氧化硅膜對激光摻雜SE 電極的保護性能研究

李雪方，韓 超，申開愉

（山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治 046000）

引言

PERC 電池因其優越的電性能及制作工藝占據光伏市場的半壁江山。PN 結的制作是太陽能電池的核心工藝，PERC 電池擴散摻雜濃度的高低有很重要的影響。SE 激光摻雜選擇性電極電池的設計解決了傳統均一摻雜濃度下高串聯電阻、高載流子復合速率的不足。在電極與硅片接觸部位采用高濃度摻雜，降低了其接觸電阻，降低電池串聯電阻；電極之間低濃度摻雜有效降低了載流子的復合，并起到鈍化效果；n++/n+高低結提高了短波光譜相應[1]。堿拋工藝因低的廢水處理壓力以及優越的拋光性能被廣泛應用。SE激光摻雜與堿拋疊加使用時，因堿拋采用槽式浸泡方式，發射區尤其電極區易造成腐蝕拋光損傷，嚴重時可導致PN 結破壞，影響電池轉換效率[2]。規模化的PERC 電池生產線上，在激光摻雜工藝后于硅片表面制備一層氧化膜用于保護發射結重摻區域不被化學腐蝕液腐蝕，且不影響電池其他性能。

本文以實驗結果為依據，結合激光SE 原理，討論分析熱氧與臭氧制備的氧化膜對激光重摻電極的保護效果及電性能影響。

1 實驗設計

在PERC 電池生產線上，SE 激光摻雜工藝后，分別采用熱氧與臭氧兩種工藝制備氧化膜，其他生產工藝相同，觀察不同制備工藝氧化膜對激光重摻電極的保護效果并對比電性能。

本實驗中的熱氧工藝是在熱氧爐中完成，利用氧氣與硅在高溫下反應形成氧化膜；臭氧工藝是在鏈式去PSG 設備中完成，硅片通過設備前端入口上部安裝有臭氧噴淋氣孔的軌道時，利用臭氧的強氧化性，在硅表形成氧化膜。

2 結果與分析

2.1 激光損傷形成原因

激光摻雜SE 工藝是激光束聚焦在硅片表面的磷硅玻璃層上，因受熱表面被加熱到熔融狀態，磷硅玻璃中的磷單質原子快速融入熔體，當激光從區熔區移開后，熔融區的熔體冷卻和再結晶，在此過程中，摻雜磷原子即進入到再結晶的硅層中取代硅原子的位置從而達到摻雜磷的目的也即形成合金區[3]。其過程如圖1 所示。

圖1 PERC 電池SE 激光過程

足夠的“P”可以保證激光的持續作用，足夠厚的PSG 層可以減少激光對硅表層絨面的損傷，減少懸掛鍵以及位錯等缺陷，從而提高開路電壓。

PERC 電池生產工藝流程中激光工藝后涉及到化學腐蝕工藝，選擇性電極因存在激光損傷，再經化學品的腐蝕會導致損傷更嚴重，該處形成的n++層被腐蝕后，造成金屬電極與硅基體接觸電阻增大，電池電性能下降。因此為保護SE 選擇電極重摻區，在硅片表面生成一層保護膜。

2.2 激光損傷區SEM 分析

對激光摻雜前后的電池片選擇性電極區域進行SEM 掃描，觀察到微觀形貌，如圖2 所示。

圖2 激光輻照前（2-1）與激光輻照后選擇電極區（2-2）SEM

從圖2-1 看到，激光前的金字塔結構完整。而經過激光工藝后如圖2-2 所示，明顯能看到金字塔塔尖頂端發白，塔尖下部一圈發暗，損傷明顯。激光光斑垂直照到硅片表面時，金字塔塔尖位置最先接收到激光的輻照，且接收的輻照能量最多，同樣的激光能量下，該位置處的熔融現象嚴重，隨著激光光斑的離開而再結晶快速冷卻過程中，因為熔融硅體積大，晶界無法在短時間內對位，即出現如圖所示的外觀損傷痕缺陷。

2.3 不同工藝氧化膜后損傷區SEM 分析

如圖3 所示是激光重摻后，經過熱氧與臭氧工藝，并又經過堿拋光后硅片的SEM 圖。圖3-1、3-2 分別是有輕微激光損傷層的硅片經過熱氧與臭氧后SEM 圖，圖3-3、3-4 分別是經過不同氧化工藝后的硅片在堿拋作用下的SEM 圖。對比3-3 與3-4，可以明顯看到，3-4 圖多數金字塔塔尖出現缺失，而3-3只有極個別的金字塔塔尖有輕微缺失[4]。

圖3 激光重摻后經過熱氧與臭氧工藝堿拋光后硅片的SEM圖

一定厚度的致密氧化硅膜可保護硅基體在堿性拋光液中不被腐蝕，若膜層致密性差或薄，拋光工藝時間內其與堿在很短的時間內完全反應，使硅失去保護，裸露的硅與熱堿繼續反應，造成金字塔的腐蝕缺失。由堿拋后的選擇性電極區的SEM 對比圖可知，有輕微激光損傷的硅片在有熱氧制氧化膜的保護作用下，堿拋后損傷層并未進一步擴大；但臭氧制氧化膜硅片，在經過堿拋后，金字塔塔尖出現較為嚴重的缺失。此對比分析可知，通過熱氧形成的硅氧化膜的致密性好，對硅片起到良好的保護作用，反觀臭氧形成的氧化膜，推測其致密性差，難以起到保護作用。

2.4 電性能分析

對激光摻雜以及經過堿拋的電池片繼續完整的工藝，最終測得的電性能參數對比，如圖4 所示。因在臭氧制氧化膜致密性差，對選擇性電極的保護作用減弱，部分硅表面被腐蝕掉，與金屬電極接觸形成高接觸電阻，對光生電流的阻力增大，導致串聯電阻增大，FF 降低，從而轉換效率降低。且選擇性電極區域金字塔塔尖出現缺失，增加了表面懸掛鍵及缺陷密度，增大了載流子的復合幾率，Isc 與Voc 均降低[5]。

圖4 臭氧與熱氧電池片電性能參數對比

熱氧形成氧化膜的電池片，其致密性相對較好，能對重摻區起到較好的保護作用，且可以阻止硅表面氫原子的溢出，對硅片表面起到一定的鈍化作用，降低了載流子的表面復合幾率，從而使得電池的反向飽和電流降低，進而Isc 與Voc 得到提升。

3 結論

SiO2作為一層介質保護膜，其制備工藝不同，結構致密性也有較大的差異。本文采用熱氧與臭氧兩種工藝在激光摻雜選擇性電極后于硅表制備氧化硅膜，通過堿拋前后激光重摻區SEM 對比，熱氧制氧化膜硅片激光重摻區在堿拋前后金字塔結構并未有變化，但臭氧制氧化膜硅片金字塔塔尖出現較多崩塌缺失現象，證明熱氧制氧化膜的結構致密性要優于臭氧制氧化膜。對兩種制膜工藝的電池片做電性能測試，熱氧制氧化膜電池片因電極重摻區在堿拋工藝中未遭到進一步破壞，金屬電極與硅基體的接觸電阻低，電池串阻低，FF 高，使得轉換效率與臭氧制氧化膜硅片相比，有較大的優勢。熱氧制氧化膜硅片優越的電性能也證明熱氧氧化膜良好的保護作用。