TOPCon太阳电池中多晶硅层磷掺杂工艺的优化及其对电性能的影响

钱金忠，左克祥，王 安，杜东亚，凡金星，高纪凡*

(1.国家能源集团常州发电有限公司，常州213031；2.常州天合智慧能源工程有限公司，常州 213031；3.天合光能股份有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，常州 213031)

0 引言

德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)的Frank Feldman博士于2013年在第28届欧洲能源及太阳能光伏展览会(EU-PVSEC)上首次提到了隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池的概念，经过数年的发展，目前TOPCon技术被广泛认为是继PERC技术之后最有可能实现大规模量产的太阳电池技术[1-2]。

PERC太阳电池的工艺路线具有较高的成熟度，大部分情况下，现有的TOPCon太阳电池工艺路线都能与PERC太阳电池的重合，仅需要增加少量的工序即可完成高光电转换效率的TOPCon太阳电池的制备[3]。PERC太阳电池和TOPCon太阳电池的工艺路线对比如图1所示。图中：BSG为硼硅玻璃；PSG为磷硅玻璃；LPCVD为低压化学气相沉积。

图1 PERC太阳电池和TOPCon太阳电池的工艺路线对比Fig.1 Comparison of process routes between PERC solar cells and TOPCon solar cells

TOPCon太阳电池的结构主要是基于钝化和载流子选择性接触的概念形成，该结构的特点是使用一层超薄隧穿氧化硅层与掺杂磷元素的多晶硅薄膜作为太阳电池的背面。其中，隧穿氧化层的厚度一般为1～2 nm，其存在可以有效降低界面态密度，而在其外部的一层薄的高掺杂浓度多晶硅层可形成场钝化效应，对硅片背面起到较好的钝化效果。LPCVD法是制备TOPCon太阳电池多晶硅层比较主流的工艺路线[4-5]。

隧穿氧化层的存在可以使电子隧穿进入到多晶硅层中，有效阻止电子和空穴的复合，提升太阳电池的开路电压和短路电流[6]。实验室制备的TOPCon太阳电池实现了高达725 mV的开路电压和24.5%的光电转换效率，证明了此类太阳电池技术路线的可行性[7-8]。TOPCon太阳电池的结构图如图2所示。

图2 TOPCon太阳电池的结构图Fig.2 Structure diagram of TOPCon solar cells

隧穿氧化层的制备和掺杂多晶硅层的沉积是TOPCon太阳电池当前工艺路线中两个非常关键的步骤。当制备较高掺杂浓度的多晶硅层时，更容易出现磷原子穿透隧穿氧化层的情况，对氧化层的结构造成破坏，影响载流子的选择能力，且会增加寄生吸收；而当制备较低掺杂浓度的多晶硅层时，所形成的多晶硅层的场钝化效果较差。如何在保证场钝化效果的基础上，减少掺杂过程中磷原子穿透氧化层的情况，是TOPCon太阳电池光电转换效率进一步提升过程中需要解决的问题[9-10]。

为了保证TOPCon太阳电池具有较高的开路电压和较低的串联电阻，需要对多晶硅层的掺杂工艺进行研究[11-12]。基于此，本文针对TOPCon太阳电池的多晶硅层的磷掺杂量、推进温度及推进时间对多晶硅层、硅衬底中磷掺杂特性及电性能参数的影响进行研究。

1 实验

实验所采用的硅片为n型直拉单晶硅(CZ-Si)，尺寸为210 mm×210 mm，电阻率为0.3～2.1 Ω•cm，厚度为170～180 µm。

TOPCon太阳电池的制备流程为：

1)通过碱制绒工艺在硅片表面制备出随机的金字塔结构。

2)通过扩散方式在硅片正面制备出方阻为110 Ω/□的硼发射极，利用LPCVD法在硅片背面制备氧化硅及多晶硅。

3)通过磷扩散的方式对多晶硅进行重掺杂及高温晶化，在硅片正面沉积一层氧化铝，以保证钝化效果；在硅片正面及背面制备减反射膜，以增强减反射及钝化效果。

4)进行正面电极和背面电极的制备。

本文主要研究磷扩散对多晶硅层及硅衬底掺杂情况的影响，通过实验分析不同磷掺杂量、推进温度及推进时间对电化学微分电容电压(ECV)曲线及太阳电池电性能参数的影响，然后根据分析结果优选出最适合的磷掺杂参数。

采用德国WEP公司生产的型号为CVP21的扩散浓度分布测试仪测试磷扩散后的磷浓度分布曲线；使用Halm脉冲太阳模拟器在25 ℃环境温度、AM1.5大气质量和1000 W/m2太阳辐照度下测量TOPCon太阳电池的I-V特性。

2 结果与讨论

2.1 磷掺杂量对磷掺杂特性及TOPCon太阳电池电性能的影响

在TOPCon太阳电池的结构设计中，为了提升太阳电池的光电转换效率，需要提升金属接触区域的欧姆接触，因此会尽量增加掺杂区域的浓度。但在掺杂浓度提升的同时，重掺杂区域会出现自由载流子吸收的情况，这种寄生吸收会对光生电流有负面影响，因此需要验证不同掺杂浓度对太阳电池电性能的影响。

在隧穿氧化层及多晶硅层厚度分别设定为1.50、130.0 nm的条件下，保证推进温度及推进时间不变，研究不同的磷掺杂量对磷掺杂特性及TOPCon太阳电池电性能的影响。当通源量为1400 sccm时，通源时间分别设定为15、25、35 min。不同通源时间时的掺杂浓度曲线如图3所示。

图3 不同通源时间时的掺杂浓度曲线Fig.3 Doping concentration curves at different doping times

从图3可以看出：通源时间越长，掺杂量越大，多晶硅层中的磷掺杂浓度越高；同时，由于隧穿氧化层会影响磷原子向硅衬底中扩散，因此在poly-Si/SiO2界面的掺杂浓度会呈现急剧下降的趋势，且随着通源时间的进一步提升，磷在硅衬底中的浓度也相应提高。

不同通源时间时制备的TOPCon太阳电池的电性能参数如图4所示。

图4 不同通源时间下制备的TOPCon太阳电池的电性能参数Fig.4 Electrical performance parameters of TOPCon solar cells prepared at different doping times

从图4可以看出：当通源时间为15 min时，TOPCon太阳电池的光电转换效率为24.29%；当通源时间为25 min时，TOPCon太阳电池的光电转换效率达到最大值，为24.38%；当通源时间为35 min时，TOPCon太阳电池的光电转换效率下降至24.33%。由此可知，随着掺杂浓度的提升，太阳电池的光电转换效率呈先增加后下降的趋势。当通源时间为25 min时，太阳电池的光电转换效率最高，且此时的开路电压也最高，达到了0.7178 V，这是因为此时硅衬底中掺杂的磷的浓度可保证较好的钝化效果，欧姆接触较好，且寄生吸收相对较小。随着掺杂浓度提高，填充因子有一定的提升，但当掺杂浓度过大时，太阳电池的开路电压及短路电流呈下降趋势。

相较于通源时间为15、25 min时的情况，通源时间为35 min时，硅衬底中的磷原子浓度呈上升趋势，太阳电池的欧姆接触变好，填充因子得到提升，所以，通源时间为35 min时太阳电池的填充因子最高。当掺杂浓度较低时，背面浆料接触会受到影响，填充因子相对较低，但当进入硅衬底中的磷原子过多时，会影响到体区的俄歇复合，进而影响钝化效果。因此，通源时间为35 min时太阳电池的开路电压较低，且此时的寄生吸收最严重，短路电流也最低。

2.2 推进温度对磷掺杂特性及TOPCon太阳电池电性能的影响

在隧穿氧化层及多晶硅层的厚度分别设定为1.5、130.0 nm的条件下，保证通源条件(通源量为1400 sccm、通源时间为25 min)及推进时间不变，研究不同推进温度对磷掺杂特性的影响。推进温度分别设置为 860、880、900 ℃，不同推进温度时磷的掺杂浓度曲线如图5所示。

图5 不同推进温度时的磷掺杂浓度曲线Fig.5 Phosphorus doping concentration curves at different propulsion temperatures

从图5可以看出：随着推进温度的升高，多晶硅层中磷的掺杂浓度基本不变，而磷在硅衬底中的掺杂浓度呈逐渐上升趋势；在不同推进温度条件下，由于隧穿氧化层的存在，其会阻止磷原子进入到硅衬底中，所以在多晶硅层中磷的掺杂浓度基本保持不变；而推进温度升高后，磷原子会更容易穿透氧化层，进入到硅衬底中的磷原子会变多。

当推进温度较低时，容易出现多晶硅层晶化不完全的情况，钝化效果较差；但当推进温度过高时，会导致更多的磷原子进入到硅衬底中，增加载流子的复合，导致钝化效果变差，也容易出现隧穿氧化层被破坏的情况，这对载流子的收集及钝化效果均会造成影响。

不同推进温度下制备的TOPCon太阳电池的光电转换效率如图6所示。

图6 不同推进温度下制备的TOPCon太阳电池的光电转换效率Fig.6 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion temperatures

从图6可以看出：当推进温度为880 ℃时，TOPCon太阳电池的光电转换效率达到了最高值，为24.40%；当推进温度为900 ℃时，进入到硅衬底中的磷原子量最大，也意味着此时硅衬底中的磷浓度最高，这样会降低钝化效果及增强寄生吸收，影响光电转换效率。因此，选择合适的推进温度尤为重要，需要在保证整体掺杂量的基础上将其控制在一定范围内。

2.3 推进时间对磷掺杂特性及TOPCon太阳电池电性能的影响

在隧穿氧化层及多晶硅层的厚度分别设定为1.5和130.0 nm的条件下，保证通源条件(通源量为1400 sccm、通源时间为25 min)及推进温度不变，研究不同推进时间对磷掺杂特征的影响，推进时间分别设置为20、30及40 min。不同推进时间下磷的掺杂浓度曲线如图7所示。

图7 不同推进时间下的磷掺杂浓度曲线Fig.7 Phosphorus doping concentration curve under different propulsion times

从图7可以看出：随着推进时间的增加，多晶硅层中磷掺杂浓度基本不变，而磷在硅衬底中的掺杂浓度呈逐渐上升趋势，这与增加推进温度时磷的掺杂浓度的变化趋势基本一致。增加推进时间或增加推进温度基本可以得到相同的磷掺杂浓度曲线。此外，不同推进时间会对非晶硅的晶化率造成影响，当推进时间较短时，会导致钝化效果较差，此时磷元素未被完全激活，场钝化效应较弱；而当推进时间过长时，在硅衬底中的磷元素会变得过多，从而加剧复合，影响钝化效果。

不同推进时间下制备的TOPCon太阳电池的光电转换效率如图8所示。

图8 不同推进时间下制备的TOPCon太阳电池的光电转换效率Fig.8 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion times

从图8可以看出：当推进时间为30 min时，TOPCon太阳电池的光电转换效率达到了最高值，为24.48%；当推进时间为40 min时，TOPCon太阳电池的光电转换效率仅为24.43%，说明推进时间过长会影响太阳电池的光电转换效率。

综合以上分析，多晶硅层中磷的掺杂浓度不仅取决于通源时间的变化，还会受到推进温度及推进时间的影响，对掺杂曲线的合理优化，既可以保证隧穿氧化层对载流子的选择能力不会受到影响，同时也可以保证掺杂多晶硅层的钝化效果。

3 结论

本文针对TOPCon太阳电池多晶硅层的磷掺杂量、推进温度及推进时间对多晶硅层、硅衬底中磷掺杂特性及电性能参数的影响进行了研究。研究结果显示：在隧穿氧化层及多晶硅层厚度分别设定为1.5和130.0 nm的条件下，通源流量为1400 sccm、通源时间为25 min、推进温度为880℃、推进时间为30 min为最适合的磷掺杂参数，既保证了钝化效果，也保证了欧姆接触和寄生吸收在合理的区间，TOPCon太阳电池的光电转换效率达到了最大值，为24.48%。