LPCVD法制备多晶硅薄膜分析

摘要：研究了低压化学气相沉积法（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD）制备TOPCon电池用多晶硅层的原理及优劣。TOPCon电池是一种高效率、低成本、适用于规模化生产的n型电池，其背面钝化层采用了隧穿氧化层与n型多晶硅层的叠层结构。LPCVD法作为制备TOPCon电池背面多晶硅层的一种重要方法，工艺原理简单，成膜速率快，市场应用广；方法存在绕镀问题，需要复杂的绕镀清洗工艺；用到的石英件耗材更换频繁，价格昂贵，增加了电池成本。综合计算成本结果为，LP法相对于PECVD法，电池单瓦成本略低0.01元/W；LPCVD法相对于PVD法，电池单瓦成本略高0.003元/W。

关键词：TOPCon电池多晶硅层单瓦成本绕镀

中图分类号：TM91

AnalysisofPolycrystallineSiliconThinFilmsPreparedbyLPCVDMethod

MAHongnaZHAIJinye*SHIJinchao ZHAOXuelingLANGFang

WANGZiqianWUMengmengLIUYing

YingliEnergyDevelopmentCo.，Ltd.，Baoding，HebeiProvince，071000China

Abstract：TheprincipleandadvantagesanddisadvantagesofpreparingpolycrystallinesiliconlayersforTOPConbatteriesbyusingLowPressureChemicalVaporDeposition（LPCVD）arestudiedinthisarticle.TOPConbatteryisann-typebatterywithhighefficiency，lowcost，andsuitableforlarge-scaleproduction.ItsbackpassivationlayeradopteddopedpolycrystallinesiliconfilmsonSiOxstacks.AsanimportantmethodforpreparingthepolycrystallinesiliconlayeronthebackofTOPConbattery，theLPCVDmethodhasasimpleprocessprinciples，fastfilm-formationrate，andwidemarketapplications;Formethods，thereisaproblemofwindingplatingandrequiresacomplexwindingplatingcleaningprocess;Thequartzconsumablesusedareexpensiveandfrequentlyreplaced，whichincreasedthecostofthebattery.Thecomprehensivecostcalculationresult：TheLPmethodhasaslightlylowercostof0.01￥/wcomparedtothePECVDmethod;LPCVDmethodhasaslightlyhighercostof0.003￥/wcomparedtothePVDmethod.

KeyWords：TOPConbattery;Polycrystallinesiliconlayer;Costperwatt;Windingplating

2013年，德国Fraunhofer太阳能研究所首次提出TOPCon电池的概念[1]，该技术的关键为背面隧穿氧化硅层和掺杂多晶硅层。首先在n型硅片的背面制备一层超薄的氧化硅层，然后制备掺杂多晶硅层，两者共同构成了隧穿钝化结构。超薄氧化层能带结构可以使电子隧穿而少子空穴被阻挡，使电子空穴分离，降低了复合；掺杂多晶硅能够提供背面场钝化，并实现了无须开孔的金属电极接触结构[2-6]，能有效提升电池的Voc和FF。

TOPCon电池的关键为隧穿氧化硅层和掺杂多晶硅层的制备。主流方法为低压化学气相沉积（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD，后简称LP）法、等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD，后简称PE）法和物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，PVD）法。本文主要对LP沉积多晶硅层的方法进行分析。

1分析过程

1.1TOPCon电池工艺流程

根据隧穿氧化层+掺杂多晶硅层的制备方法，主流的TOPCon电池工艺流程有3种。（1）LP法，多晶硅层为非晶硅和多晶硅的混合结构，其中多晶硅结构占比90%以上，之后的高温过程可以将非晶硅进一步晶化，提升晶化率，同时对多晶硅层进行掺杂，该种方式已在行业里规模化应用。（2）PE法，多晶硅层为非晶硅和多晶硅的混合结构，其中多晶硅结构占比在80%左右，之后的退火过程有两个作用，一是继续对非晶硅进一步晶化，提升晶化率；二是激活上一步的磷原子，得到掺杂多晶硅结构。（3）PE法，退火与PE法作用类似。由于这三种方式的制备差异，后续需要的清洗过程也存在一定区别。

1.2LP法制备多晶硅过程

LP法制备多晶硅膜过程一般为以下几步：（1）硅烷分子被输运到沉积区；（2）硅烷分子扩散到衬底表面；（3）硅烷分子在衬底表面吸附；（4）吸附的硅烷分子之间或硅烷分子和气相分子间进行化学反应，生成硅原子及其副产物，Si原子沿表面进行迁移，结合到晶体点阵内部；（5）反应产生的副产物从表面解析；（6）反应副产物由表面外扩散进入主气流并排出[7]。

LP法在低压环境下进行，气体分子的平均自由程和扩散系数很大，能够得到较快的气态反应物及副产物的质量传输速度。LP法制备多晶硅薄膜的反应温度一般在580～650℃之间。这种适中的温度条件使硅烷能够高效地被吸附在衬底上，并分解生成硅。从制备过程及分析可以看出，LP法制备多晶硅薄膜制程简单，成膜速率10nm/min左右。

1.3生产中遇到的问题

1.3.1绕镀问题

LP法制备膜层时，承载硅片的载具石英舟，一般采用硅片单槽双插的方式，即硅片在同一个槽内背靠背放置。在高温下，硅片会发生轻微变形；工艺过程中通入的反应气体，也会使背靠背放置在一起的两片硅片的相对位置受到影响。在高温及气流的共同作用下，同一个槽内的两片硅片间产生缝隙，容易发生绕镀，如图1所示。绕镀范围大小受沉积时同一槽内两片硅片间缝隙大小影响，不可控，后续需要复杂的绕镀清洗工艺，会增加工艺难度与生产成本。

1.3.2耗材问题

LP设备用到了各种石英件，主要为石英管、石英舟和石英舟托。不同区域的温度变化速度不同，会导致石英件的热膨胀和热收缩不均匀，可能引起石英件的破裂或开裂；随着工艺循环次数增加，石英件表面沉积的多晶硅越来越厚，当石英管内壁沉积的多晶硅厚度变厚时，会降低石英管内的温控精度，从而影响工艺的稳定性；因此石英件需要定期更换来保证工艺的正常运行。

由于LP反应温度一般在580～650℃之间进行，石英件需具有良好的高温耐受性以确保在长时间高温工作下不发生变形或损坏。严苛的要求导致市面上高纯石英件价格高。

1.3.3成本测算

LP法制备氧化硅层+多晶硅层，需要复杂的绕镀清洗设备及绕镀清洗工艺；石英件价格高，且需要定期更换，这都会造成电池成本的增加。行业里也在通过各种途径进行降本，比如研发新型的绕镀清洗添加剂，降低绕镀清洗难度与复杂性；在石英件表面喷涂层，延长石英件的使用寿命。已经有厂家开发出了适合LP法制备氧化硅层+多晶硅层的绕镀清洗添加剂并已经应用到生产中。从工艺角度来看，LP法只用到了硅烷和氧气这两种工艺气体，工艺原理简单，工艺稳定。综合材料成本、人工成本、设备成本等对LP法、PE法和PVD法制备TOPCon电池的制造成本进行计算，LP法相对于PE法，电池单瓦成本略低0.03元/W；LP法相对于PVD法，电池单瓦成本略高0.008元/W。

1.4行业内应用情况

行业内主流制备多晶硅层的方式有LP法，PE法和PVD法。根据PV-InfoLink统计，目前在建+在产的TOPCon产能中，47%的用户选择了LP，主要用户为晶科和捷泰，两者占LP路线的85%；PE路线占比约46%，主要厂商包括润阳、沐邦、通威和天合；PVD法虽然成本略低，但其工艺复杂，设备稳定性差，PVD法占比较低，用户主要是中来、东方日升。

2结语

LP法工艺原理简单，成膜质量高，成膜速率快，10nm/min左右。LP法存在绕镀的问题，需要复杂的绕镀清洗工艺，清洗不当会造成严重的电池转换效率损失。

LP法制备多晶硅用到的主要耗材为石英件，频繁的石英件更换和高昂的价格，是LP成本增加的原因之一。综合其他成本进行计算，LP法相对于PE法，电池单瓦成本略低0.03元/W；LP法相对于PECVD法，电池单瓦成本略高0.008元/W。

LP法制备多晶硅，在行业内TOPCon电池制备中被广泛应用，在主流的3种制备技术中应用占比最大。

参考文献

[1] FELDMANF，BIVOURM，REICHELC，etal.Apassivatedrearcontactforhigh-efficiencyn-typesiliconsolarcellsenablinghighVocandFF>82%[C]//28thEuropeanPVSolarEnergyConferenceandExhibition.2014，120：270-274.

[2] 翟金叶，张伟，王子谦，等.21.5%以上效率Panda-TOPCon双面电池技术研究[J].太阳能学报，2019，40（4）：1029-1033.

[3] SADHUKHANS，ACHARYAS，PANDAT，etal.DetailedStudyontheRoleofNatureandDistributionofPinholesandOxideLayeronthePerformanceofTunnelOxidePassivatedContact（TOPCon）SolarCell[J].IEEETransactionsonElectronDevices，2022，69（10）：5618-5623.

[4] PADISP，KHOKHARMQ，CHOWDHURYS，etal.NanoscaleSiOxtunneloxidedepositiontechniquesandtheirinfluenceoncellparametersofTOPConsolarcells[J].Transactionsonelectricalandelectronicmaterials，2021，22：557–566.

[5] YULF，XIX，LIUGL，etal.StudyofhydrogenationwithelectroninjectionforTOPConsolarcellswithdifferenttunnelingoxidelayers[J].JournalofRenewableandSustainableEnergy，2023，15（2）：023502.

[6] 周颖.n型隧穿氧化层钝化接触太阳电池的量产关键问题研究[D].大连：大连理工大学，2021.