IBC 태양전지

IBC 태양전지⁹⁾에서 IBC는 Interdigitated Back Contact의 약자이다.

‘Interdigitated’는 손가락을 깍지를 낀 형태를 의미한다. 그림 2-15 [47]는 IBC 태양전지의 대표적인 그림인데, 후면에 금속 전극이 손가락으로 깍지 를 낀 모양으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. IBC 태양전지는 pn 접합과 금속 전극이 모두 후면에 형성되어 있어서 일반 양산형 실리콘 태 양전지에 형성된 전면 금속 전극에 의한 shading loss¹⁰⁾를 없앨 수 있다 는 장점이 있다. 이러한 점 때문에 전면에 금속 전극이 형성된 실리콘 태양 전지에 비해 Jsc를 높일 수 있는 장점을 가지고 있는 태양전지이다.

그림 2-15. ANU(Autralian National University)에서 개발 중인 IBC 태양전지 [47]

9) IBC Interdigitated Back Contact 태양전지의 줄임말로 실리콘 후면전극 태양전지라 한다. 본 보고서에서는 편의상 실리콘 후면전극 태양전지를 IBC 태양전지라고 하였다.

10) 일반 양산형 실리콘 태양전지에서는 전면에 전자/정공 수집을 위해 은 페이스트 도포를 통해 금 속 전극을 형성하는데, H 패턴으로 형성된 금속 전극이 형성된 부분은 빛이 흡수가 되지 않아 광 손실이 발생한다. 이러한 금속 전극에 의한 광손실을 shading loss라 한다.

그림 2-16. Sunpower社 GEN III IBC 태양전지 개략도 [48]

그림 2-17. Sunpower社 GEN III IBC 태양전지 효율 분포 (Median efficiency distribution) [49]

그림 2-16은 Sunpower社의 GEN III IBC 태양전지 개략도를 나타내고 있다. pn 도핑층이 형성된 부위를 제외하고는 pn 전극 간격이 텍스쳐되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 부분에도 빛을 흡수하여 전자/정공 쌍을 생 성할 수 있다. 도핑층과 전극 간의 접촉은 최소화하고, 유전층으로 도핑층 을 보호해주는 보호막을 형성하였다. 이렇게 형성된 보호막은 전면에서 흡 수된 빛을 다시 기판으로 반사시켜주는 반사막 역할도 한다. GEN III IBC 태양전지가 GEN II 대비 가장 차이가 나는 점은 에미터 부위의 전자재결합 특성이 개선되었다는 점이다.

그림 2-17은 Sunpower社의 GEN III IBC 태양전지의 효율 분포를 나타 내고 있다. 효율 중간값 (Median efficiency)이 edge redesign과 passivation improvement를 통해 24.1%까지 증가된 것을 확인할 수 있 다. 현재 Supower社에서는 이러한 효율 분포를 가지고 있는 GEN III IBC 태양전지를 Maxeon^®이라는 상품명으로 양산 및 판매를 하고 있다. 모듈의 경우 X-시리즈로 판매되고 있으며, 모듈 효율은 21% 이상을 보이고 있다.

ECN에서는 Mercury라는 이름의 IBC 태양전지를 개발하였는데, 전면에 에미터 p+층이 형성되어 있는 것이 특징이다. 기존 IBC 태양전지의 경우 전면에는 n+층의 FSF(Front Surface Field)가 형성되어 있는 것이 일반적 이다. 전면에 에미터 p+층을 형성하는 대신에 후면 BSF층은 넓게 형성하였 고, 13cm² 셀면적으로 19.4%, 239cm²으로 19.0%의 효율을 달성하였다.

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그림 2-18. ANU와 Trina社에서 공동개발한 IBC 태양전지 [51]

그림 2-18은 ANU(Autralian National University)와 Trina社에서 공동 개발한 IBC 태양전지 단면도를 나타내고 있다. 전면에는 n+층과 같은 FSF

나 p+층과 같은 에미터층이 형성되어 있지 않고, 보호막층으로 SiNx층만 형성되어 있다. 후면 패터닝은 포토 리소그래피를 이용하여 형성하였고, 후 면 보호막은 SiO2/SiNx층으로 형성하였다. 이러한 방법으로 제작된 IBC 태 양전지는 셀면적 4cm²로 24.6%를 달성하였다. [51]

그림 2-19. SEG(Selective Epitaxial Growth) 프로세스 개략도 [52]

Imec에서는 KU Leuven, Universiteit Hasselt와 함께 IBC 태양전지를 공동 개발하였는데, 각 도핑 공정 사이에 산화 공정을 삽입하였고, 도핑 및 산화 공정 후 세정 공정을 최적화하였으며, BSF와 에미터 영역의 비율을 조절하였다. 셀면적 4cm²로 최고효율 23.1%를 달성하였다. [53] 또한, imec에서는 그림 2-19 [52]에서와 같이 SEG 프로세스를 이용해 에미터를 형성하였는데, 일반 확산 공정을 통해 형성한 에미터와 비교를 하였다.

SEG 프로세스는 후면에 PSG층을 형성하고, 확산을 통해 인 도핑을 하여 BSF를 형성한 후 에미터 형성 부위를 패터닝을 통해 제거하고, 에미터 형 성을 위해 에피탁셜 방법을 이용해 도핑을 진행하는 방법이다. 에미터를 먼 저 형성하여 셀면적 4cm²의 IBC 태양전지를 제작한 경우에는 21.8%를 달 성하였으나 BSF를 먼저 형성한 경우는 20.9%를 달성하였다. SEG 방법을 이용하여 IBC 태양전지를 제작하는 경우는 에미터보다 BSF를 먼저 형성하 는 것이 원가절감에 유리하다. [52]

Bosch solar energy社에서는 ISFH와 공동으로 이온주입 방법을 이용한

IBC 태양전지를 개발하였다. 이온주입 방법으로 도핑을 실시하고, 패터닝의 경우 shadow mask를 삽입하여 이온 빔을 조사하는 방법으로 BSF와 에미 터를 형성하였다. 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고 효율 22.1%를 달성하 였다. [54] Bosch社에서는 Fraunhofer CSP(Center for Silicon Photovoltaics)와 IBC 태양전지 관련하여 PID(Potential Induced Degradation) 실험을 온도와 전압을 변화시켜가면서 진행하였다. 모든 조 건에서 IBC 태양전지는 PID에 의해 효율 저하가 거의 발생하지 않음이 확 인되었다. [55]

삼성전자와 Varian社는 이온주입 방법으로 도핑 및 패터닝을 진행하였 고, 5인치 CZ 웨이퍼로 22.4%의 효율을 달성하였다. [56] ISC-Konstanz 에서는 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하고, 스크린 프린팅 방법으로 전극을 형성 하여 21.3%의 효율을 달성하였다. 대부분의 IBC 태양전지가 PVD나 전기 도금과 같은 양산성이 떨어지는 방법을 사용한 반면 ISC-Konstanz에서는 스크린 프린팅이라는 양산성이 좋은 방법을 택하여 고효율을 달성하였다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다. [57] Hareon solar社에서도 스크린 프 린팅을 하여 금속 전극을 형성한 IBC 태양전지를 제작하였는데, 6인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 19.6%의 효율을 달성하였다. [58]

그림 2-20. Fraunhofer ISE에서 개발한 floating 에미터 기반 IBC 태양전지 개략도와 효율 [59]

Fraunhofer ISE에서는 이온주입 방법으로 도핑 및 패터닝을 진행하고, 전면에 그림 2-20과 같은 p+ floating 에미터를 형성하여 4mm² 셀면적으 로 21.8%의 효율을 달성하였다. 전면에 p+ 에미터를 형성하고, 보호막으로

Al2O3/SiNx층을 형성하면 자외선 조사에 큰 영향을 받지 않는 특성이 있 다. 반면 전면에 n+ FSF층을 형성하고, 보호막으로 SiOx/SiNx층을 형성한 경우는 SiOx층이 자외선 조사에 약해 특성이 열화되는 단점이 있다. [59]

또한, Feiburg 대학교, Total社와 그림 2-21과 같은 공정으로 IBC 태양전 지를 공동개발하였는데, PSG와 BSG 증착 후 p+, n+ 도핑층을 동시에 형 성하는 것이 특징이고, p+, n+ 도핑 후 에칭한 다음에 추가 drive-in 공정 을 통해 도핑층을 두껍게 형성하기도 하였다. 동시 확산, 추가 drive-in 방 법 그리고 도금 전극 형성을 통해 5인치 CZ 웨이퍼를 사용하여 최고효율 20.5%를 달성하였다. [60]

그림 2-21. Fraunhofer ISE와 Freiburg 대학, Total社와 공동개발한 IBC 태양전지 공정 순서도 [60]

Institute for Photovoltaics(ipv)에서는 레이저 도핑 방법을 통해 도핑층 을 형성하였고, 스크린 프린팅 방법으로 전극을 형성하였다. 6인치 CZ 웨 이퍼를 사용하여 21.4%의 효율을 달성하였다. [61] ISFH에서는 Hanwha solar社, Total社와 공동으로 RISE process를 이용하여 IBC 태양전지를 제작하였다. 포토 리소그래피를 사용하지 않고 레이저를 이용하여 패터닝을 진행하고, 그림 2-22와 같이 에미터와 BSF가 단차가 형성되어 있는 것이

특징이다. 이와 같은 방법으로 셀면적 400mm²의 IBC 태양전지를 제작하여 23.1%의 효율을 달성하였다. [62] 또한, Leibniz Universität Hannover와 공동으로 그림 2-22와 같은 IBC 태양전지를 제작하였는데, 후면 보호막으 로 SiOx층을 사용하여 셀면적 3.96cm²로 24.1%의 효율을 달성하였다.

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그림 2-22. RISE process를 이용한 IBC 태양전지 단면도 [64]

그림 2-23. RISE process 순서도 [64]

업체 혹은 기관 공정 특이사항 효율 Ref.

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