超薄多晶硅的摻雜、鈍化及光伏特性研究

宋志成，楊 露，張春福，劉大偉，倪玉鳳，張 婷，魏凱峰

(1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點實驗室，西安 710071； 2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，西安 710000)

0 引 言

近年來，載流子選擇性鈍化接觸的應(yīng)用使晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到很大的提升[1-2]。據(jù)報道，德國Fraunhofer ISE研究所開發(fā)的N型背面全金屬接觸的隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivated contact， TOPCon)電池效率達(dá)到了25.8%的世界紀(jì)錄[3-4]，并且在P型單晶氧化物多晶硅(Poly-Si)鈍化接觸叉指背接觸(interdigital back contact, IBC)電池上實現(xiàn)高達(dá) 26.1%的效率[5]。此外，由于TOPCon電池與行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)線的鈍化發(fā)射結(jié)及背表面接觸電池(passivated emitter and rear cell， PERC)具有高度的工藝和設(shè)備兼容性，使其成為下一代晶硅電池技術(shù)升級的主要方向，TOPCon電池的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 TOPCon電池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of TOPCon solar cells

TOPCon電池較高的效率優(yōu)勢主要來源電池背面的鈍化接觸結(jié)構(gòu)，該鈍化接觸結(jié)構(gòu)由一層超薄的隧穿氧化層二氧化硅和摻雜多晶硅層組成，不僅具有優(yōu)異的鈍化性能和良好的接觸性能，而且可以將金屬接觸與硅基體分離開，從而顯著降低金屬接觸區(qū)域的復(fù)合，可以極大提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

產(chǎn)業(yè)化多晶硅鈍化接觸太陽能電池設(shè)計中的一個關(guān)鍵因素是多晶硅層的厚度。多晶硅層，通常是高濃度摻雜[6-7]，厚度為100～300 nm[8-9]，由于多晶硅寄生吸收的影響，會導(dǎo)致太陽能電池的短路電流(Jsc)有顯著的降低[10-11]。新加坡SERIS研究所開發(fā)的雙面 monoPoly 6英寸大面積太陽能電池獲得了23.4%[12-13]的轉(zhuǎn)換效率，同時天合光能研發(fā)的大面積鈍化接觸太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升至24.58%[14]。但至今為止，關(guān)于多晶硅的大部分工作都應(yīng)用于太陽能電池的背面，并且使用了較厚的多晶硅層(至少大于70 nm)[13-15]。而光學(xué)模擬結(jié)果表明多晶硅層厚度應(yīng)該盡可能地減少[16-17]。但是，在不影響界面化學(xué)鈍化的前提下，超薄多晶硅層的精準(zhǔn)摻雜仍然是一項具有挑戰(zhàn)性和關(guān)鍵的任務(wù)。同時，基于離子注入技術(shù)對小于100 nm厚度的多晶硅進(jìn)行磷摻雜，并將其應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化電池中的研究甚少。

本文不僅對70 nm超薄多晶硅的摻雜特性、鈍化性能進(jìn)行了研究，并將磷摻雜超薄多晶硅應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化6英寸(1英寸=2.54 cm)大面積鈍化接觸電池中，所制備的鈍化接觸電池的電流和光電轉(zhuǎn)換效率得到了明顯提升。

1 實 驗

本實驗采用158.75 mm ×158.75 mm規(guī)格的N型Cz硅片，電阻率范圍為0.3～2.1 Ω·cm，少子壽命≥500 μs。隧穿氧化層的生長和本征多晶硅的沉積由Tempress公司生產(chǎn)的5管式量產(chǎn)設(shè)備完成，采用低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition， LPCVD)法生長隧穿氧化層和本征多晶硅。此設(shè)備可一次性直接完成隧穿氧化層的生長和多晶硅的沉積，且在低壓下完成生長工藝，具有成膜致密、整舟均勻性好、產(chǎn)量大、生長速度快、工藝成熟等優(yōu)點。采用凱世通ipv-3000機(jī)臺實現(xiàn)不同離子注入劑量的摻雜。實驗過程使用到的測試儀器有：電化學(xué)電容-電壓(electrochemical capacitance-voltage profiler， ECV)測試儀測試樣品表面摻雜濃度和摻雜結(jié)深，WCT-120 Sinton模塊測試對稱結(jié)構(gòu)的鈍化性能，SENTECH 800激光橢偏儀測試多晶硅的沉積厚度，IV測試儀測試電池的電性能參數(shù)。

鈍化性能監(jiān)控結(jié)構(gòu)的制備過程：雙面制絨后的硅片經(jīng)過雙面刻蝕，再沉積隧穿氧化層和本征多晶硅，然后經(jīng)過離子注入、退火和雙面鍍膜工藝完成鈍化結(jié)構(gòu)的制作，最后經(jīng)過燒結(jié)爐高溫?zé)Y(jié)完成制作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。表征鈍化性能的參數(shù)有隱開路電壓iVoc、J0和壽命，當(dāng)測試結(jié)構(gòu)鈍化性能越好時，iVoc值越高，壽命越高，J0值越低。

圖2 Poly-Si(N+)鈍化性能測試結(jié)構(gòu)Fig.2 Poly-Si(N+) passivation performance test structure

TOPCon電池的制備工藝流程如圖3所示，首先將原始硅片經(jīng)過堿制絨形成金字塔陷光結(jié)構(gòu)，再將制絨后的硅片在850～1 000 ℃進(jìn)行低壓硼擴(kuò)散，完成前表面發(fā)射結(jié)摻雜工藝。然后進(jìn)行刻蝕工藝去除硼擴(kuò)散過程中硅片側(cè)面形成的橫向PN結(jié)和正面的硼硅玻璃，并對非擴(kuò)散面進(jìn)行拋光處理。采用LPCVD在硅片背面沉積1.5 nm的二氧化硅層和本征多晶硅層。通過離子注入磷和高溫?zé)崽幚韺崿F(xiàn)多晶硅層的重?fù)诫s和非晶相到多晶相的轉(zhuǎn)變。再通過優(yōu)化的清洗技術(shù)去除正面繞鍍的多晶硅層，并在正面沉積鈍化疊層薄膜，起到鈍化和減少反射的作用。最后在電池正反面印刷金屬電極收集光生載流子。

圖3 TOPCon電池的制備工藝流程Fig.3 Preparation process of TOPCon solar cell

2 結(jié)果與討論

2.1 120 nm Poly-Si(N+)摻雜曲線與鈍化性能

常規(guī)120 nm厚度的多晶硅匹配的離子注入劑量為2.6×1015cm-3，退火條件為875 ℃熱處理20 min，其摻雜曲線和鈍化性能如圖4所示。從圖中可看出，120 nm摻雜多晶硅的表面摻雜濃度為2.5×1020atoms/cm3，摻雜結(jié)深為0.35 μm，此時鈍化性能達(dá)到最優(yōu)，隱開路電壓iVoc為736 mV，J0為2 fA/cm2。

圖4 120 nm Poly-Si(N+)上(a)摻雜分布與(b)鈍化性能測試Fig.4 Doping concentration distribution (a) and passivation performance (b) of 120 nm Poly-Si(N+)

2.2 70 nm薄Poly-Si的摻雜工藝優(yōu)化與鈍化性能

多晶硅沉積的反應(yīng)氣體為高純硅烷(SiH4)，采用爐口和爐尾兩個進(jìn)氣口的設(shè)計，在高溫環(huán)境下熱分解形成多晶硅薄膜沉積在硅片表面，反應(yīng)式如下所示：

SiH4↑→Si↓+2H2↑

(1)

當(dāng)沉積溫度、反應(yīng)壓力和氣體流量一定時，沉積時間對多晶硅生長厚度有重要影響。基于前期實驗數(shù)據(jù)，在沉積時間分別為1 300 s、1 700 s、2 100 s的工藝條件下可制備厚度90 nm、120 nm和150 nm的多晶硅薄膜。采用片內(nèi)測試5點求平均值的方式獲得實驗數(shù)據(jù)，并繪制沉積時間與薄膜厚度的散點圖，線性擬合得出圖5(a)。

圖5 (a)多晶硅厚度與沉積時間線性擬合曲線；(b)沉積時間1 050 s時多晶硅厚度的實際測試值Fig.5 (a) Liner fitting curve of poly-silicon thickness and deposition time; (b) value of poly-silicon thickness under deposition time of 1 050 s

從圖5(a)可以看出，沉積時間與多晶硅厚度基本呈線性關(guān)系，且對時間變化敏感。當(dāng)沉積時間為2 100 s時，多晶硅測試厚度為150 nm，當(dāng)沉積時間為1 700 s時，多晶硅測試厚度為120 nm，因此可以通過該曲線預(yù)測沉積特定厚度的多晶硅所需要的沉積時間。從圖中延長線上可以預(yù)測，當(dāng)沉積時間小于1 400 s時，可以沉積100 nm以下的多晶硅，而當(dāng)設(shè)定沉積時間為1 050 s時，可生長70 nm的本征多晶硅。圖5(b)為沉積時間1 050 s時多晶硅厚度的實際測試值，其中取爐口、爐中和爐尾三個位置各一片，每片測試5個點，共15個測試點，可以看出實際測試的多晶硅厚度為(70±2) nm，與圖5(a)擬合曲線預(yù)測的數(shù)值基本一致。圖6為120 nm和70 nm厚度多晶硅的監(jiān)控片外觀圖，可以看出不同厚度的多晶硅對應(yīng)不同的顏色，可直接從監(jiān)控片外觀進(jìn)行辨別，這對電池生產(chǎn)過程中多晶硅膜層厚度的監(jiān)控具有重要指導(dǎo)意義。

圖6 沉積120 nm和70 nm厚度多晶硅的監(jiān)控片外觀圖Fig.6 Appearance of monitoring wafers deposited with thicknesses of 120 nm and 70 nm deposited poly-silicon

此處研究離子注入劑量和退火溫度對70 nm多晶硅摻雜和鈍化性能的影響。當(dāng)離子注入設(shè)備穩(wěn)定運行時，主要通過控制離子注入劑量來調(diào)整摻雜濃度，而改變離子注入劑量本質(zhì)上就是改變離子注入機(jī)反應(yīng)腔體內(nèi)傳輸皮帶的運行速度。當(dāng)基于產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行工藝，多晶硅厚度的減薄會對離子注入劑量要求較高，導(dǎo)致傳輸帶的運行速度太慢，這將不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行，產(chǎn)生粘片或卡片的情況。故本文同時對70 nm薄多晶硅的隧穿氧化層生長工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

2.2.1 離子注入劑量的影響

圖7為不同離子注入劑量下多晶硅磷摻雜分布和鈍化性能的曲線，樣品1至樣品3采用的離子注入劑量分別為2.4×1015/cm3、2.8×1015/cm3和3.2×1015/cm3。其中3.2×1015/cm3為離子注入機(jī)臺所能實現(xiàn)的最高注入劑量，得到的摻雜曲線如圖7(a)所示。

從圖中可以看出，離子注入劑量的增加對多晶硅的摻雜分布和鈍化性能影響較小。在相同的退火條件下，隨離子注入劑量增加，表面摻雜濃度有微弱升高，即當(dāng)離子注入劑量由2.4×1015cm-3升高到3.2×1015cm-3時，表面摻雜濃度由5.44×1020atoms/cm3升高至6.49×1020atoms/cm3。而鈍化性能隨離子注入劑量的升高呈現(xiàn)先微弱升高后不變的趨勢，其中2.4×1015cm-3注入劑量的隱開路電壓均值為735 mV，2.8×1015cm-3和3.2×1015cm-3注入劑量的隱開路電壓均值為737 mV。此時磷摻雜多晶硅與硅基底形成了良好的隧穿效應(yīng)。

當(dāng)離子注入劑量為2.8×1015cm-3和3.2×1015cm-3時，隱開路電壓均值保持在737 mV，表明磷摻雜多晶硅的鈍化性能已達(dá)到最優(yōu)，故制作電池確定離子注入的最佳劑量。電池電性能測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，隨離子注入劑量升高，電池的開路電壓升高，電流升高，串聯(lián)電阻Rs降低，填充因子FF升高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率升高。當(dāng)離子注入劑量為3.2×1015cm-3時，電池開路電壓最高為689 mV，接觸性能好，光電轉(zhuǎn)換效率最高。同時，在同一退火條件下，低離子注入劑量對應(yīng)的多晶硅層表面激活的磷原子較少，影響電池的接觸性能，導(dǎo)致串聯(lián)電阻Rs升高，填充因子FF降低。而對于較高的離子注入劑量，摻雜多晶硅層的場鈍化效果提升較明顯，且表面激活的磷原子多，電池的表面鈍化和接觸性能均得到較大改善，使電池的轉(zhuǎn)換效率得到提高。

表1 基于不同離子注入劑量摻雜的TOPCon電池的I-V參數(shù)Table 1 I-V parameters of TOPCon solar cells doped with different ion implantation doses

2.2.2 退火時間的影響

固定隧穿氧化層生長溫度和多晶硅的沉積時間，采用相同的離子注入劑量3.2×1015cm-3，相同的退火溫度855 ℃，研究退火時間對磷摻雜特性的影響，退火時間分別為15 min、20 min、25 min。

圖8 不同退火時間下Poly-Si(N+)的摻雜分布和鈍化性能Fig.8 Doping concentration distribution and passivation performance of Poly-Si(N+) annealing for different time

圖8為不同退火時間的磷摻雜多晶硅摻雜曲線和鈍化性能測試結(jié)果，由圖中可以看出，當(dāng)氧化層厚度和退火溫度一定時，隨退火時間延長，摻雜結(jié)深增加，即當(dāng)退火時間從15 min增加至20 min和25 min時，摻雜結(jié)深由0.2 μm增加至0.25 μm和0.3 μm。表面濃度稍有下降，但均保持在5.2×1020atoms/cm3以上，而隱開路電壓均值iVoc呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，在退火時間為20 min時達(dá)到最高值736 mV，鈍化性能達(dá)到最優(yōu)。

綜合以上得出70 nm多晶硅的最優(yōu)摻雜條件為：離子注入劑量3.2×1015/cm3，在855 ℃退火20 min時，其鈍化性能可與120 nm poly-Si(N+)的鈍化性能相媲美，此時70 nm摻雜多晶硅的表面摻雜濃度為5.6×1020atoms/cm3，高于120 nm摻雜多晶硅的表面摻雜濃度(2.7×1020atoms/cm3)，而高表面濃度更有利于電池的金屬接觸特性。

圖9 不同厚度多晶硅的摻雜曲線Fig.9 Doping concentration distribution of Poly-Si(N+) with different thickness

2.3 基于70 nm Poly-Si(N+)電池的電性能研究

基于以上最優(yōu)實驗結(jié)果，制備70 nm摻雜多晶硅的TOPCon電池，實驗同時制作120 nm摻雜多晶硅的TOPCon電池作為對比組，圖9為不同厚度多晶硅的摻雜曲線，電池電性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 基于不同厚度多晶硅的TOPCon電池的I-V參數(shù)Table 2 I-V results of TOPCon solar cells featuring with different thickness of poly-silicon

從圖9可知70 nm超薄多晶硅的表面摻雜濃度遠(yuǎn)高于120 nm多晶硅的表面摻雜濃度，且70 nm超薄Poly-Si電池效率具有明顯的優(yōu)勢(見表2)。主要參數(shù)表現(xiàn)在電流Isc升高20 mA，串聯(lián)電阻Rs降低，填充因子FF增加0.3%。其中電流升高是因為背面多晶硅減薄后寄生吸收減小，降低了背面多晶硅吸光的損失，而串聯(lián)電阻降低和填充因子升高是因為70 nm多晶硅表面摻雜濃度升高導(dǎo)致電池接觸變好，因此70 nm超薄Poly-Si電池效率得到明顯提升。

3 結(jié) 論

通過調(diào)整隧穿氧化層生長工藝和多晶硅沉積時間，制備了70 nm超薄的本征多晶硅，并對離子注入劑量和退火時間進(jìn)行了優(yōu)化，確定了70 nm超薄多晶硅的最優(yōu)摻雜工藝。研究表明對于70 nm超薄多晶硅，離子注入劑量的增加對多晶硅的摻雜分布和鈍化性能影響較小，而退火時間對摻雜結(jié)深影響較大，這是因為工藝優(yōu)化后的隧穿氧化層能夠阻擋大量的磷原子進(jìn)入基體硅，此時退火時間對摻雜結(jié)深的影響占主導(dǎo)作用。工藝優(yōu)化后，70 nm超薄多晶硅的鈍化性能達(dá)到最優(yōu)，與120 nm Poly-Si(N+)的鈍化水平相當(dāng)，隱開路電壓iVoc平均值可達(dá)到736 mV，且此時70 nm超薄多晶硅的表面摻雜濃度是常規(guī)120 nm的約2倍，達(dá)到5.6×1020atoms/cm3?；?0 nm多晶硅的高表面濃度摻雜和厚度減薄的特點，對應(yīng)TOPCon電池的電流Isc升高、串聯(lián)電阻Rs降低，填充因子FF升高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升。