LPCVD在TOPCon電池中的應(yīng)用

晶硅太陽(yáng)電池的兩個(gè)發(fā)展方向分別是降低成本和提升效率。光伏行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，繼續(xù)降低成本十分困難，但提升效率仍有較大空間。復(fù)合損失是影響電池效率的關(guān)鍵因素。對(duì)于鋁背場(chǎng)（Al－BSF）傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)和主流的PERC電池來(lái)說(shuō)，電池背面金屬／半導(dǎo)體界面缺陷密度較高，界面復(fù)合是造成效率損失的重要原因。為了降低界面復(fù)合損失，接觸面積需要進(jìn)一步減少。然而，接觸面積占總電池面積的比例有一個(gè)下限，否則會(huì)造成接觸電阻過(guò)大，導(dǎo)致填充因子（FF）降低，電池轉(zhuǎn)換效率下降。另一個(gè)方式則是利用結(jié)對(duì)載流子的選擇通過(guò)特性（有效提高一種載流子的輸運(yùn)，同時(shí)阻礙另一種載流子的通過(guò)），可大幅減少金屬／半導(dǎo)體界面的復(fù)合。

這種鈍化接觸在兩個(gè)方面上優(yōu)異于其他傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)（1）金屬／半導(dǎo)體界面的復(fù)合通過(guò)晶硅和金屬接觸之間的鈍化層而減少；（2）多子可以由隧穿效應(yīng)移動(dòng)到金屬接觸，但少子因?yàn)檩d流子選擇性不能從晶硅移動(dòng)到金屬接觸。這種鈍化接觸可用本征非晶硅或者超薄氧化硅作為鈍化層。基于非晶硅的鈍化接觸便是異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)或者HIT；基于SiO2的鈍化接觸和多晶硅的疊加結(jié)構(gòu)便是TOPCon技術(shù)。因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)目前工藝過(guò)程中有溫度限制，所以poly－Si／SiOx代替了非晶硅吸引到了眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。

1．TOPCon鈍化結(jié)構(gòu)

圖1．TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來(lái)源/北方華創(chuàng)提供，下同）

TOPCon電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，電池襯底為N型硅，正面摻雜硼形成p＋發(fā)射極，在背面制備一層超薄氧化硅，然后再淀積一層摻雜多晶硅薄層，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。能夠有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合，并與金屬電極形成歐姆接觸，相對(duì)于PERC電池，轉(zhuǎn)換效率有較大提升空間。

1．1隧穿氧化層分析

隧穿氧化層是一層厚度1～2nm的SiOx。通常SiOx作為絕緣層出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件中，但由于SiOx介電層非常薄，不會(huì)阻礙多子的傳輸?shù)珪?huì)阻礙少子達(dá)到界面。多子通過(guò)隧穿原理實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)，少子則由于重?fù)诫sPoly－Si和Si之間的勢(shì)壘難以通過(guò)該氧化層，因此可以顯著降低界面復(fù)合，隧穿效應(yīng)如圖2所示。鈍化接觸結(jié)構(gòu)中SiOx通過(guò)化學(xué)鈍化降低Si基底與Poly之間的界面態(tài)密度，減少界面缺陷復(fù)合?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)合電流密度J0＜10fA／cm2，開(kāi)路電壓接近甚至超過(guò)700mV。

圖2．隧穿效應(yīng)示意圖

因?yàn)镾iOx非常薄，在制備過(guò)程中非常容易生成針孔。載流子通過(guò)SiOx輸運(yùn)是量子隧穿效應(yīng)，但通過(guò)針孔可以直接穿過(guò)。針孔的數(shù)量和SiOx的厚度對(duì)最終的效率都有直接的影響。載流子通過(guò)針孔輸運(yùn)時(shí)，Rs下降，F(xiàn)F升高，效率隨著針孔數(shù)量的變化可達(dá)到一個(gè)最高值。但在高密度針孔區(qū)域進(jìn)一步增強(qiáng)針孔輸運(yùn)，所有的性能參數(shù)（Voc，Jsc，F(xiàn)F）開(kāi)始下降，導(dǎo)致效率降低。這個(gè)現(xiàn)象可以這樣解釋在純隧穿的條件下，非線性的J－V特性顯示出高的衍生電阻，因此會(huì)導(dǎo)致FF的降低。當(dāng)有針孔時(shí)，載流子也可以通過(guò)直接穿過(guò)SiOx，這可以降低Rs，因此會(huì)提高FF和效率直到達(dá)到最大值。然而，進(jìn)一步提高針孔輸運(yùn)將會(huì)增加載流子的一個(gè)分流路徑，減小結(jié)的勢(shì)壘高度，降低Voc。針孔數(shù)量增加也會(huì)降低鈍化性能，提高表面復(fù)合，降低電池性能。因此在超薄氧化硅鈍化層中一定合適數(shù)量的針孔對(duì)于足夠厚的SiOx（例如1．5nm）是必須的，這對(duì)于提高FF很有必要。實(shí)際太陽(yáng)電池中如果Voc很低，表明輸運(yùn)通道可能有太多針孔，這會(huì)導(dǎo)致鈍化性能很差。所以，選擇SiOx厚度和控制針孔密度是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1．2摻雜多晶硅層分析

重?fù)诫s多晶硅層對(duì)電池的鈍化性能至關(guān)重要。首先，Poly層對(duì)超薄氧化層起保護(hù)作用，避免其遭到破壞。其次，對(duì)Poly層進(jìn)行重?fù)诫s形成高低結(jié)（n／n＋－Si），能夠有效降低載流子在背面的復(fù)合速率，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率。重?fù)诫s多晶硅工藝的參數(shù)對(duì)鈍化性能十分關(guān)鍵，過(guò)高的擴(kuò)散溫度或者退火溫度會(huì)使內(nèi)擴(kuò)散嚴(yán)重造成iVoc衰減，并且Poly層膜厚的降低也會(huì)導(dǎo)致磷原子內(nèi)擴(kuò)散到晶體硅中，降低iVoc。摻雜濃度對(duì)鈍化性能有較大影響，雜質(zhì)濃度較低范圍內(nèi)，鈍化性能隨著摻雜濃度升高而升高，但到峰值后開(kāi)始隨著摻雜濃度升高鈍化性能急速下降。這反應(yīng)了iVoc隨著摻雜濃度的提高而下降是因?yàn)榱自酉蚓w硅內(nèi)擴(kuò)散隨著摻雜濃度的提高而提高，另一方面是由于磷原子在層中的擴(kuò)散濃度高于固溶度而造成死層。隧穿電流是輸運(yùn)系數(shù)的函數(shù)，這由Si／SiOx之間的勢(shì)壘高度決定，SiOx層界面的載流子濃度會(huì)決定勢(shì)壘高度。所以，可以得出結(jié)論當(dāng)poly層中摻雜濃度改變會(huì)導(dǎo)致隧穿電流改變。

2 ．TOPCon工藝重點(diǎn)

TOPCon技術(shù)與n－PERT雙面電池產(chǎn)線相兼容，可以通過(guò)對(duì)n－PERT雙面電池產(chǎn)線簡(jiǎn)單的改造實(shí)現(xiàn)N型單晶雙面TOPCon電池的規(guī)?；a(chǎn)。隧穿氧化層可通過(guò)熱氧法得到，降低氧氣分壓后，氧化速率緩慢，可得到厚度和均勻性可控的氧化硅膜層。poly層可通過(guò)高溫下硅烷的熱分解實(shí)現(xiàn)。

LPCVD設(shè)備可一站式完成隧穿氧化層和poly層的制備。熱氧和淀積poly層兩個(gè)工藝二合一能夠大幅提高產(chǎn)能，降低設(shè)備成本，相對(duì)于其他設(shè)備有較大優(yōu)勢(shì)。熱氧工藝完成后在低壓狀態(tài)下進(jìn)行淀積poly層，除節(jié)約時(shí)間外，更重要的是能夠?qū)Τ⊙趸鑼悠鸬奖Ｗo(hù)作用，一方面使氧化層不會(huì)在出舟過(guò)程中被進(jìn)一步氧化，失去隧穿效應(yīng)；另一方面氧化層也不會(huì)在空氣中被污染。

Poly層中摻雜磷有兩種方式，分別是原位摻雜和非原位摻雜。原位摻雜是在淀積poly過(guò)程中直接摻雜。非原位摻雜是淀積poly層完成后，再進(jìn)行摻雜。可選用兩種方式，一是離子注入加退火，二是磷擴(kuò)散。離子注入工藝單面性較好，但是設(shè)備昂貴，產(chǎn)能低，大規(guī)模量產(chǎn)設(shè)備成本較高。磷擴(kuò)工藝單面性稍差，但可以通過(guò)工藝設(shè)計(jì)可以解決這個(gè)問(wèn)題，并且磷擴(kuò)散設(shè)備在光伏市場(chǎng)上已經(jīng)十分成熟，價(jià)格較低，工藝也非常穩(wěn)定。綜合考慮，在TOPCon電池量產(chǎn)中，LPCVD完成隧穿氧化層和Poly層的制備，再進(jìn)行磷擴(kuò)散是性?xún)r(jià)比最優(yōu)選擇。

3．LPCVD設(shè)備優(yōu)勢(shì)

圖3北方華創(chuàng)LPCVD設(shè)備

我們采用北方華創(chuàng)HORIS L8574A系列LPCVD設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備是針對(duì)TOPCon電池研發(fā)的臥式LPCVD，能夠完成TOPCon電池背面隧穿氧化層和Poly層的制備，具有以下優(yōu)勢(shì)第一、產(chǎn)能大。該機(jī)型為量產(chǎn)型LPCVD，每臺(tái)設(shè)備5根爐管，單管1200／1600片兩種可選；第二、工藝效果優(yōu)異，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)下文

圖4poly膜厚160nm整舟和不同溫區(qū)硅片鍍膜情況（在帶有氧化層法的硅襯底上淀積poly，通過(guò)顏色反映膜厚均勻性）

圖5淀積poly后SEM截面照片

表1 1600片LPCVD 淀積poly層膜厚結(jié)果

由圖4可以看出，整舟硅片淀積poly后顏色一致，六個(gè)溫區(qū)各取一片測(cè)試，外觀顏色基本無(wú)差別，可初步判斷poly層膜厚均勻性良好。采用SEM觀察淀積poly層后的硅片截面，如圖5所示，可以清晰分辨出由氧化層隔開(kāi)的poly層。使用橢偏儀對(duì)poly層厚度進(jìn)行精確測(cè)量，膜厚和均勻性見(jiàn)表1，膜厚均值158．8nm，片內(nèi)均勻性＜2％，片間均勻性＜4％，該工藝已實(shí)現(xiàn)TOPCon電池產(chǎn)線穩(wěn)定量產(chǎn)。

總結(jié)

本文分析了TOPCon電池的核心鈍化接觸結(jié)構(gòu)，隧穿氧化層和重?fù)诫spoly疊層結(jié)構(gòu)能夠取得卓越的鈍化效果。LPCVD設(shè)備可完美實(shí)現(xiàn)二合一工藝，很好地滿(mǎn)足產(chǎn)線需求。隨著設(shè)備和技術(shù)路線的日益成熟，TOPCon電池成為了近期光伏行業(yè)的發(fā)展潮流。設(shè)備供應(yīng)商還應(yīng)繼續(xù)提高設(shè)備性能和產(chǎn)能，才能更有效地促進(jìn)光伏行業(yè)的發(fā)展。

（本文作者/北方華創(chuàng)鄧凌霄）