TOPCon太陽電池LPCVD技術路線下的EL黑邊、黑角改善研究

摘 要：EL黑邊、黑角是TOPCon太陽電池采用LPCVD技術路線時遇到的重點和難點問題，其不僅會導致光電轉換效率和良品率下降，還會使太陽電池內出現EL圖像明暗不均的問題。為了改善EL黑邊、黑角問題，對TOPCon太陽電池采用LPCVD技術路線時的EL黑邊、黑角問題進行了分析和改善研究。研究結果表明：TOPCon太陽電池生產線上出現的EL黑邊、黑角問題主要是由LPCVD設備內首舟的氣場與堿拋自然氧化層不均勻疊加導致。通過優化LPCVD自動化放舟程序和調整燜氧時間，EL黑邊、黑角、EL石英舟印和EL氧化臟污現象均得到了明顯改善，EL黑邊、黑角改善幅度為0.45%，高溫類EL不良占比改善幅度達3.04%。

關鍵詞：TOPCon太陽電池；LPCVD；EL黑邊、黑角；EL石英舟印

中圖分類號：TM914.4+1 " " " " "文獻標志碼：A

0 "引言

近年來，相較于傳統的p型晶體硅太陽電池，n型晶體硅太陽電池因具有光電轉換效率高、少子壽命長、溫度系數低、弱光效應好、金屬敏感性低和無光衰效應等優點，成為太陽電池技術發展的必然趨勢。特別是n型隧穿氧化鈍化接觸（TOPCon）太陽電池，利用隧穿氧化層的界面鈍化和載流子選擇性，極大降低了背面金屬與硅的接觸復合速率，可獲得較高的光電轉換效率，其理論極限值可達28.7%，因此受到了行業重點關注和研究[1]。此外，TOPCon太陽電池與PERC太陽電池生產線及光伏組件制造線均具有高度的兼容性，是PERC太陽電池及其光伏組件升級的最佳選擇[2]。得益于上述優勢，TOPCon太陽電池獲得了市場和行業的高度認可，在光伏發電技術迭代背景下大放異彩。

量產TOPCon太陽電池的薄膜沉積工藝采用的技術路線主要包括低壓化學氣相沉積（LPCVD）技術、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術和物理氣相沉積（PVD）技術。其中，LPCVD技術沉積的多晶硅層致密度高，鈍化效果好，被認為是TOPCon太陽電池生產中最成熟的技術路線。LPCVD技術通過熱氧化作用形成隧穿氧化層，通過硅烷在高溫下分解和物理化學反應沉積到硅片襯底上形成多晶硅層，以這種方式構成的太陽電池結構避免了半導體硅和金屬電極的直接接觸，降低了TOPCon太陽電池背表面復合速率，獲得優良的表面鈍化效果。同時，隧穿氧化層可實現載流子選擇性通過，提升太陽電池的光電轉換效率。具體來說，LPCVD技術是在600 ℃左右的溫度下通入氧氣進行氧化，在硅片表面形成厚度為1.2～2.2 nm的隧穿氧化層；隨后，硅烷在高溫熱場作用下分解，在硅片表面沉積形成100～180 nm厚的多晶硅層。該技術路線的代表廠商有：晶科能源股份有限公司、上饒捷泰新能源科技有限公司、浙江正泰電器股份有限公司和一道新能源科技股份有限公司等。根據新能源研究機構Infolink Consulting的統計數據，截至2023年底TOPCon太陽電池實際產能達到了560 GW，此類太陽電池的產能增長將加速其對PERC太陽電池的替代。然而，隨著TOPCon太陽電池產能高速擴張，行業正在面臨此類太陽電池的產能過剩危機，在產品同質化背景下，提升產品質量能有效提升產品競爭力。

電致發光（EL）檢測技術是快速檢測晶體硅太陽電池缺陷的常用手段，其原理是通過對太陽電池施加正向偏壓，利用硅電荷耦合器件（CCD）相機采集由載流子帶間輻射復合而產生的光子，形成EL圖像[3]。當太陽電池內部存在缺陷時，采集到近紅外波長的光子數減少，在EL圖像中表現為偏暗區域，通過分析EL圖像中暗區的明暗、位置、大小、形狀和出現頻率等信息，可以大致推斷出缺陷的來源[4]。通常，將EL圖像中太陽電池邊緣偏暗區域稱為“EL黑邊”，角落偏暗區域稱為“EL黑角”，本文統稱為“EL黑邊、黑角”。

EL黑邊、黑角是量產TOPCon太陽電池采用LPCVD技術時遇到的難題，其不僅會導致太陽電池的光電轉換效率和良品率下降，還會使太陽電池內出現EL圖像明暗不均的問題。陳志均[5]采用EL檢測技術對太陽電池內部缺陷進行快速檢測和定位，分析工藝生產中太陽電池出現的斷柵、過刻、隱裂、虛印、黑斑、黑點、劃痕、黑片等缺陷的原因，并提出了相應的解決方案。和江變等[6]分析了EL黑角問題及其機制，證明EL黑角與硅片體內缺陷導致的低少子壽命有關。龍輝等[7]發現，相較于順氣流豎直插片方式，硼擴水平插片方式產生EL黑邊的概率更低，這是因為硅片背面的金字塔結構未完全拋光，在后續工序中背面會出現磷硼共摻。此外，鏈式清洗設備因出現溶液液位不平整、水膜覆蓋不全、抽風過大或不穩定等問題，也會導致掩膜被回刻腐蝕，最終導致EL黑邊、黑角的產生。目前，針對LPCVD技術路線TOPCon太陽電池EL黑邊、黑角問題的研究依然偏少，對生產線改善的指導意義不大。

本文基于TOPCon太陽電池LPVCD技術路線中出現的典型EL黑邊、黑角，通過EL測試儀、光致發光（PL）測試儀、外量子效率（EQE）測試儀和顯微鏡等儀器測試分析，并經過實驗驗證，確認EL黑邊、黑角產生的主要原因，最后提出改善方案。以期為改善TOPCon太陽電池采用LPVCD路線時出現的EL黑邊、黑角問題提供新思路，對LPVCD技術路線生產的TOPCon太陽電池提升良品率具有重要的指導意義。

1 "TOPCon太陽電池EL黑邊、黑角分析

對EL黑邊TOPCon太陽電池進行觀察，其EL圖像和PL圖像如圖1所示。

由圖1看出：EL黑邊平行于主柵方向，而PL圖像未現異常，整體鈍化無異常。這說明EL黑邊位置并不是由硅片污染產生，推測可能與局部隧穿氧化層偏厚或局部多晶硅層偏厚導致。此外，部分EL黑邊TOPCon太陽電池的EL黑邊位置對應的花籃卡齒位置發亮，因此推測EL黑邊可能與堿拋過程中花籃與硅片的相對位置有關。

為進一步探究EL黑邊成因，對上述TOPCon太陽電池的EL黑邊區域進行EQE測試，測試結果如圖2所示。由圖2可知：EL黑邊和正常區

域的EQE曲線差異主要集中在長波波段（800～1150 nm），這可以排除EL黑邊是由TOPCon太陽電池正面工藝所導致，進一步確認EL黑邊可能是背面局部隧穿氧化層偏厚或局部多晶硅層偏厚導致的觀點。

對采用LPCVD技術時典型的EL黑邊、黑角TOPCon太陽電池進行EL和PL測試，測試結果如圖3所示。由圖3可以看出：EL黑邊、黑角主要出現在TOPCon太陽電池的某個角，且該角兩側的黑邊長度不一致，平行主柵的EL黑邊一般是貫通狀態，而垂直主柵方向的EL黑邊長度一般在太陽電池邊緣的1/2以內。PL圖像中EL黑邊、黑角區域的亮度正常，且較其他區域稍亮，說明EL黑邊、黑角區域的鈍化效果較好，并不是硅片邊角污染導致 。這與EL黑邊產生的原因相似，即可能是局部隧穿氧化層偏厚或局部多晶硅層偏厚所導致。

對EL黑邊、黑角TOPCon太陽電池背面的顯微鏡圖片進行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出：EL黑邊、黑角區域有較多的小麻點，而正常區域無此現象，因此猜測是由局部爆膜或堿拋清洗局部異常導致。結合圖3b中PL圖像無異常的結果，基本可以排除是堿拋清洗局部異常導致的麻點問題。

通過以上分析，確認EL黑邊TOPCon太陽電池和EL黑邊、黑角TOPCon太陽電池的界面鈍化均無異常，而太陽電池在長波波段的量子效率偏低說明異常出現在TOPCon太陽電池背面，推測導致EL黑邊、黑角的主要原因是載流子傳輸異常，具體表現為隧穿氧化層偏厚或局部多晶硅層偏厚。為此，針對LPCVD重點工序中位于各溫區石英舟內的半成品硅片進行離線PL測試。結果發現首舟內的硅片存在嚴重的PL黑角（即PL圖像中角落區域偏暗的現象），部分黑角半成品硅片有明顯的外觀色差，如圖5所示。

LPCVD 技術中典型的半成品硅片PL黑角區域和正常區域的背面顯微鏡測試結果如圖6所示。由圖6可以看出：半成品硅片PL黑角區域存在較嚴重的麻點，這與圖4a中EL黑角區域麻點正好對應，說明EL黑邊、黑角可能是LPCVD設備內爐口首舟氧化層局部生長或多晶硅層局部沉積異常導致。

PL黑角位置與LPCVD設備內首舟相應位置的對應關系如圖7所示。圖7b中，位于LPCVD設備首舟內的半成品硅片受工藝氣場差異的影響，硅烷分解后，紅圈區域阻礙最少，沉積的多晶硅層厚度較其他區域厚。另外，該區域沉積的多晶硅層含氫量較高，可能引起氫氣釋放爆膜。

前文提到，由于EL黑邊帶有發亮的堿拋花籃卡齒印，推測EL黑邊可能與堿拋花籃和硅片的相對位置有關。根據細柵方向與硅片線痕方向平行的關系，硅片線痕方向與花籃進出硅片方向垂直，即EL黑邊與堿拋花籃底部或頂部平行，圖1a中EL黑邊、黑角對應堿拋花籃位置如圖8所示。硅片正面要保留硼硅玻璃（BSG）掩膜層，由于BSG具有親水性特征，堿拋慢提拉后，在重力作用下，硅片底部殘留的水最多。通過烘干槽烘干，硅片拋光面底部形成的自然氧化層偏厚（大于等于1.3 nm）。最終，過厚的氧化層不利于載流子的選擇性通過，增加了載流子傳輸難度，導致該區域的載流子隧穿效果變差。

2 "實驗部分

2.1 "實驗準備

本實驗中使用的實驗材料包括：江陰征億能源有限公司生產的n型硅片，電阻率為0.3～2.1 Ω·cm、尺寸（長×寬×厚）為182.2 mm×182.2 mm×0.13 mm；昆山市富樂化工有限公司生產的純度為45%的氫氧化鈉和35%的過氧化氫；嘉興市小辰光伏科技有限公司生產的型號為T54A-1的制絨添加劑；紹興拓邦新能源股份有限公司生產的型號為BP21V40的堿拋添加劑和型號為PR21V12的添加劑；昆山市富樂化工有限公司生產的純度為49±0.5%的氫氟酸和37±0.5%的鹽酸；艾佩科（上海）氣體有限公司生產的5N級純度（50 kg/瓶）的三氯化硼和6N級純度（72 kg/瓶）的三甲基鋁（TMA）；東臺宏仁氣體有限公司提供的5N級純度的氧氣和氮氣；浙江中寧硅業有限公司生產的6N級純度的硅烷；上海伊維特氣體科技有限公司生產的5.5N級純度的氧化亞氮和6N級純度的氨氣；無錫帝科電子材料股份有限公司提供的型號為帝科DK81T的絲網印刷用一道漿料、三道漿料，以及型號為帝科DK71A的絲網印刷用四道漿料；聚合常州聚和新材料股份有限公司生產的型號為聚合N3TR的絲網印刷用二道漿料。

實驗所用儀器如表1所示。

本實驗對采用LPCVD技術路線的TOPCon太陽電池生產線進行設計和優化。TOPCon太陽電池的制備流程為：制絨→前硼擴→激光選擇性發射極（SE）→后氧化→去BSG→堿拋→LPCVD（硅片放置方式為單插）→磷擴散→去磷酸鹽玻璃（PSG）→工業標準濕法（RCA）清洗→原子層沉積（ALD）→正面PECVD→背面PECVD→絲網印刷→燒結→光注入→分選測試。

實驗所用的主要工藝設備包括：蘇州晶洲裝備科技有限公司生產的KZ-PV-T-MTX-22F-A型號的制絨設備、北京北方華創微電子裝備有限公司生產的HORISD12662型號的前硼擴設備、武漢帝爾激光科技股份有限公司生產的DR-B4XS-TCSE-Y200型號的SE設備、北京北方華創微電子裝備有限公司生產的HORISD12662型號的后氧化設備等，此處不一一列舉。

2.2 "實驗設計

設計兩組實驗，分別為實驗1和實驗2，兩組實驗均設置實驗組和對照組。實驗1驗證EL黑邊、黑角是否同堿拋花籃硅片底側與首舟硅片位置疊加有關；實驗2驗證減少氧化時間，整體降低隧穿氧化層厚度，是否有助于改善EL黑邊、黑角情況。

實驗1：實驗組采用無錫江嵐智能裝備有限公司提供的LPCVD自動化上下料解決方案（下文簡稱為“江嵐自動化程序”），對照組采用無錫先導智能裝備股份有限公司提供的LPCVD自動化上下料解決方案（下文簡稱為“先導自動化程序”）。堿拋花籃底側對應LPCVD設備中的石英舟位置，如圖9所示，江嵐自動化程序中首舟內的硅片頂側對應堿拋花籃硅片底側（堿拋花籃硅片底側由紅色線條標注），奇數號（1#、3#、5#）石英舟均如此設計放置，偶數號（2#、4#）石英舟則相反；先導自動化程序所有石英舟位置頂側對應堿拋花籃硅片頂側。兩組實驗設計燜氧時間均為11.83 min，均對首舟中的90片硅片進行跟蹤。

實驗2：實驗組與實驗1中的實驗組條件保持一致；對照組則基于實驗組，將燜氧時間縮減到10 min，對LPCVD設備內的前兩個石英舟的3批硅片（共720片）進行跟蹤，以評估EL表現是否有所改善。

3 "結果與討論

實驗1的跟蹤結果如表2、圖10所示。采用江嵐自動化程序（實驗組）的首舟內跟蹤得到的TOPCon太陽電池不良率高達92.22%，而采用先導自動化程序（對照組）的不良率僅為4.44%，說明堿拋花籃硅片底側與首舟頂部位置確實有疊加效果，將增加EL黑邊、黑角概率。然而，錯開堿拋花籃硅片底側與首舟頂部位置，并不能完全改善EL黑邊、黑角（如圖10b所示），這可能與爐口首舟（圖7紅圈區域）沉積的多晶硅層過厚及爆膜（由硅烷分解不充分，氫含量過高引起）有關。

實驗2的跟蹤結果證明減少燜氧時間對改善EL黑邊、黑角有明顯效果，具體如表3所示。跟蹤對照組前兩個舟得到的TOPCon太陽電池的不良率僅為9.58%；根據跟蹤實驗組得到的首舟不良率為92.22%，即使第2個舟的不良率為零，前個兩舟的平均不良率也接近46.11%，遠超對照組中的不良率。這說明在LPCVD技術路線中減少燜氧時間對改善EL黑邊、黑角有明顯效果。

4 "改善措施及效果驗證

通過實驗證實，堿拋花籃硅片底側與首舟頂部位置的重疊對EL黑邊、黑角的產生具有疊加效果，而縮短燜氧時間對改善EL黑邊、黑角具有明顯改善效果。為了改善TOPCon太陽電池生產線中的EL黑邊、黑角問題（包括部分EL氧化臟污，測試系統會將嚴重的EL黑邊、黑角判定為EL氧化臟污），對江嵐自動化程序進行優化調整，使首舟頂部位置不與堿拋花籃硅片底側重疊，如圖11所示，并將燜氧時間減至10 min。

改善措施實施后，于2023年12月19日12：00進行了分選測試，評估TOPCon太陽電池高溫工序中EL不良情況的改善效果，具體如圖12所示。

由圖12可以看出：改善措施對降低EL黑邊、黑角，EL氧化臟污和EL石英舟印占比均有明顯效果。其中，EL黑邊、黑角占比由0.530%降至0.079%，改善幅度為0.45%；高溫類EL不良占比整體改善幅度達3.04%，表明改善措施有效。另外，由于高溫類EL不良占比改善明顯，燜氧時間合適，促使TOPCon太陽電池光電轉換效率有0.03%左右的提升。

5 "結論

本文針對TOPCon太陽電池采用LPCVD技術路線時普遍存在的EL黑邊、黑角問題進行了深入分析與改善研究。通過EL、PL、EQE、顯微鏡等儀器測試分析，確認EL黑邊、黑角產生在TOPCon太陽電池背面，EL黑邊、黑角TOPCon太陽電池鈍化效果正常，局部發暗現象并非由污染引起，而是由局部隧穿氧化層或多晶硅層偏厚導致。LPCVD首舟PL黑角與氣場差異有關，PL黑角和EL黑角顯微圖表現均為麻點。

通過PL和顯微鏡測試，鎖定江嵐自動化程度對應的LPCVD首舟存在異常，跟蹤發現其EL黑邊、黑角占比高達92.22%，而先導自動化程度對應的LPCVD首舟EL黑邊、黑角占比僅為4.44%，說明堿拋花籃硅片底側與首舟頂部位置對EL黑邊、黑角的產生確實有疊加效果。另外，燜氧時間優化對改善EL黑邊、黑角有明顯效果。

改善江嵐自動化程序和燜氧時間后，EL黑邊、黑角占比由0.530%降至0.079%，改善幅度約為0.45%。改善EL黑邊、黑角的同時，TOPCon太陽電池生產線中的EL石英舟印和EL氧化臟污占比均有明顯下降，高溫類EL不良占比整體改善了3.04%，太陽電池光電轉換效率提升0.03%。本研究為改善TOPCon太陽電池采用LPVCD技術路線時的EL黑邊、黑角問題提供了新思路，對提升太陽電池良品率有著重要的指導意義。

[參考文獻]

[1] 劉子龍，曾鵬，金雙雙，等. TOPCon光伏電池技術研究進展綜述[J]. 電池工業，2023，27（4）：210-216.

[2] 任程超，周佳凱，張博宇，等. 基于隧穿氧化物鈍化接觸的高效晶體硅太陽電池的研究現狀與展望[J]. 物理學報，2021，70（17）：294-304.

[3] 劉霄. 利用電致發光檢測晶硅太陽電池特性及電致發光法測定晶硅太陽電池少子壽命[D]. 上海：上海交通大學，2013.

[4] 胡曉晨. 基于電致發光圖像的光伏電池片提取與缺陷診斷技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2022.

[5] 陳志均. 電致發光（EL）對產業化常規晶硅太陽能電池的檢測與分析[D].呼和浩特：內蒙古大學，2018.

[6] 和江變，鄒凱，李顯光. 單晶硅太陽電池黑角問題的研究[J]. 人工晶體學報，2019，48（5）：889-895.

[7] 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）：18-22，27.

RESEARCH ON EL BLACK EDGE AND CORNER IMPROVING OF TOPCon SOLAR CELLS WITH LPCVD TECHNOLOGY ROUTE

Zhou Tanghua1，Xie Wanli1，Yi Hui1，Chen Yebin1，Zou Jiapu1，Sun Haoyue2

（1. Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co. Ltd，Changsha 410000，China；

2. Jiangsu Chaojing New Energy Science and Technology Co. Ltd，Yanchen 224000，China）

Abstract：EL black edges and corners are the key and difficult issues encountered by TOPCon solar cells when using LPCVD technology. They not only lead to a decrease in photoelectric conversion efficiency and yield，but also result in uneven brightness of EL images inside the solar cell. In order to improve the EL black edge and corner problems，this paper analyzes and studies the EL black edge and black corner problems when TOPCon solar cells adopt the LPCVD technology route. The research results indicate that the EL black edge and black corner problems on the TOPCon solar cell production line are mainly caused by the uneven superposition of the gas field of the first boat in the LPCVD equipment and the natural oxide layer of alkali throwing. By optimizing the LPCVD automated boat release program and adjusting the oxygen soaking time，the EL black edge，black corner，EL quartz boat print，and EL oxidation dirt phenomenon have all been significantly improved. The improvement of EL black edge and black corner is 0.45%，and the proportion of high-temperature EL defects has been improved by 3.04%.

Keywords：TOPCon solar cells；LPCVD；EL black edge and corner；quartz boat groove contaminated EL problem