LPCVD法制備多晶硅薄膜分析

摘要：研究了低壓化學氣相沉積法（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD）制備TOPCon電池用多晶硅層的原理及優劣。TOPCon電池是一種高效率、低成本、適用于規模化生產的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構。LPCVD法作為制備TOPCon電池背面多晶硅層的一種重要方法，工藝原理簡單，成膜速率快，市場應用廣；方法存在繞鍍問題，需要復雜的繞鍍清洗工藝；用到的石英件耗材更換頻繁，價格昂貴，增加了電池成本。綜合計算成本結果為，LP法相對于PECVD法，電池單瓦成本略低0.01元/W；LPCVD法相對于PVD法，電池單瓦成本略高0.003元/W。

關鍵詞：TOPCon電池多晶硅層單瓦成本繞鍍

中圖分類號：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Fraunhofer太陽能研究所首次提出TOPCon電池的概念[1]，該技術的關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，兩者共同構成了隧穿鈍化結構。超薄氧化層能帶結構可以使電子隧穿而少子空穴被阻擋，使電子空穴分離，降低了復合；摻雜多晶硅能夠提供背面場鈍化，并實現了無須開孔的金屬電極接觸結構[2-6]，能有效提升電池的Voc和FF。

TOPCon電池的關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氣相沉積（LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD，后簡稱LP）法、等離子體增強化學氣相沉積（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD，后簡稱PE）法和物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）法。本文主要對LP沉積多晶硅層的方法進行分析。

1分析過程

1.1TOPCon電池工藝流程

根據隧穿氧化層+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構，其中多晶硅結構占比90%以上，之后的高溫過程可以將非晶硅進一步晶化，提升晶化率，同時對多晶硅層進行摻雜，該種方式已在行業里規模化應用。（2）PE法，多晶硅層為非晶硅和多晶硅的混合結構，其中多晶硅結構占比在80%左右，之后的退火過程有兩個作用，一是繼續對非晶硅進一步晶化，提升晶化率；二是激活上一步的磷原子，得到摻雜多晶硅結構。（3）PE法，退火與PE法作用類似。由于這三種方式的制備差異，后續需要的清洗過程也存在一定區別。

1.2LP法制備多晶硅過程

LP法制備多晶硅膜過程一般為以下幾步：（1）硅烷分子被輸運到沉積區；（2）硅烷分子擴散到襯底表面；（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行化學反應，生成硅原子及其副產物，Si原子沿表面進行遷移，結合到晶體點陣內部；（5）反應產生的副產物從表面解析；（6）反應副產物由表面外擴散進入主氣流并排出[7]。

LP法在低壓環境下進行，氣體分子的平均自由程和擴散系數很大，能夠得到較快的氣態反應物及副產物的質量傳輸速度。LP法制備多晶硅薄膜的反應溫度一般在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。從制備過程及分析可以看出，LP法制備多晶硅薄膜制程簡單，成膜速率10nm/min左右。

1.3生產中遇到的問題

1.3.1繞鍍問題

LP法制備膜層時，承載硅片的載具石英舟，一般采用硅片單槽雙插的方式，即硅片在同一個槽內背靠背放置。在高溫下，硅片會發生輕微變形；工藝過程中通入的反應氣體，也會使背靠背放置在一起的兩片硅片的相對位置受到影響。在高溫及氣流的共同作用下，同一個槽內的兩片硅片間產生縫隙，容易發生繞鍍，如圖1所示。繞鍍范圍大小受沉積時同一槽內兩片硅片間縫隙大小影響，不可控，后續需要復雜的繞鍍清洗工藝，會增加工藝難度與生產成本。

1.3.2耗材問題

LP設備用到了各種石英件，主要為石英管、石英舟和石英舟托。不同區域的溫度變化速度不同，會導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裂；隨著工藝循環次數增加，石英件表面沉積的多晶硅越來越厚，當石英管內壁沉積的多晶硅厚度變厚時，會降低石英管內的溫控精度，從而影響工藝的穩定性；因此石英件需要定期更換來保證工藝的正常運行。

由于LP反應溫度一般在580～650℃之間進行，石英件需具有良好的高溫耐受性以確保在長時間高溫工作下不發生變形或損壞。嚴苛的要求導致市面上高純石英件價格高。

1.3.3成本測算

LP法制備氧化硅層+多晶硅層，需要復雜的繞鍍清洗設備及繞鍍清洗工藝；石英件價格高，且需要定期更換，這都會造成電池成本的增加。行業里也在通過各種途徑進行降本，比如研發新型的繞鍍清洗添加劑，降低繞鍍清洗難度與復雜性；在石英件表面噴涂層，延長石英件的使用壽命。已經有廠家開發出了適合LP法制備氧化硅層+多晶硅層的繞鍍清洗添加劑并已經應用到生產中。從工藝角度來看，LP法只用到了硅烷和氧氣這兩種工藝氣體，工藝原理簡單，工藝穩定。綜合材料成本、人工成本、設備成本等對LP法、PE法和PVD法制備TOPCon電池的制造成本進行計算，LP法相對于PE法，電池單瓦成本略低0.03元/W；LP法相對于PVD法，電池單瓦成本略高0.008元/W。

1.4行業內應用情況

行業內主流制備多晶硅層的方式有LP法，PE法和PVD法。根據PV-InfoLink統計，目前在建+在產的TOPCon產能中，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%，主要廠商包括潤陽、沐邦、通威和天合；PVD法雖然成本略低，但其工藝復雜，設備穩定性差，PVD法占比較低，用戶主要是中來、東方日升。

2結語

LP法工藝原理簡單，成膜質量高，成膜速率快，10nm/min左右。LP法存在繞鍍的問題，需要復雜的繞鍍清洗工藝，清洗不當會造成嚴重的電池轉換效率損失。

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格，是LP成本增加的原因之一。綜合其他成本進行計算，LP法相對于PE法，電池單瓦成本略低0.03元/W；LP法相對于PECVD法，電池單瓦成本略高0.008元/W。

LP法制備多晶硅，在行業內TOPCon電池制備中被廣泛應用，在主流的3種制備技術中應用占比最大。

參考文獻

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[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電池的量產關鍵問題研究[D].大連：大連理工大學，2021.