吸杂技术在TOPCon电池中的应用

摘 要：硅基体的质量是限制光伏效率提升的关键因素。随着光伏电池效率提升，硅基体中的杂质含量越来越高。本文比较磷扩散、硼扩散和氧化层/多晶硅钝化结构的不同吸杂方法与不同表面浓度的掺杂N+ Poly的吸杂方法，结果表明，在表面浓度为5×1020 cm-3、Poly厚度为90 nm的条件下，N+ Poly 的TOPCon吸杂效果最佳，将其引入TOPCon小批量生产线，电池效率提升0.1%。

关键词：磷扩散；蹦扩散；TOPCon技术；多晶硅；光伏

中图分类号：TN 304 文献标志码：A

由于全球能源短缺，因此太阳能作为一种可再生能源，得到了快速发展。2017 年，遂穿氧化层和高掺杂多晶硅表面钝化能力和载流子选择性出色，TOPCon 技术得到广泛应用[1]。TOPCon电池技术具有高温扩散和高钝化的优点，是替代PERC电池技术的最佳方法[2]。制造成本导致太阳能级硅片的杂质含量高于微电子级硅片，在光伏制造过程中，金属杂质易在硅片中形成其他复合中心，增大电流密度，导致少子寿命缩短[3]。利用现有的设备和技术研究吸杂技术十分重要。

本研究比较了掺杂类型（磷（P）或硼（B））不同、掺杂技术（扩散或遂穿氧化层）不同以及掺杂浓度不同的多晶硅薄膜对硅片钝化和少子寿命的影响。吸杂前后的硅片，经制绒，硼扩散，去硅硼玻璃（BSG），碱抛，低压化学气象沉积（LPCVD），去磷硅玻璃（PSG），去绕度，原子层外延沉积（ALD），等离子增强型化学气相淀积（PECVD）金属化，测试等TOPCon电池工序，分析其对TOPCon电池效率的影响。

1 试验部分

本试验采用N型C-Si，电阻率为0.9，厚度为170 μm，G1尺寸为158 mm×

158 mm。

1.1 不同类型的吸杂技术

试验一具体过程如图1所示。使用电阻率为0.9 Ω/sq，厚度为170 μm，尺寸为158 mm×158 mm的工业级N型硅片，均分为G1、G2、G3、G4和G5 5组，同时所有硅片组都经过RCA（双氧水和氨水）清洗及制绒工序，G1组不经过任何工序处理，G2组硅片采用TOPCon技术中的磷扩散工艺进行处理；G3组硅片采用TOPCon技术的硼扩散工艺处理；G4组硅片采用TOPCon技术，先通过LPCVD沉积了厚度为1 nm～2 nm的氧化硅和厚度为 90 nm的Poly-Si，然后再进行磷扩散处理；G5组硅片在TOPCon技术中也通过LPCVD沉积了厚度为

1 nm～2 nm的氧化硅、厚度为90 nm的Poly-Si ，再进行硼扩散处理。同时将5组试验放入5 wt% 的氢氟酸（HF）溶液中洗掉其表面的氧化层，并经过TOPCon技术中的碱抛工序，PECVD镀70 nm的SiNx钝化膜，经820 ℃快烧后，使用Sinton WCT-120少子寿命测试仪测量样品的少数载流子寿命以及隐含开路电压值，对每个硅片的中心以及4个角的位置进行测试，并统计其平均值作为测试结果。试验一中有5组试验的少数载流子寿命和隐含开路电压数据，测试结果见表1。

由表1可知，与G1组相比，经过磷扩散的G2组的i-Voc提升了1 mV，少子寿命也有少量延长，在早期文献中，具有吸杂作用的磷扩散运用于太阳能电池[4-5]。与G2组相比， G1 组的 i-Voc 降低了 9 mV，高温硼扩散导致硅片中的晶粒发生变化，产生错位，使表面的金属杂质更易进入硅片内部，引起更多的复合中心，导致硅片的少子寿命缩短，隐含开路电压降低。与 G1相比，G4 的i-Voc 降低了约 70 mV，在温度较高的情况下，多晶硅对硼原子固溶度较高，固溶度增加导致产生富硼层，富硼层对碱液容忍度较高，导致硅片表面的金属杂质无法腐蚀。富硼层会导致硅片少子寿命缩短，隐含开路电压降低[6]。与G1相比，G5的i-Voc提升4 mV，薄氧化层以及多晶硅对硅片中的金属离子固溶度较高，可吸收硅片中的杂质离子，在较低温度中，氧化层可阻止多晶硅中的金属离子向硅基体中转移，多晶硅以及氧化层被腐蚀后，可观察少子寿命以及隐含开压有提升。

1.2 不同掺杂浓度的LPCVD磷掺杂多晶硅吸杂技术

试验二样品制备过程如图2所示，使用电阻率为0.9 Ω/sq、

厚度为170 μm、大小为158 mm×158 mm的工业级N型硅片，均分为G6、G7和G8 3组，经过RCA（双氧化水和氨水）清洗和制绒工序，LPCVD沉积1 nm～2 nm的氧化硅和90 nm的poly-Si，G6组经过820 ℃磷扩散工序，其表面浓度为1×1020 cm-3；G7组经过850 ℃磷扩散工序，其表面浓度为3×1020 cm-3；G8组经过850 ℃磷扩散工序，其表面浓度为5×1020 cm-3；同时将3组硅片放入5 wt%的HF溶液中洗掉表面的氧化层，经过TOPCon技术中的碱抛工序，PECVD镀70 nm的SiNx钝化膜，经820 ℃快烧后，使用Sinton WCT-120测量样品的少数载流子寿命以及隐含开路电压值，测试每个硅片的中心以及4个角的位置，统计其平均值作为测试结果。试验二中有5组试验的少数载流子寿命和隐含开路电压数据，测试结果见表2。

ECV 测试如图3所示，在不同扩散温度下，得到表面P+浓度依次为1.2×1020 cm-3，3.1×1020 cm-3，5.3×1020 cm-3，在Poly-Si均保持同的浓度，在Poly-Si/SiOx界面浓度骤降，最终测试浓度变为硅基底1×1017 cm-3。随着掺杂浓度增加，Poly-Si中活性磷浓度逐渐变多[2]，P原子的费米能级与金属原子相匹配，P原子可结合更多金属原子，磷原子可结合硅基底中更多的间隙氧。在高温扩散过程中，金属原子的扩散速率加快，Poly-Si/SiOx界面导致金属原子以及氧原子较多集聚在Poly-Si中，较难回归至硅基底中，碱抛光后，去除有污染的Poly-Si，经SiNx钝化膜钝化后，硅片iVoc增加，少子寿命延长。采用更高温度进行磷扩散工序，对样品寿命无较大影响。

1.3 遂穿氧化层厚度对吸杂效果的影响

使用电阻率为0.9 Ω/sq，厚度为170 μm，大小为158mm×158 mm的工业级N型硅片，分为G9、G10和G11 3组，使用RCA（双氧水和氨水）清洗，制绒工序，调节在LPCVD工序中的氧化时间，G9组硅片的氧化层厚度为1 nm～2 nm，G10组硅片的氧化层厚度为2 nm～3 nm，G11组硅片的氧化层厚度为3 nm～4 nm，共同硅烷热分解生成不定形多晶硅90 nm，经过850 ℃下的磷扩散，使其表面浓度达5×1020 cm-3；同时将3组试验放入5 wt% 的HF溶液中，洗掉其表面的氧化层，经过TOPCon技术中的碱抛工序，PECVD镀70 nm的SiNx钝化膜，经820 ℃快烧后，使用Sinton WCT-120测量样品的少数载流子寿命以及隐含开路电压值，测试每个硅片的中心以及4个角，统计其平均值作为测试结果。试验三中有5组试验的少数载流子寿命和隐含开路电压数据，试验结果见表3。

由表3得到1 nm～2 nm氧化层厚度的iVoc为716 mV，与试验二中G8组iVoc为716 mV相等，充分证明试验工艺的稳定性与可重复性。当氧化层厚度为2 nm～3 nm时，试验组的少子寿命增至 517 μs，iVoc为 720 mV。将氧化层厚度增至3 nm～4 nm，G11组的少子寿命发生突降，变为405 μs，iVoc为710 mV。SiOx的厚度可以影响硅基底中金属离子的迁移速率以及浓度，当SiOx厚度较小（1 nm～

2 nm）时，氧化层对金属离子扩散至多晶硅层的阻碍作用较小，在高温环境中，多晶硅层中的金属离子会扩散至硅基底中，取得动态平衡。当增加SiOx的厚度（2 nm～3 nm）时，氧化层加厚，多晶硅吸收硅基底中大部分金属离子，导致硅基底中的少子寿命延长，iVoc增加。当继续增加SiOx的厚度（3 nm～4 nm），金属离子在SiOx的固溶度比在多晶硅中的固溶度高，因此较多的金属离子存在于SiOx中，未被多晶硅吸收，将高温后SiOx中的金属离子重新分配至硅基底中，导致少子寿命减少，iVoc降低。

2 制造TOPCon电池

该吸杂技术均基于工业设备设计，考虑现有TOPCon电池生产技术已进入瓶颈，实际效率距离晶硅理论效率还有差距，将2 nm～3 nm的SiOx和90 nm poly-Si的850 ℃磷扩散吸杂工艺引入TOPCon生产线中。

TOPCon电池生产技术，电池正面依次为Ag电极、氮化硅、氧化铝、P+发射极和硅基体；电池背面依次为Ag/Al电极、氮化硅、氧化铝、掺磷多晶硅、遂穿氧化层和硅基体。目前，TOPCon电池技术分为2种路线，一种路线为采用PECVD[7]进行原位掺杂，形成Poly-Si/SiOx界面，该路线优点为生产工序少，电池开压较高，缺点为电池良品率较低，碎片率较高。另一种路线为LPCVD生成Poly-Si，高温扩散生成N+多晶硅，该路线良品率较高，兼容PERC生产线，但是工序较多。本文采用LPCVD路线生产TOPCon电池，工序依次为制绒、硼扩散、链式清洗和碱抛光，LPCVD和磷扩散，链式清洗和去绕镀，ALD沉积氧化铝，PECVD镀SiNx，金属化和分选测试。试验结果见表4，尽管电流降低10 mA，串联电阻变大，但是硅片质量提高，导致电池的开压提升3 mV，吸杂后效率提升0.1%，进一步证实吸杂工艺可以吸取更多的金属离子。

3 结语

对比磷扩散、硼扩散、P+-Poly和N+-Poly的吸杂效果，N+-Poly试验效果良好。可改变磷扩散温度，调节N+-Poly的表面浓度，随着浓度增加，吸杂效果越来越好，多晶硅对磷原子的固溶度导致浓度无法一直上升。将其引入TOPCon生产线中，吸杂后硅片电池开压提升3 mV，电池效率提升0.1%。

参考文献

[1]RICHTER A，MULLER R，BENICK J，et al.Design rules for"high-efficiency both-sidescontacted silicon solar cells with balanced charge carrier transport and recombination losses[J].Nature Energy，2021，6（5）：429-437.

[2]钱金忠，左克祥，王安，等. 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[J].太阳能，2023，9（1）：54-59.

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[4]LIU A Y，YAN D，PHANG S P， et al. Effective impurity gettering"by phosphorus and boron-diffused polysilicon passivating contacts for silicon solar cell[J].Solar energy materials and solar cells，2018，179（4）：136-141.

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