1. 서 론

태양전지 에미터의 설계는 저항 손실 (접촉 및 측면)과 재결합 손실 (표면 및 확산영역)을 모두 최소화하여 설계해야 한다. 태양전지 전면부의 금속 접촉을 통한 저항 손실과 표면의 재결합 손실은 단일 에미터를 가진 태양전지의 주된 효율 제한 요인이다⁽¹⁾. 선택적 에미터는 금속 전극이 형성될 부분은 고농도 도핑을 통해 접촉저항을 낮추고 전극이 형성되지 않은 부분에는 저농도 도핑을 통해 높은 전자 수집률을 가지며 표면의 재결합 손실을 줄여 효율을 상승시키는 기술이다⁽²⁾.

2021년 ITRPV (International Technology Roadmap for Photovoltaic)에서는 p-type 태양전지의 에미터 기술을 그림 1과 같이 전망했다. 2021년 기준 선택적 에미터의 비율은 약 53.36%이며 1년 전과 비교했을 때 12% 증가하였다. 2030년에는 전체 에미터 시장 중 선택적 에미터 기술이 80% 이상으로 태양전지 제조 공정에서 필수적인 기술이 될 것으로 분석되었다⁽³⁾. 현재 태양전지 양산시장에서 가장 많이 사용되고 있는 p-PERC (Passivated Emitter Rear Contact) 구조의 경우 선택적 에미터 형성이 상용화되어 약 23.3%의 변환효율을 기록하고 있다.

태양전지는 확산, 전극 형성 등 고온 공정을 거치는데 이는 웨이퍼 내 불순물의 활성화를 유발하여 소수캐리어의 수명이 감소하고 효율 저하의 원인이 된다. p형 웨이퍼는 n형 웨이퍼와 비교하여 불순물에 대한 내성이 낮아 효율 개선에 한계가 있어 효율 경쟁에서 불리하다. n형 웨이퍼는 내부에 존재하는 불순물에 대한 내성이 뛰어나 소수캐리어의 수명이 길며 LID (Light-induced Degradation) 현상이 없으므로 p형 웨이퍼를 이용한 태양전지에 비해 더 높은 효율 달성이 가능하다⁽⁴⁾.

n형 웨이퍼를 이용한 태양전지는 크게 HJT (Heterojunction), IBC (Interdigitated Back Contact), TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)으로 나누어볼 수 있는데, 기존 p-PERC과 생산공정이 유사한 n-TOPCon 태양전지를 중심으로 발전할 것으로 전망된다^(5-7). 가격 경쟁력 측면에서 차별화된 특징을 가진 TOPCon 태양전지는 주요 메이저 회사를 중심으로 양산화가 진행되고 있다. ITRPV에 따르면 2020년 TOPCon 태양전지의 양산 평균 효율은 23.8%이며 생산량은 2019년 3.9GW에서 2023년 10.2GW로 증가할 것으로 전망되었다⁽³⁾.

TOPCon 태양전지의 잠재력은 최대 725 mV의 개방전압 (V)과 26% 이상의 변환효율이며, 실험실 규모의 연구단계에서는 해당 결과가 입증되었다⁽⁸⁾. 2017년에는 Fraunhofer ISE에서 2×2 cm 면적에서 25.7%의 효율을 기록했다⁽⁹⁾. 국내에서는 LG전자가 처음으로 TOPCon 태양전지 양산을 개시하였으며, Longi, Jinko, JA Solar 등 글로벌 선두기업들을 중심으로 본격적인 TOPCon 태양전지 양산이 이루어지고 있다.

그림 2와 같이 n-TOPCon은 기존의 p-PERC의 후면구조를 변형하여 열처리시 부분적으로 결정화되는 고농도의 poly-Si와 1.5 nm 이하의 매우 얇은 산화막으로 구성된다. 생성된 산화막은 터널링 효과로 전자의 선택적 수집을 가능하게 하여 광생성 캐리어의 재결합 방지를 통해 효율을 상승시킨다^(10,11).

후면부의 구조개선은 전면부에서 발생하는 효율 손실을 개선하지 못하므로 이를 해결하는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 선행연구를 토대로 선택적 에미터가 태양전지에 미치는 영향과 다양한 형성 방법을 통해 n-TOPCon 태양전지에 적용될 선택적 에미터 기술에 대해 분석하였다.

2. 선택적 에미터 형성 방법

선택적 에미터는 그림 3과 같이 전면 전극의 아랫부분에는 고농도의 도핑이 이루어지고 전극이 형성되지 않은 부분에는 저농도의 도핑이 이루어진다.

빛에 의해 생성된 캐리어를 전극으로 수집하기 위해 금속과 에미터 (실리콘 기판) 사이에 원활한 접촉이 이루어져야 한다. 서로 다른 페르미 레벨을 가진 금속과 에미터를 접합시킬 때 페르미 레벨이 맞춰지고 실리콘의 밴드가 휘어지며 Schottky 장벽이 형성된다. Schottky 장벽은 전자의 이동을 방해하며, 이로 인해 발생하는 접촉저항은 고농도의 도핑을 통해 옴 접촉 (Ohmic Contact)을 형성하여 해결할 수 있다. 저항이 감소하면 캐리어의 이동이 원활해져 전압이 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 금속과의 접촉개선을 위해 에미터를 고농도로만 도핑하게 되면 표면과 에미터층 사이에서 발생하는 재결합이 증가하여 300~500 nm의 단파장 영역에서 낮은 양자효율을 가지게 된다. 빛을 받는 수광면의 재결합을 줄이기 위해서는 저농도로 도핑된 에미터가 사용되어야 한다. 저농도 에미터의 형성은 표면 재결합률을 감소시켜 전류량을 증가시킨다^(7,12). 선택적 에미터는 저농도 에미터와 고농도 에미터의 장점을 동시에 가지며 우수한 접촉저항 특성과 재결합 특성을 통해 기존 단일 에미터와 비교하여 약 0.3~0.4%의 효율 개선을 이룰 수 있다⁽¹³⁾.

선택적 에미터는 두 가지 종류의 에미터를 가지고 있어 서로 다른 면저항과 도핑 프로파일을 가진다. 형성 방법에 따라 각 에미터의 특성이 달라지기 때문에 공정에 따른 다양한 기술이 존재한다. 그림 4는 기존의 태양전지 제조 공정과 공정단계에 따른 선택적 에미터 형성기술을 보여준다. 양산공정에서 가장 많이 사용되는 기술은 레이저와 Etch-Back 기술이며 그 밖에도 이온주입법, 잉크젯 등의 기술이 사용되고 있다⁽¹⁴⁾.

레이저를 이용한 선택적 에미터 기술은 레이저의 순간적인 열을 이용하여 도펀트를 실리콘 웨이퍼 안에 주입하는 방법이다. 레이저가 주입된 부분은 고농도 영역이 되며 위에 전극이 위치하게 된다. 레이저 공정의 장점은 상온에서 공정이 가능하고, 도핑 프로파일의 제어가 비교적 쉬운 것이다. 레이저 공정에서 세기 (Fluence)와 속도 (Speed)는 특성을 결정짓는 주요 파라미터이다. 낮은 면저항을 위해서는 레이저 세기를 강하게 하여 Doping level을 증가시키거나, 속도를 줄여 Pulse 간의 Overlap 비율을 증가시켜 다량의 에너지를 조사해야 한다. 하지만 과도한 레이저의 주입은 표면이 녹아 표면 구조가 악화되는 HAZ (Heat Affected Zone)을 형성한다. HAZ는 전극과의 계면에서 컨택 형성을 방해한다. 이는 전극 형성 시 저항 증가에 영향을 미치게 되고 결과적으로 FF (Fill Factor)를 낮추는 원인이 된다. 레이저 손상을 가진 채로 태양전지 제작이 이루어지면 전면 전극 형성 후에 FF가 77~78% 수준으로 낮아진다^(15-16).

Etch-Back을 이용한 선택적 에미터 기술은 고농도로 도핑된 에미터를 형성하고, 그 위에 식각 마스크를 형성한 후 에칭 용액을 이용하여 표면 식각을 통해 저농도 에미터를 형성하는 방법이다. 전지의 직렬저항이 국부적으로 증가하는 것을 피하고자 에미터의 균일한 Etch-Back이 이루어져야 한다. KOH, IPA와 같은 알칼리 용액의 경우 결정 방향에 따라 에칭되는 이방성 식각의 특징을 가지고 있어 주로 텍스처링하는 데 사용이 된다. 반면 HF, HNO와 같은 산성용액은 등방성 식각의 특징을 가지고 있어 Etch-Back 균일성 측면에서 더 적합하다. 양산공정에서는 HF와 HNO를 일정 비율 혼합한 산성용액을 이용하여 공정을 진행하고 있다. 하지만, 공정 진행 시 용액에 따라 식각 정도를 제어하기 어려워 균일한 식각이 형성되지 않을 수 있고 텍스처링이 수정될 수 있다는 단점이 있다⁽¹⁷⁾.

이온주입법 (Ion implantation)을 이용한 선택적 에미터 기술은 실리콘 기판 전면에 저농도의 이온을 주입하고 전극이 형성될 부위에 추가로 이온을 주입하여 고온의 열을 가한 후 확산공정을 통해 저농도 에미터와 고농도 에미터를 각각 형성하는 방법이다. 이온주입법 저온 공정이 가능하며 주입량, 에너지, 온도 및 시간과 같은 다양한 매개변수를 이용하여 선택적이고 정밀한 도핑 제어가 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 높은 장비 가격과 그에 따른 처리량이 적고 도펀트를 물리적인 방법으로 주입하기 때문에 웨이퍼에 직접적인 손상이 가해진다는 단점이 있으므로 레이저나 Etch-Back 방법보다 양산공정에서의 사용은 비교적 적은 편이다^(18-19).

잉크젯 방법을 이용한 선택적 에미터 기술은 잉크젯 프린터를 이용하여 도펀트를 함유한 물질을 전극이 형성될 부분에 맞춰 잉크젯 프린팅하고 고온에서 열처리를 통해 확산시켜 전극 아랫부분에 고농도 에미터를 형성하는 방법이다. 동일한 구조에서 잉크젯을 이용한 선택적 에미터의 형성은 레이저를 이용한 선택적 에미터 형성과 비교했을 때 FF가 약 3% 정도 상승하는 효과가 있다. 이는 레이저를 이용한 공정에서 발생하는 결정학적 손상이나 결함이 없기 때문이다^(20-21).

TOPCon SE (Selective Emitter) 기술은 TOPCon 태양전지가 개발되며 주목받고 있는 선택적 에미터 기술이다. 후면의 터널 산화막과 poly-Si을 마스크를 이용하여 전극 패턴과 동일하게 형성하여 전극과의 컨택 형성 시 Passivation Contact을 이루어 낮은 J (Recombination Current Prefactor) 값을 가지는 것이 특징이다⁽²²⁾.

앞서 언급한 형성 방법에 따라 태양전지에 미치는 전기적 특성을 표 1에 정리하였다.

3. n-TOPCon 태양전지의 선택적 에미터 기술

n-TOPCon 태양전지는 기존 p-PERC 생산라인에서 기존 설비를 활용할 수 있다는 장점이 있다. EnergyTrend의 자료에 따르면 2021년 현재 TOPCon 태양전지의 생산라인을 형성하기 위해 드는 투자비용은 1GW 당 500~600억 원 수준으로 약 1,400억~1,700억 원이 소요되는 HJT 태양전지와 비교해 약 1,000억 원가량을 절감할 수 있다⁽²⁴⁾. TaiyangNews는 그림 5와 같이 기존의 생산공정에서 2단계 (Tunnel 산화물과 poly-Si의 형성, Boron Diffusion)의 추가만으로 원활한 전환이 이루어질 수 있다고 보고했다⁽²⁵⁾.

PERC 태양전지와 달리 후면에 형성되는 터널 산화물층의 특성은 TOPCon 태양전지가 목표로 하는 높은 개방전압과 낮은 직렬저항을 달성하기 위해 매우 중요한 공정이며, 전면에 형성되는 Boron Emitter 역시 일반적으로 사용되던 Phosphorus Diffusion 공정과 비교하여 다른 확산 메커니즘으로 인해 공정단계의 최적화가 필요하다⁽²⁶⁾.

현재 웨이퍼 사이즈의 증가와 p-PERC에서 n-TOPCon으로의 전환으로 인해 생산라인의 변화가 이루어지고 있다. 그 와중에 선택적 에미터 공정의 추가는 기존 장비와 원활하게 호환되어야 하고 적은 비용을 통해 제작할 수 있어야 한다는 조건이 있다. 레이저 기술의 경우 마스크 증착, 화학적 에칭 및 고온 확산과 같은 여러 단계가 있어야 하는 기존 기술과 달리 One-Step Process를 사용하여 선택적 에미터를 형성하기 때문에 높은 처리량으로 대량생산에 적합한 기술이다⁽¹³⁾.

그림 6은 2016년부터 2020년까지 약 5년 동안 양산 공정에서 사용된 선택적 에미터의 비율을 나타낸 것이다. 선택적 에미터 기술 중에서 레이저를 이용한 기술이 주를 이루고 있음을 알 수 있다. 2019년을 기점으로 선택적 에미터 공정 중 90% 이상이 레이저를 이용하고 있다^(3,27-29).

표 2는 최근 5년간 연구단계에서 선택적 에미터가 형성된 n형 태양전지의 전기적 특성을 나타낸 것이다^(30-38).

Reference Cells과 비교하여 선택적 에미터를 형성했을 경우 평균적으로 단락전류밀도 (J)는 0.142 mA/cm, 개방전압 (V)은 4.167 mV, 충진율 (FF)은 0.39%, 효율 (η)은 약 0.3% 증가했으며 선택적 에미터 형성 방법은 레이저 (40%), Etch-Back (30%) 방법이 주로 사용되었다. 특히 TOPCon 태양전지의 경우 J가 0.2 mA/cm, V가 5.033 mV으로 더 높은 변화를 나타냈다. 이와 같은 결과를 미루어봤을 때 레이저를 이용한 방법이 p-PERC 태양전지에 이어 n-TOPCon 태양전지에서도 주류기술이 될 것으로 분석된다.

4. 결 론

선택적 에미터 형성 방법과 n-TOPCon 태양전지의 선택적 에미터 기술에 대해 분석하였다. p-type 태양전지의 한계효율 도달로 인해 n-type 태양전지의 비율이 증가하고, 그 중에서도 TOPCon 태양전지로의 기술이동이 가속화될 것으로 전망된다. 여러 태양전지 제조사들은 경쟁력 강화를 위해 고효율 핵심기술인 선택적 에미터 도입이 필요하다. 주로 레이저와 Etch-Back 기술을 이용한 선택적 에미터는 단일 에미터 대비 0.3% 이상의 효율 상승효과가 있으며 특히 TOPCon 태양전지의 경우 개방전압이 크게 상승했다. n-TOPCon 태양전지로의 변화를 위한 새로운 양산라인에 맞춘 적절한 선택적 에미터 기술은 고효율 태양전지를 위해 반드시 고려되어야 한다.