LPCVD法制備多晶硅薄膜分析

摘要：研究了低壓化學(xué)氣相沉積法（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD）制備TOPCon電池用多晶硅層的原理及優(yōu)劣。TOPCon電池是一種高效率、低成本、適用于規(guī)模化生產(chǎn)的n型電池，其背面鈍化層采用了隧穿氧化層與n型多晶硅層的疊層結(jié)構(gòu)。LPCVD法作為制備TOPCon電池背面多晶硅層的一種重要方法，工藝原理簡(jiǎn)單，成膜速率快，市場(chǎng)應(yīng)用廣；方法存在繞鍍問(wèn)題，需要復(fù)雜的繞鍍清洗工藝；用到的石英件耗材更換頻繁，價(jià)格昂貴，增加了電池成本。綜合計(jì)算成本結(jié)果為，LP法相對(duì)于PECVD法，電池單瓦成本略低0.01元/W；LPCVD法相對(duì)于PVD法，電池單瓦成本略高0.003元/W。

關(guān)鍵詞：TOPCon電池多晶硅層單瓦成本繞鍍

中圖分類號(hào)：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，德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所首次提出TOPCon電池的概念[1]，該技術(shù)的關(guān)鍵為背面隧穿氧化硅層和摻雜多晶硅層。首先在n型硅片的背面制備一層超薄的氧化硅層，然后制備摻雜多晶硅層，兩者共同構(gòu)成了隧穿鈍化結(jié)構(gòu)。超薄氧化層能帶結(jié)構(gòu)可以使電子隧穿而少子空穴被阻擋，使電子空穴分離，降低了復(fù)合；摻雜多晶硅能夠提供背面場(chǎng)鈍化，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)須開(kāi)孔的金屬電極接觸結(jié)構(gòu)[2-6]，能有效提升電池的Voc和FF。

TOPCon電池的關(guān)鍵為隧穿氧化硅層和摻雜多晶硅層的制備。主流方法為低壓化學(xué)氣相沉積（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD，后簡(jiǎn)稱LP）法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD，后簡(jiǎn)稱PE）法和物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）法。本文主要對(duì)LP沉積多晶硅層的方法進(jìn)行分析。

1分析過(guò)程

1.1TOPCon電池工藝流程

根據(jù)隧穿氧化層+摻雜多晶硅層的制備方法，主流的TOPCon電池工藝流程有3種。（1）LP法，多晶硅層為非晶硅和多晶硅的混合結(jié)構(gòu)，其中多晶硅結(jié)構(gòu)占比90%以上，之后的高溫過(guò)程可以將非晶硅進(jìn)一步晶化，提升晶化率，同時(shí)對(duì)多晶硅層進(jìn)行摻雜，該種方式已在行業(yè)里規(guī)模化應(yīng)用。（2）PE法，多晶硅層為非晶硅和多晶硅的混合結(jié)構(gòu)，其中多晶硅結(jié)構(gòu)占比在80%左右，之后的退火過(guò)程有兩個(gè)作用，一是繼續(xù)對(duì)非晶硅進(jìn)一步晶化，提升晶化率；二是激活上一步的磷原子，得到摻雜多晶硅結(jié)構(gòu)。（3）PE法，退火與PE法作用類似。由于這三種方式的制備差異，后續(xù)需要的清洗過(guò)程也存在一定區(qū)別。

1.2LP法制備多晶硅過(guò)程

LP法制備多晶硅膜過(guò)程一般為以下幾步：（1）硅烷分子被輸運(yùn)到沉積區(qū)；（2）硅烷分子擴(kuò)散到襯底表面；（3）硅烷分子在襯底表面吸附；（4）吸附的硅烷分子之間或硅烷分子和氣相分子間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成硅原子及其副產(chǎn)物，Si原子沿表面進(jìn)行遷移，結(jié)合到晶體點(diǎn)陣內(nèi)部；（5）反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物從表面解析；（6）反應(yīng)副產(chǎn)物由表面外擴(kuò)散進(jìn)入主氣流并排出[7]。

LP法在低壓環(huán)境下進(jìn)行，氣體分子的平均自由程和擴(kuò)散系數(shù)很大，能夠得到較快的氣態(tài)反應(yīng)物及副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速度。LP法制備多晶硅薄膜的反應(yīng)溫度一般在580～650℃之間。這種適中的溫度條件使硅烷能夠高效地被吸附在襯底上，并分解生成硅。從制備過(guò)程及分析可以看出，LP法制備多晶硅薄膜制程簡(jiǎn)單，成膜速率10nm/min左右。

1.3生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題

1.3.1繞鍍問(wèn)題

LP法制備膜層時(shí)，承載硅片的載具石英舟，一般采用硅片單槽雙插的方式，即硅片在同一個(gè)槽內(nèi)背靠背放置。在高溫下，硅片會(huì)發(fā)生輕微變形；工藝過(guò)程中通入的反應(yīng)氣體，也會(huì)使背靠背放置在一起的兩片硅片的相對(duì)位置受到影響。在高溫及氣流的共同作用下，同一個(gè)槽內(nèi)的兩片硅片間產(chǎn)生縫隙，容易發(fā)生繞鍍，如圖1所示。繞鍍范圍大小受沉積時(shí)同一槽內(nèi)兩片硅片間縫隙大小影響，不可控，后續(xù)需要復(fù)雜的繞鍍清洗工藝，會(huì)增加工藝難度與生產(chǎn)成本。

1.3.2耗材問(wèn)題

LP設(shè)備用到了各種石英件，主要為石英管、石英舟和石英舟托。不同區(qū)域的溫度變化速度不同，會(huì)導(dǎo)致石英件的熱膨脹和熱收縮不均勻，可能引起石英件的破裂或開(kāi)裂；隨著工藝循環(huán)次數(shù)增加，石英件表面沉積的多晶硅越來(lái)越厚，當(dāng)石英管內(nèi)壁沉積的多晶硅厚度變厚時(shí)，會(huì)降低石英管內(nèi)的溫控精度，從而影響工藝的穩(wěn)定性；因此石英件需要定期更換來(lái)保證工藝的正常運(yùn)行。

由于LP反應(yīng)溫度一般在580～650℃之間進(jìn)行，石英件需具有良好的高溫耐受性以確保在長(zhǎng)時(shí)間高溫工作下不發(fā)生變形或損壞。嚴(yán)苛的要求導(dǎo)致市面上高純石英件價(jià)格高。

1.3.3成本測(cè)算

LP法制備氧化硅層+多晶硅層，需要復(fù)雜的繞鍍清洗設(shè)備及繞鍍清洗工藝；石英件價(jià)格高，且需要定期更換，這都會(huì)造成電池成本的增加。行業(yè)里也在通過(guò)各種途徑進(jìn)行降本，比如研發(fā)新型的繞鍍清洗添加劑，降低繞鍍清洗難度與復(fù)雜性；在石英件表面噴涂層，延長(zhǎng)石英件的使用壽命。已經(jīng)有廠家開(kāi)發(fā)出了適合LP法制備氧化硅層+多晶硅層的繞鍍清洗添加劑并已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。從工藝角度來(lái)看，LP法只用到了硅烷和氧氣這兩種工藝氣體，工藝原理簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定。綜合材料成本、人工成本、設(shè)備成本等對(duì)LP法、PE法和PVD法制備TOPCon電池的制造成本進(jìn)行計(jì)算，LP法相對(duì)于PE法，電池單瓦成本略低0.03元/W；LP法相對(duì)于PVD法，電池單瓦成本略高0.008元/W。

1.4行業(yè)內(nèi)應(yīng)用情況

行業(yè)內(nèi)主流制備多晶硅層的方式有LP法，PE法和PVD法。根據(jù)PV-InfoLink統(tǒng)計(jì)，目前在建+在產(chǎn)的TOPCon產(chǎn)能中，47%的用戶選擇了LP，主要用戶為晶科和捷泰，兩者占LP路線的85%；PE路線占比約46%，主要廠商包括潤(rùn)陽(yáng)、沐邦、通威和天合；PVD法雖然成本略低，但其工藝復(fù)雜，設(shè)備穩(wěn)定性差，PVD法占比較低，用戶主要是中來(lái)、東方日升。

2結(jié)語(yǔ)

LP法工藝原理簡(jiǎn)單，成膜質(zhì)量高，成膜速率快，10nm/min左右。LP法存在繞鍍的問(wèn)題，需要復(fù)雜的繞鍍清洗工藝，清洗不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的電池轉(zhuǎn)換效率損失。

LP法制備多晶硅用到的主要耗材為石英件，頻繁的石英件更換和高昂的價(jià)格，是LP成本增加的原因之一。綜合其他成本進(jìn)行計(jì)算，LP法相對(duì)于PE法，電池單瓦成本略低0.03元/W；LP法相對(duì)于PECVD法，電池單瓦成本略高0.008元/W。

LP法制備多晶硅，在行業(yè)內(nèi)TOPCon電池制備中被廣泛應(yīng)用，在主流的3種制備技術(shù)中應(yīng)用占比最大。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 翟金葉，張偉，王子謙，等.21.5%以上效率Panda-TOPCon雙面電池技術(shù)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，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] 周穎.n型隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)電池的量產(chǎn)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2021.