TOPCon太陽電池中多晶硅層磷摻雜工藝的優化及其對電性能的影響

錢金忠，左克祥，王 安，杜東亞，凡金星，高紀凡*

(1.國家能源集團常州發電有限公司，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學與技術國家重點實驗室，常州 213031)

0 引言

德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer ISE)的Frank Feldman博士于2013年在第28屆歐洲能源及太陽能光伏展覽會(EU-PVSEC)上首次提到了隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池的概念，經過數年的發展，目前TOPCon技術被廣泛認為是繼PERC技術之后最有可能實現大規模量產的太陽電池技術[1-2]。

PERC太陽電池的工藝路線具有較高的成熟度，大部分情況下，現有的TOPCon太陽電池工藝路線都能與PERC太陽電池的重合，僅需要增加少量的工序即可完成高光電轉換效率的TOPCon太陽電池的制備[3]。PERC太陽電池和TOPCon太陽電池的工藝路線對比如圖1所示。圖中：BSG為硼硅玻璃；PSG為磷硅玻璃；LPCVD為低壓化學氣相沉積。

圖1 PERC太陽電池和TOPCon太陽電池的工藝路線對比Fig.1 Comparison of process routes between PERC solar cells and TOPCon solar cells

TOPCon太陽電池的結構主要是基于鈍化和載流子選擇性接觸的概念形成，該結構的特點是使用一層超薄隧穿氧化硅層與摻雜磷元素的多晶硅薄膜作為太陽電池的背面。其中，隧穿氧化層的厚度一般為1～2 nm，其存在可以有效降低界面態密度，而在其外部的一層薄的高摻雜濃度多晶硅層可形成場鈍化效應，對硅片背面起到較好的鈍化效果。LPCVD法是制備TOPCon太陽電池多晶硅層比較主流的工藝路線[4-5]。

隧穿氧化層的存在可以使電子隧穿進入到多晶硅層中，有效阻止電子和空穴的復合，提升太陽電池的開路電壓和短路電流[6]。實驗室制備的TOPCon太陽電池實現了高達725 mV的開路電壓和24.5%的光電轉換效率，證明了此類太陽電池技術路線的可行性[7-8]。TOPCon太陽電池的結構圖如圖2所示。

圖2 TOPCon太陽電池的結構圖Fig.2 Structure diagram of TOPCon solar cells

隧穿氧化層的制備和摻雜多晶硅層的沉積是TOPCon太陽電池當前工藝路線中兩個非常關鍵的步驟。當制備較高摻雜濃度的多晶硅層時，更容易出現磷原子穿透隧穿氧化層的情況，對氧化層的結構造成破壞，影響載流子的選擇能力，且會增加寄生吸收；而當制備較低摻雜濃度的多晶硅層時，所形成的多晶硅層的場鈍化效果較差。如何在保證場鈍化效果的基礎上，減少摻雜過程中磷原子穿透氧化層的情況，是TOPCon太陽電池光電轉換效率進一步提升過程中需要解決的問題[9-10]。

為了保證TOPCon太陽電池具有較高的開路電壓和較低的串聯電阻，需要對多晶硅層的摻雜工藝進行研究[11-12]。基于此，本文針對TOPCon太陽電池的多晶硅層的磷摻雜量、推進溫度及推進時間對多晶硅層、硅襯底中磷摻雜特性及電性能參數的影響進行研究。

1 實驗

實驗所采用的硅片為n型直拉單晶硅(CZ-Si)，尺寸為210 mm×210 mm，電阻率為0.3～2.1 Ω?cm，厚度為170～180 μm。

TOPCon太陽電池的制備流程為：

1)通過堿制絨工藝在硅片表面制備出隨機的金字塔結構。

2)通過擴散方式在硅片正面制備出方阻為110 Ω/□的硼發射極，利用LPCVD法在硅片背面制備氧化硅及多晶硅。

3)通過磷擴散的方式對多晶硅進行重摻雜及高溫晶化，在硅片正面沉積一層氧化鋁，以保證鈍化效果；在硅片正面及背面制備減反射膜，以增強減反射及鈍化效果。

4)進行正面電極和背面電極的制備。

本文主要研究磷擴散對多晶硅層及硅襯底摻雜情況的影響，通過實驗分析不同磷摻雜量、推進溫度及推進時間對電化學微分電容電壓(ECV)曲線及太陽電池電性能參數的影響，然后根據分析結果優選出最適合的磷摻雜參數。

采用德國WEP公司生產的型號為CVP21的擴散濃度分布測試儀測試磷擴散后的磷濃度分布曲線；使用Halm脈沖太陽模擬器在25 ℃環境溫度、AM1.5大氣質量和1000 W/m2太陽輻照度下測量TOPCon太陽電池的I-V特性。

2 結果與討論

2.1 磷摻雜量對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在TOPCon太陽電池的結構設計中，為了提升太陽電池的光電轉換效率，需要提升金屬接觸區域的歐姆接觸，因此會盡量增加摻雜區域的濃度。但在摻雜濃度提升的同時，重摻雜區域會出現自由載流子吸收的情況，這種寄生吸收會對光生電流有負面影響，因此需要驗證不同摻雜濃度對太陽電池電性能的影響。

在隧穿氧化層及多晶硅層厚度分別設定為1.50、130.0 nm的條件下，保證推進溫度及推進時間不變，研究不同的磷摻雜量對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響。當通源量為1400 sccm時，通源時間分別設定為15、25、35 min。不同通源時間時的摻雜濃度曲線如圖3所示。

圖3 不同通源時間時的摻雜濃度曲線Fig.3 Doping concentration curves at different doping times

從圖3可以看出：通源時間越長，摻雜量越大，多晶硅層中的磷摻雜濃度越高；同時，由于隧穿氧化層會影響磷原子向硅襯底中擴散，因此在poly-Si/SiO2界面的摻雜濃度會呈現急劇下降的趨勢，且隨著通源時間的進一步提升，磷在硅襯底中的濃度也相應提高。

不同通源時間時制備的TOPCon太陽電池的電性能參數如圖4所示。

圖4 不同通源時間下制備的TOPCon太陽電池的電性能參數Fig.4 Electrical performance parameters of TOPCon solar cells prepared at different doping times

從圖4可以看出：當通源時間為15 min時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率為24.29%；當通源時間為25 min時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率達到最大值，為24.38%；當通源時間為35 min時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率下降至24.33%。由此可知，隨著摻雜濃度的提升，太陽電池的光電轉換效率呈先增加后下降的趨勢。當通源時間為25 min時，太陽電池的光電轉換效率最高，且此時的開路電壓也最高，達到了0.7178 V，這是因為此時硅襯底中摻雜的磷的濃度可保證較好的鈍化效果，歐姆接觸較好，且寄生吸收相對較小。隨著摻雜濃度提高，填充因子有一定的提升，但當摻雜濃度過大時，太陽電池的開路電壓及短路電流呈下降趨勢。

相較于通源時間為15、25 min時的情況，通源時間為35 min時，硅襯底中的磷原子濃度呈上升趨勢，太陽電池的歐姆接觸變好，填充因子得到提升，所以，通源時間為35 min時太陽電池的填充因子最高。當摻雜濃度較低時，背面漿料接觸會受到影響，填充因子相對較低，但當進入硅襯底中的磷原子過多時，會影響到體區的俄歇復合，進而影響鈍化效果。因此，通源時間為35 min時太陽電池的開路電壓較低，且此時的寄生吸收最嚴重，短路電流也最低。

2.2 推進溫度對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在隧穿氧化層及多晶硅層的厚度分別設定為1.5、130.0 nm的條件下，保證通源條件(通源量為1400 sccm、通源時間為25 min)及推進時間不變，研究不同推進溫度對磷摻雜特性的影響。推進溫度分別設置為 860、880、900 ℃，不同推進溫度時磷的摻雜濃度曲線如圖5所示。

圖5 不同推進溫度時的磷摻雜濃度曲線Fig.5 Phosphorus doping concentration curves at different propulsion temperatures

從圖5可以看出：隨著推進溫度的升高，多晶硅層中磷的摻雜濃度基本不變，而磷在硅襯底中的摻雜濃度呈逐漸上升趨勢；在不同推進溫度條件下，由于隧穿氧化層的存在，其會阻止磷原子進入到硅襯底中，所以在多晶硅層中磷的摻雜濃度基本保持不變；而推進溫度升高后，磷原子會更容易穿透氧化層，進入到硅襯底中的磷原子會變多。

當推進溫度較低時，容易出現多晶硅層晶化不完全的情況，鈍化效果較差；但當推進溫度過高時，會導致更多的磷原子進入到硅襯底中，增加載流子的復合，導致鈍化效果變差，也容易出現隧穿氧化層被破壞的情況，這對載流子的收集及鈍化效果均會造成影響。

不同推進溫度下制備的TOPCon太陽電池的光電轉換效率如圖6所示。

圖6 不同推進溫度下制備的TOPCon太陽電池的光電轉換效率Fig.6 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion temperatures

從圖6可以看出：當推進溫度為880 ℃時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率達到了最高值，為24.40%；當推進溫度為900 ℃時，進入到硅襯底中的磷原子量最大，也意味著此時硅襯底中的磷濃度最高，這樣會降低鈍化效果及增強寄生吸收，影響光電轉換效率。因此，選擇合適的推進溫度尤為重要，需要在保證整體摻雜量的基礎上將其控制在一定范圍內。

2.3 推進時間對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在隧穿氧化層及多晶硅層的厚度分別設定為1.5和130.0 nm的條件下，保證通源條件(通源量為1400 sccm、通源時間為25 min)及推進溫度不變，研究不同推進時間對磷摻雜特征的影響，推進時間分別設置為20、30及40 min。不同推進時間下磷的摻雜濃度曲線如圖7所示。

圖7 不同推進時間下的磷摻雜濃度曲線Fig.7 Phosphorus doping concentration curve under different propulsion times

從圖7可以看出：隨著推進時間的增加，多晶硅層中磷摻雜濃度基本不變，而磷在硅襯底中的摻雜濃度呈逐漸上升趨勢，這與增加推進溫度時磷的摻雜濃度的變化趨勢基本一致。增加推進時間或增加推進溫度基本可以得到相同的磷摻雜濃度曲線。此外，不同推進時間會對非晶硅的晶化率造成影響，當推進時間較短時，會導致鈍化效果較差，此時磷元素未被完全激活，場鈍化效應較弱；而當推進時間過長時，在硅襯底中的磷元素會變得過多，從而加劇復合，影響鈍化效果。

不同推進時間下制備的TOPCon太陽電池的光電轉換效率如圖8所示。

圖8 不同推進時間下制備的TOPCon太陽電池的光電轉換效率Fig.8 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion times

從圖8可以看出：當推進時間為30 min時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率達到了最高值，為24.48%；當推進時間為40 min時，TOPCon太陽電池的光電轉換效率僅為24.43%，說明推進時間過長會影響太陽電池的光電轉換效率。

綜合以上分析，多晶硅層中磷的摻雜濃度不僅取決于通源時間的變化，還會受到推進溫度及推進時間的影響，對摻雜曲線的合理優化，既可以保證隧穿氧化層對載流子的選擇能力不會受到影響，同時也可以保證摻雜多晶硅層的鈍化效果。

3 結論

本文針對TOPCon太陽電池多晶硅層的磷摻雜量、推進溫度及推進時間對多晶硅層、硅襯底中磷摻雜特性及電性能參數的影響進行了研究。研究結果顯示：在隧穿氧化層及多晶硅層厚度分別設定為1.5和130.0 nm的條件下，通源流量為1400 sccm、通源時間為25 min、推進溫度為880℃、推進時間為30 min為最適合的磷摻雜參數，既保證了鈍化效果，也保證了歐姆接觸和寄生吸收在合理的區間，TOPCon太陽電池的光電轉換效率達到了最大值，為24.48%。