단-결정 PERC 모듈은 붕소-산소(B-O) 복합 결함으로 인해 일반적인 첫{1}}년 3% 성능 저하(평균 1.92% 측정)를 경험하여 수명 주기 동안 상당한 발전 손실을 초래합니다.
인- 도핑된 웨이퍼를 활용하는 N-타입 TOPCon은 BO-LID 메커니즘을 피하여 첫-년 성능 저하를 달성합니다.<1% (outdoor demonstration only 0.51%).
Yinchuan 시연 데이터에 따르면 등가 조사 하에서 TOPCon 모듈은 6000시간 후 PERC 모듈의 37% 미만을 저하시킵니다.
TOPCon의 터널 산화막과 폴리-실리콘 패시베이션 구조는 표면 재결합을 동시에 억제하며,그 결과 실험실 조명으로 인해{0}}최저 0.26%의 저하율이 발생합니다..
24%-26% 변환 효율성 이점과 결합된 낮은 성능 저하로 TOPCon은 다음을 달성할 수 있습니다.초기 비용 프리미엄을 커버하는 3~5년 전력 이득대규모 발전소에서는-고효율 모듈 선택 로직을 재구성합니다.-
원인
붕소-산소 복합체의 형성 및 활성화
LID의 핵심 메커니즘은 조명 하에서 붕소{0}}산소 복합체(B-O)가 형성되는 것입니다. 붕소로 도핑된 P-형 웨이퍼에서 붕소 원자는 격자간 산소와 결합하여 불안정한 B-O 결함을 형성합니다.
· 형성조건: Under illumination intensity >1mW/cm²이면 붕소-산소 복합체가 활성 상태(상태 B)로 전환되어 소수 캐리어 수명이 1000μs에서 500μs 미만으로 떨어집니다.
· 온도 영향: 온도가 10도 상승할 때마다 B-O 복합체 형성 속도는 2~3배 증가합니다. 예를 들어, 75도에서 PERC 모듈의 LID 저하율은 25도에서보다 4.7배입니다.
· 산소 함량 차이: 석영 도가니를 사용하여 성장한 단-결정 실리콘은 산소 함량이 10-14ppma로 높은 반면, 주조에서 나온 다{6}}결정 실리콘은 1-2ppma에 불과합니다. 이로 인해 다중 Si에 비해 단일 Si에서 LID 성능 저하가 2~3배 더 높아집니다.
LID에 대한 공정 매개변수 증폭 효과
세포 제조 공정은 B-복합체의 활동에 직접적인 영향을 미칩니다.
·소결온도: When sintering peak temperature >850도에서는 패시베이션층의 수소가 실리콘 기판으로 확산되어 붕소와 결합하여 가역적 결함을 형성합니다. 실험에 따르면 소결 온도가 50도 증가할 때마다 LeTID 분해율이 0.8% 증가하는 것으로 나타났습니다.
·금속 오염: 철(Fe) 불순물은 붕소와 결합하여 Fe-B 쌍을 형성하고, 이는 조명 하에서 Feⁱ 및 Bⁱ⁰로 분해되어 추가 재결합 센터를 생성합니다.. 1ppm 철 오염은 LID 열화를 0.5% 증가시킬 수 있습니다.
·불충분한 수소 부동태화: 보호층(예: AlOx/SiNx)의 수소 함량이<1×10¹⁹ atoms/cm³, it cannot effectively passivate B-O defects. TOPCon requires 40% less hydrogen due to the absence of boron doping, improving defect regeneration efficiency.
세포 구조와 LID 감도 사이의 상관관계
다양한 세포 구조는 LID 반응에서 상당한 차이를 보여줍니다.
·PERC 셀: 후면 패시베이션층은 장-파장 광 흡수를 증가시켜 캐리어 농도를 높이고 B-복합체 활성을 향상시킵니다. 측정 결과 PERC LID 열화는 기존 알루미늄 후면 전계(Al{4}}BSF) 셀보다 1.8배나 높은 것으로 나타났습니다.
·TOPCon 셀: 터널산화층(SiOx) 두께를 1.5nm로 조절하면 표면 재결합 속도는<0.5 cm/s, suppressing defect activation. Lab data indicates TOPCon's LID degradation rate is 82% lower than PERC.
·이종접합(HJT) 세포: 비정질 실리콘 패시베이션 층은 추가적인 결함을 유발하지만, 인터페이스 상태의 90%는 수소 어닐링을 통해 복구될 수 있어 LID 저하를 0.3% 미만으로 유지할 수 있습니다.
환경요인과 LID의 동적반응
LID를 가속화하는 실외 환경의 메커니즘:
·UV 방사선: Ultraviolet light (280-320nm) induces oxygen vacancy generation, which combines with boron to form complexes. Zhangbei demonstration data shows, in regions with annual UV irradiation >2000kWh/m², PERC 모듈은 추가로 0.7% LID를 경험합니다.
·고온 및 습도: 85도/85%RH 조건에서 수분 침투로 인해 붕소-산소 복합체가 가수분해되어 이동성 이온이 생성되고 재결합 중심 확산이 촉진됩니다. 습열 테스트(1000시간)로 인해 PERC 모듈 LID 성능이 1.2% 저하되었습니다.
·기계적 응력: 모듈 캡슐화 스트레스로 인해 웨이퍼에 미세-균열이 발생합니다. 균열 끝 부분의 산소 농도 구배는 국부적인 B-O 복합체 형성을 유발합니다. 열 사이클링(-40도 ~85도) 테스트 동안 균열이 발생한 모듈은 손상되지 않은 모듈보다 LID 성능 저하가 0.9% 더 높았습니다.
데이터-기반 LID 예측 모델
물리학-기반 LID 예측에는 다차원 매개변수 통합이-필요합니다.
·주요 변수: 붕소 농도(B), 산소 농도(O), 유효 캐리어 농도(Δn), 온도(T).
·실험식: LID 열화율(%)=0.003×B×O×exp(-Ea/(kT)), 여기서 Ea=0.85eV(붕소-산소 재결합의 활성화 에너지), k는 볼츠만 상수입니다.
·측정 검증: 1000개의 PERC 셀에 대한 통계는 수식 예측 오류를 나타냅니다.<±0.2%, can guide wafer doping process optimization.
분해율 비교
실험실 조명-유도 저하 테스트 조건 및 데이터
표준화된 LID 실험실 테스트 절차:
·조명량: 5kWh/m²(AM1.5G 스펙트럼, 1000W/m² 강도)
·온도 조절: 25도 항온
·테스트 기간: 100시간 연속조명
기술 개선
붕소 도핑 대안
근본 문제: P-유형 PERC 셀은 붕소-산소 복합체(BO-LID)로 인해 첫-년 성능이 최대 3%(실험실 데이터) 저하됩니다.
솔루션:
·갈륨(Ga) 도핑: BO-LID 반응 경로를 피하면서 붕소를 도펀트인 갈륨으로 대체합니다. 갈륨의 분리 계수(0.35)는 붕소(0.8)보다 낮으므로 열장 분포 조정이 필요합니다.
o 결정성장 온도 : 1450도 → 1520도 (Ga 휘발 감소)
o 방사형 온도 구배:<5°C/cm (improves crystal quality)
o 측정 효과: LID 저하가 3%에서 0.7%로 감소했지만 저항률 변동은 ±12%입니다.
·인듐(In) 공동-도핑: 붕소-인듐 공동-도핑(B: In=10:1)은 산소 용해도를 더욱 감소시킵니다.
o 산소 함량: 10ppma → 5ppma
o 소수 캐리어 수명: 500μs → 800μs
o 비용 증가: 웨이퍼 가격이 $0.005/W 증가했습니다.
어닐링 공정:
·저온-온도 어닐링(LTA):
o 온도 : 200도 → 300도
o 시간 : 10분 → 30분
o 효과: 수소 부동태화를 활성화하고 붕소-산소 결함을 복구합니다.
o 데이터: PERC 셀 LID 저하가 0.5% 감소했습니다.
패시베이션 레이어 업그레이드
표면 패시베이션 기술:
·AlOx/SiNx 스택:
o 두께 조절: AlOx 3nm + SiNx 80nm
o 표면 재결합 속도:<10 cm/s (conventional PERC 20 cm/s)
o Lab data: Minority carrier lifetime increased to >1500μs.
후면 패시베이션 최적화:
·SiNx 두께 조정:
o 기존: 120nm → 최적화: 150nm
o 효과: 후방으로의 붕소 확산 감소, LeTID 억제
o 결과: LeTID 저하가 1.17%에서 0.3%로 감소했습니다.
변환 효율성
양산효율 25.4% 달성(썬파워 맥세온 7),실험실 기록 26.8%, 접근28.7% 이론상 한계;
PERC는 정체 상태23.5%. TOPCon의 온도 계수는 다음과 같습니다.-0.29%/도, 양면성85%+에너지 생산량 증가20%, 분해율<0.4% per year, 30년 파워 유지87%.
이론적 한계
단결정 PERC의 물리적 경계
P-형 웨이퍼를 기반으로 한 단{0}}결정 PERC 셀의 이론적인 효율성 한계는 24.5%입니다(Shockley-Queisser 한계).
이 값은 실리콘의 밴드갭(1.1eV)과 태양광 스펙트럼 일치에 의해 결정됩니다.
대량 생산에서 붕소 도핑은 붕소-산소 복합체(B-O)로 이어져 광-유도 열화(LID)를 유발하며 첫-년 효율성 손실은 2~3%입니다.
