TOPCon太陽電池中多晶硅層磷摻雜工藝的優(yōu)化及其對電性能的影響

錢金忠，左克祥，王 安，杜東亞，凡金星，高紀(jì)凡*

(1.國家能源集團(tuán)常州發(fā)電有限公司，常州213031；2.常州天合智慧能源工程有限公司，常州 213031；3.天合光能股份有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213031)

0 引言

德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)的Frank Feldman博士于2013年在第28屆歐洲能源及太陽能光伏展覽會(EU-PVSEC)上首次提到了隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池的概念，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，目前TOPCon技術(shù)被廣泛認(rèn)為是繼PERC技術(shù)之后最有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的太陽電池技術(shù)[1-2]。

PERC太陽電池的工藝路線具有較高的成熟度，大部分情況下，現(xiàn)有的TOPCon太陽電池工藝路線都能與PERC太陽電池的重合，僅需要增加少量的工序即可完成高光電轉(zhuǎn)換效率的TOPCon太陽電池的制備[3]。PERC太陽電池和TOPCon太陽電池的工藝路線對比如圖1所示。圖中：BSG為硼硅玻璃；PSG為磷硅玻璃；LPCVD為低壓化學(xué)氣相沉積。

圖1 PERC太陽電池和TOPCon太陽電池的工藝路線對比Fig.1 Comparison of process routes between PERC solar cells and TOPCon solar cells

TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)主要是基于鈍化和載流子選擇性接觸的概念形成，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用一層超薄隧穿氧化硅層與摻雜磷元素的多晶硅薄膜作為太陽電池的背面。其中，隧穿氧化層的厚度一般為1～2 nm，其存在可以有效降低界面態(tài)密度，而在其外部的一層薄的高摻雜濃度多晶硅層可形成場鈍化效應(yīng)，對硅片背面起到較好的鈍化效果。LPCVD法是制備TOPCon太陽電池多晶硅層比較主流的工藝路線[4-5]。

隧穿氧化層的存在可以使電子隧穿進(jìn)入到多晶硅層中，有效阻止電子和空穴的復(fù)合，提升太陽電池的開路電壓和短路電流[6]。實(shí)驗(yàn)室制備的TOPCon太陽電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)725 mV的開路電壓和24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，證明了此類太陽電池技術(shù)路線的可行性[7-8]。TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of TOPCon solar cells

隧穿氧化層的制備和摻雜多晶硅層的沉積是TOPCon太陽電池當(dāng)前工藝路線中兩個非常關(guān)鍵的步驟。當(dāng)制備較高摻雜濃度的多晶硅層時，更容易出現(xiàn)磷原子穿透隧穿氧化層的情況，對氧化層的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響載流子的選擇能力，且會增加寄生吸收；而當(dāng)制備較低摻雜濃度的多晶硅層時，所形成的多晶硅層的場鈍化效果較差。如何在保證場鈍化效果的基礎(chǔ)上，減少摻雜過程中磷原子穿透氧化層的情況，是TOPCon太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升過程中需要解決的問題[9-10]。

為了保證TOPCon太陽電池具有較高的開路電壓和較低的串聯(lián)電阻，需要對多晶硅層的摻雜工藝進(jìn)行研究[11-12]?；诖?，本文針對TOPCon太陽電池的多晶硅層的磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間對多晶硅層、硅襯底中磷摻雜特性及電性能參數(shù)的影響進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用的硅片為n型直拉單晶硅(CZ-Si)，尺寸為210 mm×210 mm，電阻率為0.3～2.1 Ω?cm，厚度為170～180 μm。

TOPCon太陽電池的制備流程為：

1)通過堿制絨工藝在硅片表面制備出隨機(jī)的金字塔結(jié)構(gòu)。

2)通過擴(kuò)散方式在硅片正面制備出方阻為110 Ω/□的硼發(fā)射極，利用LPCVD法在硅片背面制備氧化硅及多晶硅。

3)通過磷擴(kuò)散的方式對多晶硅進(jìn)行重?fù)诫s及高溫晶化，在硅片正面沉積一層氧化鋁，以保證鈍化效果；在硅片正面及背面制備減反射膜，以增強(qiáng)減反射及鈍化效果。

4)進(jìn)行正面電極和背面電極的制備。

本文主要研究磷擴(kuò)散對多晶硅層及硅襯底摻雜情況的影響，通過實(shí)驗(yàn)分析不同磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間對電化學(xué)微分電容電壓(ECV)曲線及太陽電池電性能參數(shù)的影響，然后根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)選出最適合的磷摻雜參數(shù)。

采用德國WEP公司生產(chǎn)的型號為CVP21的擴(kuò)散濃度分布測試儀測試磷擴(kuò)散后的磷濃度分布曲線；使用Halm脈沖太陽模擬器在25 ℃環(huán)境溫度、AM1.5大氣質(zhì)量和1000 W/m2太陽輻照度下測量TOPCon太陽電池的I-V特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷摻雜量對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，需要提升金屬接觸區(qū)域的歐姆接觸，因此會盡量增加摻雜區(qū)域的濃度。但在摻雜濃度提升的同時，重?fù)诫s區(qū)域會出現(xiàn)自由載流子吸收的情況，這種寄生吸收會對光生電流有負(fù)面影響，因此需要驗(yàn)證不同摻雜濃度對太陽電池電性能的影響。

在隧穿氧化層及多晶硅層厚度分別設(shè)定為1.50、130.0 nm的條件下，保證推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間不變，研究不同的磷摻雜量對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響。當(dāng)通源量為1400 sccm時，通源時間分別設(shè)定為15、25、35 min。不同通源時間時的摻雜濃度曲線如圖3所示。

圖3 不同通源時間時的摻雜濃度曲線Fig.3 Doping concentration curves at different doping times

從圖3可以看出：通源時間越長，摻雜量越大，多晶硅層中的磷摻雜濃度越高；同時，由于隧穿氧化層會影響磷原子向硅襯底中擴(kuò)散，因此在poly-Si/SiO2界面的摻雜濃度會呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，且隨著通源時間的進(jìn)一步提升，磷在硅襯底中的濃度也相應(yīng)提高。

不同通源時間時制備的TOPCon太陽電池的電性能參數(shù)如圖4所示。

圖4 不同通源時間下制備的TOPCon太陽電池的電性能參數(shù)Fig.4 Electrical performance parameters of TOPCon solar cells prepared at different doping times

從圖4可以看出：當(dāng)通源時間為15 min時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為24.29%；當(dāng)通源時間為25 min時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，為24.38%；當(dāng)通源時間為35 min時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降至24.33%。由此可知，隨著摻雜濃度的提升，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率呈先增加后下降的趨勢。當(dāng)通源時間為25 min時，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，且此時的開路電壓也最高，達(dá)到了0.7178 V，這是因?yàn)榇藭r硅襯底中摻雜的磷的濃度可保證較好的鈍化效果，歐姆接觸較好，且寄生吸收相對較小。隨著摻雜濃度提高，填充因子有一定的提升，但當(dāng)摻雜濃度過大時，太陽電池的開路電壓及短路電流呈下降趨勢。

相較于通源時間為15、25 min時的情況，通源時間為35 min時，硅襯底中的磷原子濃度呈上升趨勢，太陽電池的歐姆接觸變好，填充因子得到提升，所以，通源時間為35 min時太陽電池的填充因子最高。當(dāng)摻雜濃度較低時，背面漿料接觸會受到影響，填充因子相對較低，但當(dāng)進(jìn)入硅襯底中的磷原子過多時，會影響到體區(qū)的俄歇復(fù)合，進(jìn)而影響鈍化效果。因此，通源時間為35 min時太陽電池的開路電壓較低，且此時的寄生吸收最嚴(yán)重，短路電流也最低。

2.2 推進(jìn)溫度對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在隧穿氧化層及多晶硅層的厚度分別設(shè)定為1.5、130.0 nm的條件下，保證通源條件(通源量為1400 sccm、通源時間為25 min)及推進(jìn)時間不變，研究不同推進(jìn)溫度對磷摻雜特性的影響。推進(jìn)溫度分別設(shè)置為 860、880、900 ℃，不同推進(jìn)溫度時磷的摻雜濃度曲線如圖5所示。

圖5 不同推進(jìn)溫度時的磷摻雜濃度曲線Fig.5 Phosphorus doping concentration curves at different propulsion temperatures

從圖5可以看出：隨著推進(jìn)溫度的升高，多晶硅層中磷的摻雜濃度基本不變，而磷在硅襯底中的摻雜濃度呈逐漸上升趨勢；在不同推進(jìn)溫度條件下，由于隧穿氧化層的存在，其會阻止磷原子進(jìn)入到硅襯底中，所以在多晶硅層中磷的摻雜濃度基本保持不變；而推進(jìn)溫度升高后，磷原子會更容易穿透氧化層，進(jìn)入到硅襯底中的磷原子會變多。

當(dāng)推進(jìn)溫度較低時，容易出現(xiàn)多晶硅層晶化不完全的情況，鈍化效果較差；但當(dāng)推進(jìn)溫度過高時，會導(dǎo)致更多的磷原子進(jìn)入到硅襯底中，增加載流子的復(fù)合，導(dǎo)致鈍化效果變差，也容易出現(xiàn)隧穿氧化層被破壞的情況，這對載流子的收集及鈍化效果均會造成影響。

不同推進(jìn)溫度下制備的TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率如圖6所示。

圖6 不同推進(jìn)溫度下制備的TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率Fig.6 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion temperatures

從圖6可以看出：當(dāng)推進(jìn)溫度為880 ℃時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了最高值，為24.40%；當(dāng)推進(jìn)溫度為900 ℃時，進(jìn)入到硅襯底中的磷原子量最大，也意味著此時硅襯底中的磷濃度最高，這樣會降低鈍化效果及增強(qiáng)寄生吸收，影響光電轉(zhuǎn)換效率。因此，選擇合適的推進(jìn)溫度尤為重要，需要在保證整體摻雜量的基礎(chǔ)上將其控制在一定范圍內(nèi)。

2.3 推進(jìn)時間對磷摻雜特性及TOPCon太陽電池電性能的影響

在隧穿氧化層及多晶硅層的厚度分別設(shè)定為1.5和130.0 nm的條件下，保證通源條件(通源量為1400 sccm、通源時間為25 min)及推進(jìn)溫度不變，研究不同推進(jìn)時間對磷摻雜特征的影響，推進(jìn)時間分別設(shè)置為20、30及40 min。不同推進(jìn)時間下磷的摻雜濃度曲線如圖7所示。

圖7 不同推進(jìn)時間下的磷摻雜濃度曲線Fig.7 Phosphorus doping concentration curve under different propulsion times

從圖7可以看出：隨著推進(jìn)時間的增加，多晶硅層中磷摻雜濃度基本不變，而磷在硅襯底中的摻雜濃度呈逐漸上升趨勢，這與增加推進(jìn)溫度時磷的摻雜濃度的變化趨勢基本一致。增加推進(jìn)時間或增加推進(jìn)溫度基本可以得到相同的磷摻雜濃度曲線。此外，不同推進(jìn)時間會對非晶硅的晶化率造成影響，當(dāng)推進(jìn)時間較短時，會導(dǎo)致鈍化效果較差，此時磷元素未被完全激活，場鈍化效應(yīng)較弱；而當(dāng)推進(jìn)時間過長時，在硅襯底中的磷元素會變得過多，從而加劇復(fù)合，影響鈍化效果。

不同推進(jìn)時間下制備的TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率如圖8所示。

圖8 不同推進(jìn)時間下制備的TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率Fig.8 Photoelectric conversion efficiency of TOPCon solar cells prepared at different propulsion times

從圖8可以看出：當(dāng)推進(jìn)時間為30 min時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了最高值，為24.48%；當(dāng)推進(jìn)時間為40 min時，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為24.43%，說明推進(jìn)時間過長會影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

綜合以上分析，多晶硅層中磷的摻雜濃度不僅取決于通源時間的變化，還會受到推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間的影響，對摻雜曲線的合理優(yōu)化，既可以保證隧穿氧化層對載流子的選擇能力不會受到影響，同時也可以保證摻雜多晶硅層的鈍化效果。

3 結(jié)論

本文針對TOPCon太陽電池多晶硅層的磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時間對多晶硅層、硅襯底中磷摻雜特性及電性能參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示：在隧穿氧化層及多晶硅層厚度分別設(shè)定為1.5和130.0 nm的條件下，通源流量為1400 sccm、通源時間為25 min、推進(jìn)溫度為880℃、推進(jìn)時間為30 min為最適合的磷摻雜參數(shù)，既保證了鈍化效果，也保證了歐姆接觸和寄生吸收在合理的區(qū)間，TOPCon太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了最大值，為24.48%。