TOPCon太陽電池背面疊層poly工藝的優(yōu)化及其對電性能的影響

收稿日期：2024-01-11

基金項(xiàng)目：基礎(chǔ)研究計(jì)劃自然科學(xué)基金——青年基金項(xiàng)目（BK20220240）

通信作者：高紀(jì)凡（1965—），男，碩士，主要從事晶體硅太陽電池及光伏組件、儲能等創(chuàng)新技術(shù)方面的研究。Jifan.gao@trinasolar.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240111.03 文章編號：1003-0417（2024）04-73-07

摘 要：通過增加TOPCon太陽電池poly層中的磷摻雜濃度可以增強(qiáng)poly層與硅基底之間的鈍化效果并提高poly層與金屬電極間的接觸能力，但過高的摻雜濃度會導(dǎo)致磷原子擴(kuò)散到硅基底，破壞氧化層與硅基底之間的界面鈍化效果。為了解決這一問題，提出在poly層中間增加一層薄的氧化層作為阻擋層（即疊層poly工藝，下文簡稱為“疊層工藝”）的方案，將原本單一的poly-Si磷摻雜進(jìn)行雙層分布，底層poly-Si輕摻雜，表層poly-Si重?fù)诫s；對常規(guī)工藝和疊層工藝制備TOPCon的太陽電池進(jìn)行對比試驗(yàn)后，進(jìn)一步優(yōu)化疊層工藝，調(diào)整中間氧化層厚度，并研究不同中間氧化層厚度的疊層工藝對TOPCon太陽電池電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）疊層工藝可以提高TOPCon太陽電池的電性能；2）當(dāng)中間氧化層厚度提升至1.5 nm時，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高值（25.66%）。但中間氧化層的厚度是一個需要精確控制的工藝參數(shù)，需找到最佳的厚度平衡點(diǎn)，以提高太陽電池性能。

關(guān)鍵詞：TOPCon太陽電池；poly層；磷摻雜濃度；鈍化效果

中圖分類號：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

在光伏發(fā)電技術(shù)突飛猛進(jìn)的當(dāng)下，高效、高穩(wěn)定性的TOPCon太陽電池備受矚目。此類太陽電池的技術(shù)核心在于其背面隧穿氧化層與poly層的組合結(jié)構(gòu)[1-2]，背面poly層對提高TOPCon太陽電池的鈍化效果和電性能具有重大貢獻(xiàn)[3]。TOPCon太陽電池的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1" TOPCon太陽電池的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1" Schematic diagram of cross-sectional structure of

TOPCon solar cells

太陽電池背面的poly層能與硅基底共同構(gòu)建優(yōu)良的界面鈍化層，這種鈍化層能夠降低硅基底與poly層之間的界面態(tài)密度，從而降低電子和空穴的復(fù)合概率，使多數(shù)載流子的濃度顯著高于少數(shù)載流子的濃度。此外，隧穿氧化層能有效阻擋少數(shù)載流子的通過，而多數(shù)載流子則可直接通過。這種設(shè)計(jì)有助于提升太陽電池的開路電壓和填充因子，進(jìn)而提高其光電轉(zhuǎn)換效率[4-6]。

為進(jìn)一步提高TOPCon太陽電池的電性能，可以通過增加poly層中的磷摻雜濃度來增強(qiáng)poly層與硅基底之間的鈍化效果和改善poly層與金屬電極之間的接觸能力，良好的金屬化接觸可以降低接觸電阻，提高電流傳輸效率，進(jìn)一步提高太陽電池電性能[7]。

然而，隨著ploy層中磷摻雜濃度的提高，會導(dǎo)致磷原子大量擴(kuò)散到硅基底中，從而削弱氧化層與硅基底之間的界面鈍化效果。氧化層的鈍化作用是通過界面態(tài)的修飾和調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的，而磷原子的擴(kuò)散會破壞太陽電池的這一結(jié)構(gòu)，使電子和空穴的復(fù)合概率增加，開路電壓和填充因子降低，從而影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率[8-9]。

為解決這一問題，本文提出在TOPCon太陽電池的poly層中間增加一層薄的氧化層作為阻擋層（即疊層poly工藝，下文簡稱為“疊層工藝”）的設(shè)計(jì)方案，并將采用該工藝和常規(guī)工藝制備的太陽電池進(jìn)行電性能對比。這種分層摻雜的方式可以控制磷原子的擴(kuò)散行為，減少磷原子進(jìn)入硅基底的數(shù)量，從而保持氧化層的阻擋作用和鈍化效果。同時，poly層中也可以保持較高的磷摻雜濃度，以獲得良好的鈍化及接觸效果。本研究對于提高TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有參考意義。

1" 實(shí)驗(yàn)過程

TOPCon太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)制備流程示意圖如圖2所示。圖中：LPCVD為低壓化學(xué)氣相沉積，該工序?yàn)殛P(guān)鍵步驟之一，其用于在硅片背面沉積氧化硅和多晶硅薄膜；SE為選擇性發(fā)射極；BSG為硼硅玻璃；RCA為RCA清洗法；ALD為原子層沉積。

圖2" TOPCon太陽電池的標(biāo)準(zhǔn)制備流程圖

Fig. 2" Standard preparation process diagram for

TOPCon solar cells

TOPCon太陽電池制備過程的關(guān)鍵步驟說明：

1）堿制絨：利用堿溶液對硅片表面進(jìn)行處理，制備出隨機(jī)的金字塔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以增加光捕獲能力，提高太陽電池短路電流。

2）硼發(fā)射極制備：在硅片的正面，通過擴(kuò)散的方式制備出方阻為110 Ω/□的硼發(fā)射極。這一步驟是為了在硅片正面形成一個良好的電接觸。

3）背面氧化硅層及多晶硅層的制備：采用LPCVD方式在硅片的背面沉積氧化硅層及多晶硅層。這部分是背面結(jié)構(gòu)的核心，其中的多晶硅薄膜會為后續(xù)的磷擴(kuò)散做準(zhǔn)備。

4）磷擴(kuò)散：對背面的多晶硅薄膜進(jìn)行磷擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s及高溫晶化。磷擴(kuò)散的濃度、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間都會影響多晶硅薄膜的電學(xué)性能。

5）正面氧化鋁沉積：在硅片的正面沉積一層氧化鋁，確保正面的鈍化效果，減少電子空穴的復(fù)合概率。

6）雙面減反射膜制備：在太陽電池的雙面制備減反射膜，增強(qiáng)光的減反效果，同時進(jìn)一步加強(qiáng)鈍化效果。

7）電極制備：完成正面電極和背面電極的制備，為太陽電池提供電流收集和輸出的功能。

本實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注LPCVD工序，并以采用單層poly層常規(guī)工藝的太陽電池作為基準(zhǔn)與采用疊層工藝的太陽電池進(jìn)行對比。通過對比實(shí)驗(yàn)，可以評估兩種工藝對TOPCon太陽電池電性能的影響。同時，在保持其他條件不變的情況下，通過調(diào)整疊層工藝中間氧化層的厚度[10]，對該工藝進(jìn)行優(yōu)化，以研究其對TOPCon太陽電池電性能的影響。

在磷擴(kuò)散完工序成后，采用德國WEP公司生產(chǎn)的CVP21型擴(kuò)散濃度分布測試儀進(jìn)行磷濃度分布曲線測試，該設(shè)備具有高精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確測量磷在硅材料中的濃度分布情況。采用美國JA Woollam公司生產(chǎn)的M2000XF型光譜橢偏儀測試隧穿氧化層、中間氧化層及poly層厚度。使用德國Halm公司的脈沖太陽模擬器評估太陽電池的電性能，通過模擬標(biāo)準(zhǔn)測試條件（即AM1.5，環(huán)境溫度為25 ℃，太陽輻照度為1000 W/m2），測量太陽電池I-V曲線，得到太陽電池的關(guān)鍵性能參數(shù)，比如：開路電壓Uoc、短路電流Isc、填充因子FF等，進(jìn)而得出光電轉(zhuǎn)換效率Eta。

2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1" 疊層工藝與常規(guī)工藝對比

隨著poly層磷摻雜濃度的提高，隧穿氧化層擊穿的風(fēng)險(xiǎn)也會增加。為減少隧穿氧化層被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，同時減小磷原子內(nèi)擴(kuò)的程度，采用疊層poly工藝，將原本單一的poly層分為兩層，對底層poly-Si進(jìn)行輕磷摻雜，對表層poly-Si進(jìn)行重磷摻雜。采用常規(guī)工藝與疊層工藝分別制備的太陽電池電性能箱線圖對比如圖3所示。

由圖3可以看出：相較于采用常規(guī)工藝的太陽電池，采用疊層工藝的太陽電池性的光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.08%，開路電壓提升了3.4 mV，短路電流提升了17 mA，但填充因子降低了0.21%。

a. Eta

b. Uoc

c. Isc

d. FF

圖3" 采用兩種工藝分別制備的太陽電池電性能箱線圖對比

Fig. 3" Comparison of electrical performance box diagram of solar cells prepared by two different processes

在磷原子擴(kuò)散過程中，大部分磷原子會摻雜到表層poly-Si中，只有少部分磷原子能夠透過阻擋層進(jìn)入底層poly-Si進(jìn)行再次摻雜。常規(guī)工藝與疊層工藝下的磷摻雜曲線如圖4所示。

圖4" 常規(guī)工藝與疊層工藝下的磷摻雜曲線

Fig. 4" Phosphorus doping profiles under normal process and stacked process

由圖4可以看出：在poly-Si膜層表面（即深度0.0 μm處），兩種工藝的磷摻雜濃度基本一致；但在深度約0.1 μm處，疊層工藝較常規(guī)工藝先出現(xiàn)快速下降拐點(diǎn)，進(jìn)而其整體摻雜濃度快速下降，在poly層與硅基底界面附近（即深度0.1～0.2 μm處）兩種工藝下的摻雜濃度差異較為明顯。摻雜濃度的變化會對載流子傳輸產(chǎn)生一定影響，疊層工藝中，底層poly-Si的輕摻雜使硅片表面電阻升高，從而導(dǎo)致填充因子有所降低。

由于磷原子的內(nèi)擴(kuò)程度減小，SiO2層與硅基底之間的界面復(fù)合隨之降低，減小暗飽和電流的同時增強(qiáng)了載流子的收集。這意味著電子和空穴在氧化層中的復(fù)合概率減小，從而減少了電子和空穴的湮滅，進(jìn)而降低暗飽和電流的產(chǎn)生。當(dāng)隧穿氧化層界面復(fù)合降低時，電子在氧化層界面處的壽命增加，這使更多的電子有機(jī)會隧穿氧化層，提高了隧穿效率，增加了電流的輸出，從而減少對暗飽和電流的影響。

隨著暗飽和電流密度的降低，開路電壓會隨之提高。同樣，隨著載流子傳輸效果的增強(qiáng)，短路電流密度也會增加，因此短路電流也會隨之增加。開路電壓計(jì)算式為：

Uoc=kTq-1ln" "Jsc" "+1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

J0

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為電子電荷；Jsc為短路電流密度；J0為暗飽和電流密度。

疊層工藝相較于常規(guī)工藝，在poly層中間引入了一層氧化層（二氧化硅）作為阻擋層，達(dá)到了表層poly-Si摻雜濃度高，底層poly-Si摻雜濃度低的效果，在保證隧穿氧化層工藝效果的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了鈍化效果。帶來了短路電流和開路電壓的提升，進(jìn)而提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.2" 中間氧化層不同厚度時對太陽電池電性能的影響

從疊層工藝與常規(guī)工藝的對比分析中，可以看出中間氧化層對磷摻雜濃度的分布影響較大，因此以中間氧化層厚度為1.0 nm作為基準(zhǔn)，分別驗(yàn)證0.5、1.0、1.5、2.0 nm厚度的中間氧化層對太陽電池電性能的影響。不同厚度中間氧化層制備的太陽電池的電性能箱線圖如圖5所示。

由圖5可以看出：隨著中間氧化層厚度的增加，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率先增加后降低。在中間氧化層厚度為1.5 nm時，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到了25.66%；隨著中間氧化層厚度的增加，開路電壓和短路電流均呈先增加后降低的趨勢，均在中間氧化層厚度為1.5 nm時

a. Eta

b. Uoc

c. Isc

d. FF

圖5" 不同厚度中間氧化層制備的太陽電池的電性能箱線圖

Fig. 5" Electrical performance box diagram of solar cell prepared by intermediate oxide layers with different thicknesses

達(dá)到最大，分別為0.7287 V和13.696 A；在中間氧化層厚度為1.0 nm時，填充因子為最高值（84.93%）。

不同中間氧化層厚度時的磷摻雜曲線如圖6所示。

圖6" 不同中間氧化層厚度時的磷摻雜曲線

Fig. 6" Phosphorus doping curves for different thicknesses of

intermediate oxide layer

從圖6可以看出：在中間氧化層厚度為1.0 nm的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加氧化層厚度可以得到更好的磷摻雜曲線。具體表現(xiàn)為：從膜層表面來看，0.5、1.0、1.5、2.0 nm厚度中間氧化層的磷摻雜濃度基本一致，當(dāng)深度大于0.1 μm時，可以看出不同厚度氧化層的磷摻雜濃度變化差異較大；當(dāng)中間氧化層厚度為0.5 nm時，在深度超過0.1 μm處磷摻雜濃度曲線有略微下降的趨勢，而在此深度下，中間氧化層厚度為1.0、1.5 nm時，磷摻雜濃度曲線下降更為明顯，界面處復(fù)合更小，但在中間氧化層厚度為2.0 nm時，界面處磷摻雜濃度曲線出現(xiàn)陡降。

中間氧化層常作為磷摻雜阻擋層來使用，當(dāng)中間氧化層減薄至0.5 nm時，其阻擋效果變差，更多的磷原子能夠穿過氧化層，導(dǎo)致SiO2/Si界面的磷濃度升高。這會增加界面載流子復(fù)合，降低短路電流和填充因子。

隨著中間氧化層厚度的增加，其阻擋效果會提升，減少磷原子擴(kuò)入，提升界面鈍化效果，同時提高poly層與硅基底濃度差異，增強(qiáng)了場鈍化效果。因此，由場鈍化、界面鈍化雙重效應(yīng)帶來的界面處載流子復(fù)合降低，進(jìn)一步提升了開路電壓和短路電流。

然而，隨著中間氧化層厚度不斷增加，載流子隧穿的幾率會大幅降低。此時載流子主要通過針孔來傳輸，當(dāng)中間氧化層中針孔數(shù)量過少時，會使載流子傳輸受限。當(dāng)中間氧化層厚度達(dá)到2.0 nm時，較厚的氧化層對載流子的阻擋作用過于嚴(yán)重，載流子無法穿過氧化層，導(dǎo)致太陽電池內(nèi)部載流子傳輸速率減弱，從而降低了光電轉(zhuǎn)換效率，造成開路電壓和短路電流的降低。同時，中間氧化層厚度的增加也會增加載流子傳輸時的電阻，致使填充因子下降。

因此，中間氧化層的厚度是一個需要精確控制的工藝參數(shù)，太薄會導(dǎo)致鈍化效果不佳或出現(xiàn)雜質(zhì)原子內(nèi)擴(kuò)問題，太厚則會阻擋少子遷移，這些問題都會導(dǎo)致太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降。為了獲得最佳的性能，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化疊層poly的制備工藝，以找到最佳的氧化層厚度平衡點(diǎn)。

3" 結(jié)論

為解決poly層磷摻雜濃度提高導(dǎo)致的隧穿氧化層擊穿風(fēng)險(xiǎn)隨之增加的問題，本文通過采用疊層工藝，在原本單一的poly層中間插入一層氧化層（SiO2）作為阻擋層，從而實(shí)現(xiàn)對底層poly-Si的輕摻雜和對表層poly-Si的重?fù)诫s。這種重?fù)诫s的實(shí)現(xiàn)，得益于在擴(kuò)散過程中大部分雜質(zhì)原子摻雜入表層poly-Si，而少部分雜質(zhì)原子則透過阻擋層進(jìn)入底層poly-Si進(jìn)行再次摻雜。對分別采用常規(guī)工藝和疊層工藝的太陽電池的電性能進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)論：

1） 疊層工藝使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升0.08%，開路電壓提升3.4 mV，短路電流提升17 mA，但填充因子降低了0.21%。

2） 疊層工藝的poly層的硅基底磷摻雜濃度低于常規(guī)工藝的，這說明疊層工藝poly-Si的磷原子內(nèi)擴(kuò)較小。

3） 對中間氧化阻擋層的厚度進(jìn)行優(yōu)化，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升，達(dá)到了25.66%。中間氧化層的厚度是一個需要精確控制的工藝參數(shù)，應(yīng)找到最佳的中間氧化層厚度平衡點(diǎn)。

因此，通過疊層工藝對poly-Si膜層的磷摻雜分布進(jìn)行優(yōu)化，可以有效地提升TOPCon太陽電池的電性能。

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OPTIMIZATION OF Back STACKING Poly PROCESS AND ITS IMPACT ON ELECTRICAL PERFORMANCE OF

TOPCon SOLAR CELLS

Fan Jinxing1，2，Liu Shaoyang2，Gao Jifan1，2

（1. Trina HeSheng Energy （Shanghai） Co. Ltd，Shanghai 201105，China；

2. State key Laboratory of PV Science and Technology，Trina Solar Co. Ltd.，Changzhou 213031，China）

Abstract：By increasing the phosphorus doping concentration in the poly layer of TOPCon solar cells，the passivation effect between the poly layer and the silicon substrate can be enhanced，and the metalization contact ability between the poly layer and the metal electrode can be improved. However，excessive doping concentration can cause phosphorus atoms to diffuse to the silicon substrate，disrupting the interface passivation effect between the oxide layer and the silicon substrate. To address this issue，this paper proposes a scheme of adding a thin oxide layer as a barrier layer in the middle of the poly layer （i.e.，the stacked poly process，hereinafter referred to as the \"stacked process\"）. The originally one poly-Si phosphorus doping is distributed in a double-layer，with the bottom poly-Si lightly doped and the surface poly-Si heavily doped. After conducting comparative experiments on TOPCon solar cells prepared by conventional and stacked processes，the stacking process is further optimized，the thickness of the intermediate oxide layer is adjusted，and the influence of different stacking processes on electrical performance is studied. The experimental results show that：1） The stacking process can improve the electrical performance of TOPCon solar cells；2） When the thickness of the intermediate oxide layer is increased to 1.5 nm，the photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells reaches its highest value （25.66%）. But the thickness of the intermediate oxide layer is a process parameter that requires precise control，and the optimal thickness balance point needs to be found to improve the performance of solar cells.

Keywords：TOPCon solar cell；poly layer；phosphorus doping concentration；passivation effect