吸雜技術在TOPCon電池中的應用

摘 要：硅基體的質量是限制光伏效率提升的關鍵因素。隨著光伏電池效率提升，硅基體中的雜質含量越來越高。本文比較磷擴散、硼擴散和氧化層/多晶硅鈍化結構的不同吸雜方法與不同表面濃度的摻雜N+ Poly的吸雜方法，結果表明，在表面濃度為5×1020 cm-3、Poly厚度為90 nm的條件下，N+ Poly 的TOPCon吸雜效果最佳，將其引入TOPCon小批量生產線，電池效率提升0.1%。

關鍵詞：磷擴散；蹦擴散；TOPCon技術；多晶硅；光伏

中圖分類號：TN 304 文獻標志碼：A

由于全球能源短缺，因此太陽能作為一種可再生能源，得到了快速發展。2017 年，遂穿氧化層和高摻雜多晶硅表面鈍化能力和載流子選擇性出色，TOPCon 技術得到廣泛應用[1]。TOPCon電池技術具有高溫擴散和高鈍化的優點，是替代PERC電池技術的最佳方法[2]。制造成本導致太陽能級硅片的雜質含量高于微電子級硅片，在光伏制造過程中，金屬雜質易在硅片中形成其他復合中心，增大電流密度，導致少子壽命縮短[3]。利用現有的設備和技術研究吸雜技術十分重要。

本研究比較了摻雜類型（磷（P）或硼（B））不同、摻雜技術（擴散或遂穿氧化層）不同以及摻雜濃度不同的多晶硅薄膜對硅片鈍化和少子壽命的影響。吸雜前后的硅片，經制絨，硼擴散，去硅硼玻璃（BSG），堿拋，低壓化學氣象沉積（LPCVD），去磷硅玻璃（PSG），去繞度，原子層外延沉積（ALD），等離子增強型化學氣相淀積（PECVD）金屬化，測試等TOPCon電池工序，分析其對TOPCon電池效率的影響。

1 試驗部分

本試驗采用N型C-Si，電阻率為0.9，厚度為170 μm，G1尺寸為158 mm×

158 mm。

1.1 不同類型的吸雜技術

試驗一具體過程如圖1所示。使用電阻率為0.9 Ω/sq，厚度為170 μm，尺寸為158 mm×158 mm的工業級N型硅片，均分為G1、G2、G3、G4和G5 5組，同時所有硅片組都經過RCA（雙氧水和氨水）清洗及制絨工序，G1組不經過任何工序處理，G2組硅片采用TOPCon技術中的磷擴散工藝進行處理；G3組硅片采用TOPCon技術的硼擴散工藝處理；G4組硅片采用TOPCon技術，先通過LPCVD沉積了厚度為1 nm～2 nm的氧化硅和厚度為 90 nm的Poly-Si，然后再進行磷擴散處理；G5組硅片在TOPCon技術中也通過LPCVD沉積了厚度為

1 nm～2 nm的氧化硅、厚度為90 nm的Poly-Si ，再進行硼擴散處理。同時將5組試驗放入5 wt% 的氫氟酸（HF）溶液中洗掉其表面的氧化層，并經過TOPCon技術中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120少子壽命測試儀測量樣品的少數載流子壽命以及隱含開路電壓值，對每個硅片的中心以及4個角的位置進行測試，并統計其平均值作為測試結果。試驗一中有5組試驗的少數載流子壽命和隱含開路電壓數據，測試結果見表1。

由表1可知，與G1組相比，經過磷擴散的G2組的i-Voc提升了1 mV，少子壽命也有少量延長，在早期文獻中，具有吸雜作用的磷擴散運用于太陽能電池[4-5]。與G2組相比， G1 組的 i-Voc 降低了 9 mV，高溫硼擴散導致硅片中的晶粒發生變化，產生錯位，使表面的金屬雜質更易進入硅片內部，引起更多的復合中心，導致硅片的少子壽命縮短，隱含開路電壓降低。與 G1相比，G4 的i-Voc 降低了約 70 mV，在溫度較高的情況下，多晶硅對硼原子固溶度較高，固溶度增加導致產生富硼層，富硼層對堿液容忍度較高，導致硅片表面的金屬雜質無法腐蝕。富硼層會導致硅片少子壽命縮短，隱含開路電壓降低[6]。與G1相比，G5的i-Voc提升4 mV，薄氧化層以及多晶硅對硅片中的金屬離子固溶度較高，可吸收硅片中的雜質離子，在較低溫度中，氧化層可阻止多晶硅中的金屬離子向硅基體中轉移，多晶硅以及氧化層被腐蝕后，可觀察少子壽命以及隱含開壓有提升。

1.2 不同摻雜濃度的LPCVD磷摻雜多晶硅吸雜技術

試驗二樣品制備過程如圖2所示，使用電阻率為0.9 Ω/sq、

厚度為170 μm、大小為158 mm×158 mm的工業級N型硅片，均分為G6、G7和G8 3組，經過RCA（雙氧化水和氨水）清洗和制絨工序，LPCVD沉積1 nm～2 nm的氧化硅和90 nm的poly-Si，G6組經過820 ℃磷擴散工序，其表面濃度為1×1020 cm-3；G7組經過850 ℃磷擴散工序，其表面濃度為3×1020 cm-3；G8組經過850 ℃磷擴散工序，其表面濃度為5×1020 cm-3；同時將3組硅片放入5 wt%的HF溶液中洗掉表面的氧化層，經過TOPCon技術中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120測量樣品的少數載流子壽命以及隱含開路電壓值，測試每個硅片的中心以及4個角的位置，統計其平均值作為測試結果。試驗二中有5組試驗的少數載流子壽命和隱含開路電壓數據，測試結果見表2。

ECV 測試如圖3所示，在不同擴散溫度下，得到表面P+濃度依次為1.2×1020 cm-3，3.1×1020 cm-3，5.3×1020 cm-3，在Poly-Si均保持同的濃度，在Poly-Si/SiOx界面濃度驟降，最終測試濃度變為硅基底1×1017 cm-3。隨著摻雜濃度增加，Poly-Si中活性磷濃度逐漸變多[2]，P原子的費米能級與金屬原子相匹配，P原子可結合更多金屬原子，磷原子可結合硅基底中更多的間隙氧。在高溫擴散過程中，金屬原子的擴散速率加快，Poly-Si/SiOx界面導致金屬原子以及氧原子較多集聚在Poly-Si中，較難回歸至硅基底中，堿拋光后，去除有污染的Poly-Si，經SiNx鈍化膜鈍化后，硅片iVoc增加，少子壽命延長。采用更高溫度進行磷擴散工序，對樣品壽命無較大影響。

1.3 遂穿氧化層厚度對吸雜效果的影響

使用電阻率為0.9 Ω/sq，厚度為170 μm，大小為158mm×158 mm的工業級N型硅片，分為G9、G10和G11 3組，使用RCA（雙氧水和氨水）清洗，制絨工序，調節在LPCVD工序中的氧化時間，G9組硅片的氧化層厚度為1 nm～2 nm，G10組硅片的氧化層厚度為2 nm～3 nm，G11組硅片的氧化層厚度為3 nm～4 nm，共同硅烷熱分解生成不定形多晶硅90 nm，經過850 ℃下的磷擴散，使其表面濃度達5×1020 cm-3；同時將3組試驗放入5 wt% 的HF溶液中，洗掉其表面的氧化層，經過TOPCon技術中的堿拋工序，PECVD鍍70 nm的SiNx鈍化膜，經820 ℃快燒后，使用Sinton WCT-120測量樣品的少數載流子壽命以及隱含開路電壓值，測試每個硅片的中心以及4個角，統計其平均值作為測試結果。試驗三中有5組試驗的少數載流子壽命和隱含開路電壓數據，試驗結果見表3。

由表3得到1 nm～2 nm氧化層厚度的iVoc為716 mV，與試驗二中G8組iVoc為716 mV相等，充分證明試驗工藝的穩定性與可重復性。當氧化層厚度為2 nm～3 nm時，試驗組的少子壽命增至 517 μs，iVoc為 720 mV。將氧化層厚度增至3 nm～4 nm，G11組的少子壽命發生突降，變為405 μs，iVoc為710 mV。SiOx的厚度可以影響硅基底中金屬離子的遷移速率以及濃度，當SiOx厚度較小（1 nm～

2 nm）時，氧化層對金屬離子擴散至多晶硅層的阻礙作用較小，在高溫環境中，多晶硅層中的金屬離子會擴散至硅基底中，取得動態平衡。當增加SiOx的厚度（2 nm～3 nm）時，氧化層加厚，多晶硅吸收硅基底中大部分金屬離子，導致硅基底中的少子壽命延長，iVoc增加。當繼續增加SiOx的厚度（3 nm～4 nm），金屬離子在SiOx的固溶度比在多晶硅中的固溶度高，因此較多的金屬離子存在于SiOx中，未被多晶硅吸收，將高溫后SiOx中的金屬離子重新分配至硅基底中，導致少子壽命減少，iVoc降低。

2 制造TOPCon電池

該吸雜技術均基于工業設備設計，考慮現有TOPCon電池生產技術已進入瓶頸，實際效率距離晶硅理論效率還有差距，將2 nm～3 nm的SiOx和90 nm poly-Si的850 ℃磷擴散吸雜工藝引入TOPCon生產線中。

TOPCon電池生產技術，電池正面依次為Ag電極、氮化硅、氧化鋁、P+發射極和硅基體；電池背面依次為Ag/Al電極、氮化硅、氧化鋁、摻磷多晶硅、遂穿氧化層和硅基體。目前，TOPCon電池技術分為2種路線，一種路線為采用PECVD[7]進行原位摻雜，形成Poly-Si/SiOx界面，該路線優點為生產工序少，電池開壓較高，缺點為電池良品率較低，碎片率較高。另一種路線為LPCVD生成Poly-Si，高溫擴散生成N+多晶硅，該路線良品率較高，兼容PERC生產線，但是工序較多。本文采用LPCVD路線生產TOPCon電池，工序依次為制絨、硼擴散、鏈式清洗和堿拋光，LPCVD和磷擴散，鏈式清洗和去繞鍍，ALD沉積氧化鋁，PECVD鍍SiNx，金屬化和分選測試。試驗結果見表4，盡管電流降低10 mA，串聯電阻變大，但是硅片質量提高，導致電池的開壓提升3 mV，吸雜后效率提升0.1%，進一步證實吸雜工藝可以吸取更多的金屬離子。

3 結語

對比磷擴散、硼擴散、P+-Poly和N+-Poly的吸雜效果，N+-Poly試驗效果良好。可改變磷擴散溫度，調節N+-Poly的表面濃度，隨著濃度增加，吸雜效果越來越好，多晶硅對磷原子的固溶度導致濃度無法一直上升。將其引入TOPCon生產線中，吸雜后硅片電池開壓提升3 mV，電池效率提升0.1%。

參考文獻

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