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晶硅太陽電池的兩個發(fā)展方向分別是降低成本和提升效率。光伏行業(yè)競爭激烈，繼續(xù)降低成本十分困難，但提升效率仍有較大空間。復合損失是影響電池效率的關(guān)鍵因素。對于鋁背場（Al－BSF）傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)和主流的PERC電池來說，電池背面金屬／半導體界面缺陷密度較高，界面復合是造成效率損失的重要原因。為了降低界面復合損失，接觸面積需要進一步減少。然而，接觸面積占總電池面積的比例有一個下限，否則會造成接觸電阻過大，導致填充因子（FF）降低，電池轉(zhuǎn)換效率下降。另一個方式則是利用結(jié)對載流子的選擇通過特性（有效提高一種載流子的輸運，同時阻礙另一種載流子的通過），可大幅減少金屬／半導體界面的復合。

這種鈍化接觸在兩個方面上優(yōu)異于其他傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)：（1）金屬／半導體界面的復合通過晶硅和金屬接觸之間的鈍化層而減少；（2）多子可以由隧穿效應移動到金屬接觸，但少子因為載流子選擇性不能從晶硅移動到金屬接觸。這種鈍化接觸可用本征非晶硅或者超薄氧化硅作為鈍化層�；�于非晶硅的鈍化接觸便是異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)或者HIT；基于SiO2的鈍化接觸和多晶硅的疊加結(jié)構(gòu)便是TOPCon技術(shù)。因為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)目前工藝過程中有溫度限制，所以poly－Si／SiOx代替了非晶硅吸引到了眾多研究者和企業(yè)的關(guān)注。

1．TOPCon鈍化結(jié)構(gòu)

圖1．TOPCon電池結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源/北方華創(chuàng)提供，下同）

TOPCon電池結(jié)構(gòu)如圖1所示，電池襯底為N型硅，正面摻雜硼形成p＋發(fā)射極，在背面制備一層超薄氧化硅，然后再淀積一層摻雜多晶硅薄層，二者共同形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)。能夠有效降低表面復合和金屬接觸復合，并與金屬電極形成歐姆接觸，相對于PERC電池，轉(zhuǎn)換效率有較大提升空間。

1．1隧穿氧化層分析

隧穿氧化層是一層厚度1～2nm的SiOx。通常SiOx作為絕緣層出現(xiàn)在半導體器件中，但由于SiOx介電層非常薄，不會阻礙多子的傳輸?shù)珪�阻礙少子達到界面。多子通過隧穿原理實現(xiàn)輸運，少子則由于重摻雜Poly－Si和Si之間的勢壘難以通過該氧化層，因此可以顯著降低界面復合，隧穿效應如圖2所示。鈍化接觸結(jié)構(gòu)中SiOx通過化學鈍化降低Si基底與Poly之間的界面態(tài)密度，減少界面缺陷復合。可實現(xiàn)復合電流密度J0＜10fA／cm2，開路電壓接近甚至超過700mV。

圖2．隧穿效應示意圖

因為SiOx非常薄，在制備過程中非常容易生成針孔。載流子通過SiOx輸運是量子隧穿效應，但通過針孔可以直接穿過。針孔的數(shù)量和SiOx的厚度對最終的效率都有直接的影響。載流子通過針孔輸運時，Rs下降，F(xiàn)F升高，效率隨著針孔數(shù)量的變化可達到一個最高值。但在高密度針孔區(qū)域進一步增強針孔輸運，所有的性能參數(shù)（Voc，Jsc，F(xiàn)F）開始下降，導致效率降低。這個現(xiàn)象可以這樣解釋：在純隧穿的條件下，非線性的J－V特性顯示出高的衍生電阻，因此會導致FF的降低。當有針孔時，載流子也可以通過直接穿過SiOx，這可以降低Rs，因此會提高FF和效率直到達到最大值。然而，進一步提高針孔輸運將會增加載流子的一個分流路徑，減小結(jié)的勢壘高度，降低Voc。針孔數(shù)量增加也會降低鈍化性能，提高表面復合，降低電池性能。因此在超薄氧化硅鈍化層中一定合適數(shù)量的針孔對于足夠厚的SiOx（例如1．5nm）是必須的，這對于提高FF很有必要。實際太陽電池中如果Voc很低，表明輸運通道可能有太多針孔，這會導致鈍化性能很差。所以，選擇SiOx厚度和控制針孔密度是一個技術(shù)難點。

1．2摻雜多晶硅層分析

重摻雜多晶硅層對電池的鈍化性能至關(guān)重要。首先，Poly層對超薄氧化層起保護作用，避免其遭到破壞。其次，對Poly層進行重摻雜形成高低結(jié)（n／n＋－Si），能夠有效降低載流子在背面的復合速率，進一步提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。重摻雜多晶硅工藝的參數(shù)對鈍化性能十分關(guān)鍵，過高的擴散溫度或者退火溫度會使內(nèi)擴散嚴重造成iVoc衰減，并且Poly層膜厚的降低也會導致磷原子內(nèi)擴散到晶體硅中，降低iVoc。摻雜濃度對鈍化性能有較大影響，雜質(zhì)濃度較低范圍內(nèi)，鈍化性能隨著摻雜濃度升高而升高，但到峰值后開始隨著摻雜濃度升高鈍化性能急速下降。這反應了iVoc隨著摻雜濃度的提高而下降是因為磷原子向晶體硅內(nèi)擴散隨著摻雜濃度的提高而提高，另一方面是由于磷原子在層中的擴散濃度高于固溶度而造成死層。隧穿電流是輸運系數(shù)的函數(shù)，這由Si／SiOx之間的勢壘高度決定，SiOx層界面的載流子濃度會決定勢壘高度。所以，可以得出結(jié)論當poly層中摻雜濃度改變會導致隧穿電流改變。

2 ．TOPCon工藝重點

TOPCon技術(shù)與n－PERT雙面電池產(chǎn)線相兼容，可以通過對n－PERT雙面電池產(chǎn)線簡單的改造實現(xiàn)N型單晶雙面TOPCon電池的規(guī)�；�生產(chǎn)。隧穿氧化層可通過熱氧法得到，降低氧氣分壓后，氧化速率緩慢，可得到厚度和均勻性可控的氧化硅膜層。poly層可通過高溫下硅烷的熱分解實現(xiàn)。

LPCVD設(shè)備可一站式完成隧穿氧化層和poly層的制備。熱氧和淀積poly層兩個工藝二合一能夠大幅提高產(chǎn)能，降低設(shè)備成本，相對于其他設(shè)備有較大優(yōu)勢。熱氧工藝完成后在低壓狀態(tài)下進行淀積poly層，除節(jié)約時間外，更重要的是能夠?qū)Τ�薄氧化硅層起到保護作用，一方面使氧化層不會在出舟過程中被進一步氧化，失去隧穿效應；另一方面氧化層也不會在空氣中被污染。

Poly層中摻雜磷有兩種方式，分別是原位摻雜和非原位摻雜。原位摻雜是在淀積poly過程中直接摻雜。非原位摻雜是淀積poly層完成后，再進行摻雜�？蛇x用兩種方式，一是離子注入加退火，二是磷擴散。離子注入工藝單面性較好，但是設(shè)備昂貴，產(chǎn)能低，大規(guī)模量產(chǎn)設(shè)備成本較高。磷擴工藝單面性稍差，但可以通過工藝設(shè)計可以解決這個問題，并且磷擴散設(shè)備在光伏市場上已經(jīng)十分成熟，價格較低，工藝也非常穩(wěn)定。綜合考慮，在TOPCon電池量產(chǎn)中，LPCVD完成隧穿氧化層和Poly層的制備，再進行磷擴散是性價比最優(yōu)選擇。

3．LPCVD設(shè)備優(yōu)勢

圖3北方華創(chuàng)LPCVD設(shè)備

我們采用北方華創(chuàng)HORIS L8574A系列LPCVD設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備是針對TOPCon電池研發(fā)的臥式LPCVD，能夠完成TOPCon電池背面隧穿氧化層和Poly層的制備，具有以下優(yōu)勢：第一、產(chǎn)能大。該機型為量產(chǎn)型LPCVD，每臺設(shè)備5根爐管，單管1200／1600片兩種可選；第二、工藝效果優(yōu)異，具體數(shù)據(jù)見下文：

圖4poly膜厚160nm整舟和不同溫區(qū)硅片鍍膜情況（在帶有氧化層法的硅襯底上淀積poly，通過顏色反映膜厚均勻性）

圖5淀積poly后SEM截面照片

表1 1600片LPCVD 淀積poly層膜厚結(jié)果

由圖4可以看出，整舟硅片淀積poly后顏色一致，六個溫區(qū)各取一片測試，外觀顏色基本無差別，可初步判斷poly層膜厚均勻性良好。采用SEM觀察淀積poly層后的硅片截面，如圖5所示，可以清晰分辨出由氧化層隔開的poly層。使用橢偏儀對poly層厚度進行精確測量，膜厚和均勻性見表1，膜厚均值158．8nm，片內(nèi)均勻性＜2％，片間均勻性＜4％，該工藝已實現(xiàn)TOPCon電池產(chǎn)線穩(wěn)定量產(chǎn)。

總結(jié)

本文分析了TOPCon電池的核心鈍化接觸結(jié)構(gòu)，隧穿氧化層和重摻雜poly疊層結(jié)構(gòu)能夠取得卓越的鈍化效果。LPCVD設(shè)備可完美實現(xiàn)二合一工藝，很好地滿足產(chǎn)線需求。隨著設(shè)備和技術(shù)路線的日益成熟，TOPCon電池成為了近期光伏行業(yè)的發(fā)展潮流。設(shè)備供應商還應繼續(xù)提高設(shè)備性能和產(chǎn)能，才能更有效地促進光伏行業(yè)的發(fā)展。

（本文作者/北方華創(chuàng)鄧凌霄）