핑이 안 된 실리콘이라는 것) 이 a-Si:H 층은 반투과성 막으로 작용하면서 전하를 전달하는 역할을 수행하면서 passivation 역할도 수행한다. 그 위로는 p+로 doped된 a-Si:H 층이 있다. c-Si와 a-Si 모두 실리콘임은 같지만 하나는 결정형으로 원자가 규칙적으로 배열되어 있고 비결정형은 원자가 불규칙적으로 배열되어 있다. 이 배열 차이로 인해 밴드갭이 달라진다. 또한 Ag 전극은 TCO(transparent conductive oxide)라는 투명 전도성 산화물과 연결되어 있어 전류 전달을 돕는다.

​

SHJ는 제조 과정도 간단하다.

1) 웨이퍼의 saw damage를 제거하기 위해 etching, texturing, cleaning 과정을 거친다

2) PECVD로 i-a-Si, p-a-Si를 front쪽에 증착한다

3) PECVD로 i-a-Si, n-a-Si를 back쪽에 증착한다

4) front와 back에 투명 전극을 증착한다

5) screen printing으로 front와 back에 contact을 만든다

6) annealing

SHJ band structure

heterojunction의 band structure에는 금속과 전기적 활성을 띈 반도체 사이의 contact이 없다. 따라서 passivation 효과를 낸다. 이는 intrinsic a-Si:H 층이 defect를 줄여주기 때문이다. 왼쪽의 a-Si는 정공만이 p+ Si로 이동할 수 있도록 해주고 오른쪽의 a-Si 층은 전자만이 p+로 이동할 수 있도록 해준다. a-Si(i)에 의해 전하가 이동할 때 energy barrier가 생기지만 tunneling 등으로 통과하게 된다.

SHJ의 완벽한 passivation은 웨이퍼를 얇게 만들 수 있도록 해준다. 웨이퍼가 얇아질수록 V_OC는 증가하고 I_SC는 감소한다. I_SC의 감소를 V_OC가 보상한다.

​

 

EPFL PV-lab에서는 24.42%의 효율을 갖는 SHJ cell을 만들었다. V_OC는 731mV, J_SC는 40.7mA/cm²였다.

한편, 중국 회사 Longi는 2021년 10월에 26.3%의 효율을 갖는 SHJ cell을 개발했다. 많은 회사가 SHJ의 생산 규모를 GW 단위까지 늘리고 있다. Ag과 In의 사용량이 많고 기술의 노하우가 필요하다는 과제가 남아있다.