基于SE技術(shù)的硼擴散和氧化退火工藝研究

摘"要：主要探究了關(guān)于N-TOPCon電池應用于選擇性發(fā)射極（SE）技術(shù)中的硼擴散和氧化退火工藝。通過設定實驗變量，包括無氧推進過程及其所處的硼擴散和氧化退火工藝階段，進行了方阻、ECV和鈍化方面測試驗證。在氧化退火工藝中，低溫氧氣注入（860"℃）能夠改善整個非SE區(qū)域方阻的均勻性，延長升溫無氧推進過程會降低方阻的均勻度；利用氧化硅和硅對于硼原子的不同擴散系數(shù)，低溫氧氣注入可以有效抑制硼原子的劇烈擴散，改善方阻均勻度。實驗通過低溫氧氣注入，片內(nèi)方阻的標準方差由32.5%改善至2.5%，增加了方阻均勻度。硼擴散工藝在BCl3源沉積后的推進程度決定了氧化退火工藝后的非SE區(qū)域的方阻和表面濃度。實驗通過調(diào)節(jié)硼擴散的推進程度使得表面濃度由1.2E19atom/cm3降低至5E18atom/cm3，表面暗電流飽和密度由47fA/cm2降低至37"fA/cm2，I-Voc提升了8mV。有效降低了飽和暗電流以及提升了開路電壓。

關(guān)鍵詞：低溫氧化；方阻均勻度；推進；表面濃度；飽和暗電流密度

太陽能作為一種新興的可再生能源，是目前能夠替代煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的最有效手段。近年來，隨著各國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，光伏裝機量在不斷攀升。光伏技術(shù)隨著市場需求的發(fā)展亦是不斷迭代更新，電池技術(shù)也是不斷更新升級[1]。N型TOPCon（Tunnel"Oxide"Passivating"Contacts）隧穿氧化層鈍化接觸技術(shù)快速替代原有P型PERC（Passivated"Emitter"and"Rear"Cell）鈍化發(fā)射極和背部接觸電池技術(shù)得以快速發(fā)展，成為目前炙手可熱的光伏電池技術(shù)之一。在N型TOPCon電池制備的工藝過程中，硼發(fā)射極的制備是形成PN結(jié)的關(guān)鍵步驟，是整個太陽能電池的心臟。硼發(fā)射極的產(chǎn)業(yè)化制備主要包括BBr3和BCl3兩種源來進行，由于BCl3自身特性，有利于延長爐管的壽命周期和低成本以及副產(chǎn)物Cl2的去雜質(zhì)功能等優(yōu)點，目前大多電池生產(chǎn)廠家使用BCl3源來制備PN結(jié)[2]。N型TOPCon電池硼發(fā)射極一般是使用Al2O3來進行鈍化，能夠有效的降低表面復合電流密度。相關(guān)的硼發(fā)射極鈍化也有較多的研究，主要是因為Al2O3膜自身的負電性，適合鈍化p型界面，而不會誘發(fā)反轉(zhuǎn)層[3]，且能夠起到降低缺陷態(tài)密度和場鈍化作用[4]。

當前，TOPCon電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷完善更新，新一代的N型技術(shù)就包含了在硼發(fā)射極上的SE（Selective"Emitter）選擇性發(fā)射極制備技術(shù)。SE技術(shù)主要是提升接觸區(qū)域摻雜濃度，改善金屬柵線接觸區(qū)域接觸電阻，和降低金屬與半導體Ag/Al和硅基的接觸復合[5]。然而在非SE區(qū)域仍然需要低摻雜濃度，降低表面復合，以此來提升太陽能電池的輸出電流和電壓，增加光電轉(zhuǎn)換效率[6]。在此基礎(chǔ)上多種SE技術(shù)誕生，例如硼酸擴散、濕化學刻蝕、離子注入等，目前光伏電池產(chǎn)業(yè)運用居多的是LDSE（激光摻雜選擇性發(fā)射極）技術(shù)[7]。

目前大部分研究主要關(guān)注于激光SE技術(shù)本身，而針對于應用到SE技術(shù)的硼擴散和氧化退火工藝研究居少，本文主要是針對適用于SE技術(shù)的硼擴散和氧化退火工藝溫度曲線對方阻，硼摻雜和鈍化性能方面的影響開展探究。

1"實驗

1.1實驗材料及設備

本實驗采用電阻率為0.5-2.1Ωcm，尺寸為158.75mm×158.75mm的n型Cz-Si硅片制備了硼擴散和后氧化退火樣片。首先將硅片在堿性溶液（KOH）中進行織構(gòu)化制絨處理生成金字塔絨面結(jié)構(gòu)，然后再用氫氟酸和鹽酸進行清洗去除表面殘余金屬雜質(zhì)，制備了實驗硼擴散和氧化退火所需的絨面樣片。

實驗設備：湖南紅太陽光電科技有限公司的管式硼擴散和退火設備。

方阻測試儀：PV"tools"方阻測試儀器，利用四探針原理進行測試。

檢測方法：實驗采用5點測試法，點1、點2、點4和點5位于硅片四個角位置，點3位于硅片的中心處，其測試點位置如圖1所示。

p+發(fā)射極摻雜濃度：德國WEP"CVP21儀器。

檢測方法：使用電化學電容電壓法測得，首先將樣品用氫氟酸清洗去除表面生成的BSG（硼硅玻璃）然后再進行測試。

少子壽命測試儀：Sinton"WCT-120的準穩(wěn)態(tài)光電導（QSSPC）系統(tǒng)。

檢測方法：統(tǒng)一篩選電阻率為1Ωcm的硅片進行制樣，樣品清洗去除表面BSG后制備了雙面對稱結(jié)構(gòu)的鈍化層Al2O3/Si3N4，并測試了不同條件下的飽和暗電流密度（J0）和理想開路電壓（I-Voc）。

1.2實驗方法

實驗共分為A、B、C、D四組樣品，其中A組樣品是硼擴散和氧化工藝依次進行但是在同一次工藝完成，其工藝溫度曲線如圖2所示，工藝過程主要包括BCl3源沉積、無氧推進和氧化三個主要的工藝階段。而B、C、D三組樣品均模擬目前SE技術(shù)的硼擴散和后退火工藝，先進行硼擴散工藝，結(jié)束后再進行氧化退火工藝共兩次工藝過程，根據(jù)實際使用的硼擴散工藝和氧化退火工藝的不同分成三種不同的情況。實驗設計思路如表1所示。組B是在硼擴散工藝中進行BCl3源沉積，然后在氧化退火工藝中進行無氧推進和氧化；組C是硼擴散工藝中進行BCl3源沉積和無氧推進，然后在氧化退火中工藝中進行氧化；組D是硼擴散工藝中進行BCl3源沉積，然后在氧化退火工藝中進行氧化；三者的差異在于無氧推進過程的有無，以及推進過程所處的工藝階段。其詳細的組B、組C和組D樣品硼擴散和氧化退火工藝溫度曲線如圖3所示。

2實驗結(jié)果分析

2.1方阻表現(xiàn)

實驗中測試得到四組實驗樣片的方阻情況，如表2所示。組A是使用的TOPCon電池未進行SE技術(shù)時的硼擴散制備PN結(jié)工藝，實驗中由組A可見實驗所采用沉積BCl3源參數(shù)、推進參數(shù)和氧化參數(shù)相對較佳，組A的片內(nèi)標準方差在3%左右水平，表明其具有較佳的方阻均勻性。而組B是先進行硼擴散工藝沉積BCl3源，然后再進行退火工藝，明顯的方阻片內(nèi)方差變差，片內(nèi)標準方差由組A的3.05%增加至32.5%水平，中心點的方阻顯著增高，使得整個發(fā)射極不均勻，會導致太陽能電池橫向電阻偏大問題。兩者在其他條件相同情況下主要是工藝分步進行而致使溫度曲線的差異，說明沉積完BCl3源，冷卻后然后再進行后續(xù)氧化退火的升溫無氧推進的過程會降低片內(nèi)方阻的均勻度。這主要是長時間的升溫過程由爐管壁導熱至硅片中心徑向溫度差異的時間累積熱輻射差異所致[8]。組C和組D的方阻分別在120Ω-130Ω和250Ω-260Ω之間，與組B比較我們可以發(fā)現(xiàn)在退火階段低溫氧化注入可以顯著改善方阻的均勻性，這主要是因為氧化硅和硅對于硼原子擴散系數(shù)的差異所致[9]，低溫階段通入氧氣抑制了硼原子向硅片基底的擴散，降低了升溫階段溫度輻射對硅片邊緣和中心差異的影響。另外組C和組D比較也可以發(fā)現(xiàn)在硼擴散BCl3源沉積階段，可以通過無氧推進來調(diào)節(jié)退火后方阻的差異，組C增加無氧推進方阻在120Ω-130Ω，組D減少推進方阻在250Ω-260Ω，因此我們可以調(diào)整硼擴散階段無氧推進溫度來調(diào)節(jié)非SE區(qū)域方阻，增加推進溫度方阻降低，降低推進溫度方阻增加，這使得方阻的調(diào)控變得簡易。

2.2"ECV摻雜表現(xiàn)

ECV在太陽能電池擴散技術(shù)中具有重要作用，用于表征摻雜情況。針對組B、組C和組D不同組別樣品，實驗測試了其硼擴后和退火后的ECV摻雜曲線，如圖4所示。組A退火后方阻在145Ω，其結(jié)深1.25um；組B由于其自身方阻的不均勻性，選取測試點的方阻在180Ω，其表面濃度有一定程度降低；組C方阻在125Ω，其表面濃度較高在1.2E19atom/cm3，結(jié)深也略微偏深；組D具有最高的方阻其表面濃度僅有5E18atom/cm3。由組C和組D可以推斷出硼擴散工藝階段的無氧推進程度決定了非SE區(qū)域氧化退火后的表面濃度。同時實驗也測試了組B、組C和組D的硼擴散后的ECV曲線，即組B和組D的沉積ECV曲線和組C的沉積和無氧推進的ECV曲線如圖4（b）所示。這里可以看出硼擴散的無氧推進條件顯著的改變了摻雜的表現(xiàn)，組C的970℃推進使得硅基底硼原子含量增多結(jié)深由0.2um增加至0.55um，表面濃度由9"E19atom/cm3，增加到了1.27E20atom/cm3，是影響退火工藝方阻的關(guān)鍵所在。以上表明硼擴散的無氧推進程度可以調(diào)節(jié)SE非接觸區(qū)域摻雜量，調(diào)節(jié)表面濃度。

2.3鈍化表現(xiàn)

圖5是不同組別樣品得飽和暗電流密度（J0）和理想開路電壓（I-Voc）表現(xiàn)，實驗中組A飽和暗電流密度在40fA/cm2，I-Voc在688mV水平，而組B整體表現(xiàn)較差，飽和暗電流密度較高，I-Voc偏低，主要是方阻均勻性較差引起；組C雙面飽和暗電流密度J0在47fA/cm2，基本與組A一致，從ECV摻雜曲線可以看出其兩者基本一致的表面濃度，使得其表面復合基本上一致。組D整體相較組C較佳，雙面飽和暗電流密度J0由47fA/cm2下降至37"fA/cm2，I-Voc也提升了8mV的水平，主要是表面摻雜表面濃度降致使表面復合降低。可以得出通過此方法能有效調(diào)節(jié)非SE區(qū)域表面濃度，降低表面載流子復合，提升開路電壓。

結(jié)語

探究了應用于N型TOPCon電池硼發(fā)射極SE技術(shù)的不同硼擴散和后氧化退火工藝溫度曲線的摻雜，方阻和鈍化性能表現(xiàn)。表明后氧化退火工藝低溫氧氣注入能夠有效改善整個非SE區(qū)域方阻均勻性，過多的升溫無氧推進過程在后氧化退火過程中會使得方阻的均勻度下降，而利用氧化硅和硅對于硼原子的不同擴散系數(shù)，可以有效抑制硼原子的劇烈擴散，改善方阻均勻度。另外硼擴散工藝在BCl3源沉積后的推進程度決定了氧化退火工藝后的非SE區(qū)域的方阻和表面濃度。這是一種有效降低飽和暗電流和提升開路電壓的重要手段。

參考文獻：

• 趙科巍，劉文超，郭衛(wèi)，等.基于硼擴散的多晶硅太陽能電池背鈍化工藝研究[J].山西能源學報，2017，30（3）：220-222．
• 龍輝，趙志然，李明，等.基于BCl3源的低壓硼擴散設備及工藝研究[J].有色設備，2022，36（2）：18-22．
• Dingemans"G，"Kessels"W"M"M."Status"and"prospects"of"Al2O3-based"surface"passivation"schemes"for"silicon"solar"cells"[J]."Journal"of"Vacuum"Science"amp;"Technology"A："Vacuum，"Surfaces，"and"Films，"2012，"30（4）.
• Richter"A，"Glunz"S"W，"Werner"F，"et"al."Improved"quantitative"description"of"Auger"recombination"in"crystalline"silicon"[J]."Physical"Review"B，"2012，"86（16）.
• T.G."Allen，"J."Bullock，"X."Yang，"A."Javey，"S."De"Wolf，"Passivating"contacts"for"crystalline"silicon"solar"cells，"Nat."Energy"（2019）"1–15."
• E."Lohmüller，"S."Werner，"R."Hoenig，"J."Greulich，"F."Clement，"Impact"of"boron"doping"profiles"on"the"specific"contact"resistance"of"screen"printed"Ag–Al"contacts"on"silicon，"Sol."Energy"Mater."Sol."Cells"142"（2015）"2–11."
• P."Ebrahimi，"M."Kolahdouz，"M."Norouzi，"H."Aghababa，"A."Aletayeb，"E."Asl-"Soleimani，"Selective"boron"diffusion"without"masking"layer"using"boric"acid"for"solar"cell"emitter"formation，"J."Mater."Sci."Mater."Electron，"28"（2017）"10794–10798.
• 呂欣.TOPCon雙面太陽電池工藝技術(shù)的研究[D].西安：西安理工大學，2020.
• 余雙龍，魏青竹，李玉芳，等.N型太陽電池硼擴散制備正面發(fā)射極工藝研究[J].太陽能學報，2020，41"（3）：276-281．

作者簡介：成秋云（1976—""），男，湖南長沙，碩士研究生，高級工程師，主要從事半導體及光伏設備工藝工作。

*通訊作者：陳駿。