Introduktion

Monokristallina N-type TOPCon-solceller har blivit en av de mest lovande högeffektiva teknologierna inom solcellsindustrin. Deras produktion innefattar en lång kedja av noggrant kontrollerade steg, inklusive texturering, bordiffusion, laser SE, glödgning, alkalisk polering, PE-poly, glödgning, RCA-rengöring, beläggning, metallisering samt slutlig testning och sortering. I denna artikel går vi igenom varje huvudprocesssteg och förklarar varför det är viktigt.

1. Texturering (TEX)

Syfte med texturering

Målet med texturering är att avlägsna det mekaniska skadskiktet på waferns yta och bilda en pyramidformad texturerad yta som ökar ljusabsorptionen. Genom att minska ytreflektiviteten förbättras kortslutningsströmmen (Isc), vilket i slutändan höjer cellens fotoelektriska omvandlingseffektivitet.

Våtetsning är den dominerande textureringsprocessen idag. Metalljoner, skadskikt och annan kontaminering på waferns yta fungerar som rekombinationscentra. Eftersom separerade elektroner och hål måste färdas över och samlas upp vid waferns yta, minskar dessa rekombinationscentra minoritetsbärarnas livslängd, vilket gör att bärarna rekombinerar innan de kan avges som extern ström. Ytoxidskikt och organisk kontaminering påverkar också deponerings- och passiveringskvaliteten hos AlOx- och SiNx-skikt, så noggrann ytrengöring är avgörande och påverkar direkt cellens effektivitet.

Reaktionsprincip

Texturering bygger på den anisotropa etsegenskapen hos kristallint kisel, där lågkoncentrerad alkali och tillsatser etsar olika kristallorienteringar med olika hastigheter. Etshastigheten på (110)- och (100)-planen är mycket högre än på (111)-planet. Efter en viss etsningstid lämnas fyra "pyramid"-strukturer bestående av (111)-plan på monokristallina skivans yta.

Atomarrangemanget skiljer sig mellan kristallplanen, vilket leder till olika etshastigheter:

• (100)-planet: relativt löst atomarrangemang med fler exponerade kemiska bindningar, vilket ger den snabbaste etshastigheten.

• (110)-planet: atomdensitet mellan (100) och (111), med en snabbare men något lägre etshastighet än (100).

• (111)-planet: tätast packat atomarrangemang, med kemiska bindningar som är svåra att attackera, vilket ger den långsammaste etshastigheten.

Textureringsadditivens roll

Additiv sänker kiselytans ytspänning, främjar frigörandet av vätebubblor som bildas under reaktionen och gör pyramiderna mer enhetliga. De förbättrar vätningen mellan skivytan och reaktionslösningen, försvagar NaOH-lösningens etsstyrka, ökar antalet kärnbildningspunkter och kärnbildningstätheten samt främjar bildandet av ett stort antal små pyramider. Generellt sett har additivets egenskaper den mest direkta inverkan på den texturerade pyramidytan.

Processflöde

Textureringssekvensen omfattar vanligtvis: förrengöring med NaOH och H2O2 (med ultraljudsrengöring vid 60°C, följt av sköljning med rent vatten) för att avlägsna organiska ämnen, metallföroreningar och sågskador; alkalisk texturering med cirka 0,6% NaOH och 0,4% additiv vid 82°C i 420 sekunder för att bilda pyramidtexturen; efterrengöring för att avlägsna kvarvarande organiska ämnen; syrarengöring med utspädd syra (3,15% HCl + 7,1% HF) för att neutralisera kvarvarande alkali och avlägsna oxidlagret; långsam utdragning för fördehydrering för att avlägsna vattenfilmen genom ytspänning; och slutligen torkning med 90°C varmluft.

2. Bordiffusion (B Diff)

Syfte

Vid hög temperatur diffunderar boratomer in i ytan av N-typ-skivan för att bilda en PN-övergång. PN-övergångens inbyggda fält separerar de fotogenererade laddningsbärarna för att leverera ström externt. P-typ-skivor, med hög hålkoncentration, använder fosfordopning för övergångsbildning; N-typ-skivor, med hög elektronkoncentration, använder bordopning.

Processprincip

Bortriklorid (BCl3) passerar genom ett kvartsrör vid 800-900°C och reagerar med syre för att bilda B2O3, som deponeras på waferytan med kvävebärargas och reagerar med Si för att generera boratomer, vilket bildar ett borsilikatglas (BSG)-skikt. Boratomerna diffunderar sedan in i wafern för att bilda PN-övergången. BCl3 är en färglös, rykande vätska eller gas med en densitet på 1,35 kg/m3, smältpunkt -107,3°C och kokpunkt 12,5°C. Den är icke brandfarlig, irriterande och stickande, sönderdelas i vatten till väteklorid och borsyra med betydande värmeavgivning. Mellanprodukten B2O3, med smältpunkt 450°C och kokpunkt 1860°C, förblir flytande under hela processen och är starkt korrosiv för kvartskomponenter.

Bordiffusion är svårare än fosfordiffusion, så TOPCon-vägen ställer högre krav på utrustning, inklusive högre enhetlighet, högre diffusionstemperaturer (vanligtvis över 1000°C) och längre diffusionstider (filmbildning tar ofta upp till 240 minuter), vilket ökar utrustnings- och produktionskostnaderna vid övergångsbildningssteget.

Processflöde

Diffusion utförs på två sätt. Fördepositionsdiffusion (BSG-deponeringssteget) använder en lägre temperatur och håller wafern i en mättad föroreningsatmosfär, så ytans föroreningskoncentration förblir konstant; detta kallas konstant ytkälldiffusion. Omfördelningsdiffusion trycker bor från BSG in i wafern vid en högre temperatur i en syrerik atmosfär utan externa föroreningar; här ändras ytkoncentrationen över tiden, vilket kallas begränsad ytkälldiffusion, med en Gaussisk föroreningsfördelning.

De typiska processstegen är: vakuumpumpning för att nå lågt tryck; uppvärmning till diffusionstemperatur (800-900°C); hålla temperaturen medan trycket ytterligare sänks; läckagedetektering under lågt tryck; föroxidation för att bilda ett 1 nm SiO2-skikt för att sakta ner nästa diffusionssteg och göra bordiffusionen mer enhetlig; diffusion/deponering genom att införa borkällan för aktiv fördeponering och passiv drive-in; ytterligare uppvärmning över 900°C för att öka diffusionshastighet och djup; efteroxidation för att bilda ett SiO2-skikt över 100 nm för att kontrollera borinnehåll, fördjupa övergången, bilda ett skyddande skikt och gettra substratföroreningar; kylning till en säker röröppningstemperatur; och bryta vakuumet med N2 för att återställa atmosfärstryck.

3. BSG-borttagning och alkalisk etsning

BSG-borttagning

Efter borondiffusion bär vafens baksida och kanter ett tjockt BSG-skikt (40-100nm oxid). Detta borsilikatglasskikt påverkar efterföljande processer negativt och kan orsaka läckage i PN-övergången, så kemisk etsning och rengöring krävs efter dopning. Före alkalisk etsning avlägsnar en inline ensidig HF-process BSG på baksidan och kanterna, medan BSG på framsidan bevaras som mask under alkalisk etsning för att skydda frontstrukturen.

Vafeln går först in i inline HF-rengöringsutrustningen, där cirka 60% HF löser upp BSG på baksidan till lösning medan en vattenfilm skyddar BSG på framsidan, följt av cirka 0,5 minuters sköljning med rent vatten. Sekvensen inkluderar: applicering av en vattenfilm med hjälp av SiO2:s hydrofilicitet för att skydda BSG på framsidan; HF-etsning av BSG på baksidan och kanterna; ett vattenpistolsteg för att förnya den eventuellt kontaminerade vattenfilmen; vattentvätt för att avlägsna resterande HF; syratvätt för att avlägsna resterande föroreningsjoner; och torkning av vattenfilmen på framsidan.

Alkalisk etsning

Syftet med alkalisk etsning är att avlägsna PN-övergången på baksidan och kanterna för att förhindra läckage, samt att skapa en enhetlig, ren baksidemorfologi som förberedelse för bakpassivering.

Det finns två huvudsakliga tillvägagångssätt. Sekundär texturering liknar i princip den första textureringen, men tillsatsmedlet måste minska reaktionshastigheten mellan BSG och alkali. Alkalisk polering använder högkoncentrerad alkali och tillsatsmedel för att påskynda alkali-kiselreaktionen, försvaga den anisotropa etsningsegenskapen och bilda en högreflekterande polerad morfologi. Det alkaliska etsningstillsatsmedlet skyddar BSG på framsidan, sänker dess reaktionshastighet med alkali för att förhindra överetsning, håller BSG som mask för senare steg, sänker ytspänningen för att frigöra vätgasbubblor, förbättrar vätning och ökar kärnbildningstätheten.

4. Deposition och beläggning

Detta steg deponerar Tunneloxiden (TOX), Poly-Si-skiktet och masken. Deposition sker huvudsakligen i vakuumgasfas och kan delas in i Physical Vapor Deposition (PVD), Chemical Vapor Deposition (CVD) och Atomic Layer Deposition (ALD). PVD förångar en materialkälla till atomer, molekyler eller joner och deponerar den på substratet under lågt tryck; CVD genererar avlagringar genom kemiska reaktioner på substratet; och ALD deponerar material lager för lager som enstaka atomlager.

Tunneloxidskikt (TOX)

Tunneloxidskiktet baseras på kvanttunneleringseffekten och använder en ultratunn oxid (typiskt 1-2 nm) som barriär. Mellan det n-dopade kiselsubstratet och det dopade poly-Si-skiktet möjliggör det bärarselektiv transport: elektroner (majoritetsbärare) tunnelerar genom oxiden in i poly-Si-skiktet, medan hål (minoritetsbärare) möter en högre barriärhöjd (cirka 4,5-4,8 eV) och blockeras. Det skapar också bandböjning och fälteffektpassivering, där arbetsfunktionsskillnaden mellan det dopade poly-Si och substratet böjer gränsytans energiband och bildar ett elektrostatiskt fält som ökar majoritetsbärare och stöter bort minoritetsbärare, vilket ytterligare minskar gränsytrekombination.

Oxiden kan framställas genom termisk oxidation (kompatibel med LPCVD) eller med PECVD, PEALD och termisk oxidation (kompatibel med PECVD). När det gäller filmdensitet ger PEALD bäst passivering men till högre utrustningskostnad, medan termisk oxidation och PECVD erbjuder bättre ekonomi. ALD ger vanligtvis cirka 0,7 nm, termisk oxidation cirka 1,3 nm, och tunnelmekanismen uppnås generellt vid tjocklekar under 1,6 nm. LPCVD är mer moget, med fördelar som enkel kontroll och hög filmkvalitet, men tenderar att bilda ett omslutande dopat poly-Si-skikt vid framkanten som måste rengöras bort, och har låg filmhastighet. PECVD poly-Si är en nyare teknik med snabbare deponering, in-situ dopning och mindre omslutning, men dess mognad behöver fortfarande förbättras och den kan lida av damm, hög vätehalt och bubbelbildning under högtemperaturglödgning.

Poly-Si-skikt

Polykristallint kisel (Poly) består av otaliga små kiselkorn, med kornstorlekar typiskt från tiotals till hundratals nanometer och korngränser mellan dem. Poly-Si-skiktet är vanligtvis fosfordopat för att bilda högdopat n-typ poly-Si, vilket förbättrar konduktiviteten, möjliggör bärarselektiv transport och bildar god ohmsk kontakt med substratet.

Poly-Si-beredning innefattar både deponering och dopning. Deponering använder huvudsakligen LPCVD eller PECVD med en tjocklek på cirka 100-150 nm; den amorfa filmen ändrar kristallinitet under glödgning, från en mikrokristallin-amorf blandfas till polykristallin och aktiverar passivering. För dopning deponerar LPCVD vanligtvis först ett intrinsikalt poly-Si-skikt och slutför sedan fosfordopning via en diffusionsugn eller jonimplantation (ex-situ dopning), eftersom dopning under långsam LPCVD-deponering skulle göra den ännu långsammare. PECVD har högre filmverkningsgrad och kan slutföra fosfordopning under beläggning (in-situ dopning). LPCVD, mainstream-tekniken för poly-Si, fungerar genom att termiskt sönderdela silan (SiH4) till kiselatomer som deponeras till en film. Observera att tjockare poly-Si orsakar allvarligare FCA (parasitisk) förlust och större kortslutningsströmsförlust, och högre fosfordopning ökar FCA-absorption och strömförlust.

Masklager

Masklagret är vanligtvis en SiO2-film cirka 10 nm tjock som växer efter poly-Si-deponering för att skydda bakre strukturen, främst för att förhindra att efterföljande våta processer etsar poly-Si-skiktet. För att säkerställa att den bakre strukturen inte skadas i tankbaserad våtutrustning, efter poly-processen växer en SiOx-mask (cirka 10 nm) på bakre ytan med silan och dikväveoxid (observera: silan och syre medför explosionsrisk i icke-vakuummiljöer).

Processstegen är: vakuumförvärmning för att bringa skivan till önskad temperatur; fördeponering av intrinsikal kiselkälla (endast gas, ingen RF, för att fylla röret jämnt och stabilisera trycket); deponering av intrinsikal kiselkälla (RF på, för att deponera en odopad film som blockerar och buffrar fosfor från den dopade poly); fördeponering av dopad kiselkälla (endast gas); deponering av dopad kiselkälla (RF på, för att deponera en fosfordopad poly-film); oxidmaskbildning med PECVD SiOx; och N2/Ar-spolning för att trycka ut SiH4 och N2O ur röret för att förhindra förbränning när ugnsluckan öppnas.

5. Glödgning

Syftet med glödgning är att omvandla det amorfa kisel som vuxits med PECVD till polykristallint kisel, aktivera fosforatomer och driva fram junctionsdjupet samt bilda pinholes. Processen introducerar BN2 (bornitrid) och värmer långsamt till 890-920°C, där BN2 drivs in vid hög temperatur för att aktivera fosforatomerna i polyfilmen och bilda effektiv dopning.

Det finns ett samband mellan glödgning och TOX: med oförändrad tunneloxid ger högre glödgningstemperatur fler pinholes och in-diffusion, lägre kontaktresistivitet och förbättrad FF samtidigt som passiveringskraven uppfylls; vid samma glödgningstemperatur ger en tjockare tunneloxid fler pinholes och in-diffusion samt en högre mättnadsström.

6. PSG-borttagning och RCA-rengöring

Under PEALD-deponering av n+-poly-Si-filmen bildas ett lokalt n+-poly-skikt på waferns framsida, täckt av en tunn mask (SiOx)-film. Enkelsidig HF tar bort SiOx, därefter avlägsnar ett alkaliskt bad det främre n+-poly-Si. Wafern passerar sekventiellt genom etsningsbadet, alkaliska badet och rengöringsbadet för kemiska reaktioner innan torkning.

Syftet med RCA är att avlägsna wrap-around-plätering och utföra kantetsning för att förhindra kantläckage, samt att rengöra wafern genom att avlägsna främre och bakre BSG och masken och dehydrera den som förberedelse för de främre och bakre passiveringsfilmerna. Eftersom poly är polykristallint kisel använder wrap-around-borttagning alkalisk polering med högkoncentrerad alkali och tillsatser.

RCA-tillsatserna rengör oorganiska ämnen och restprodukter för att förbättra ytans vätbarhet, fungerar som reaktionskatalysatorer för att påskynda bindningen av OH- med kisel och snabba upp wrap-around- och kantetsning, samt minskar alkalietningshastigheten för kiseldioxid för att skydda den främre BSG och bakre masken från överetsning.

Processstegen är: inline HF för att avlägsna PSG som bildats på framsidan och kanterna efter N2-glödgning, samtidigt som den bakre PSG behålls för att skydda det bakre poly; alkalisk polering med NaOH och tillsats för att avlägsna överflödigt främre och kantpoly; alkalisk tvätt för att avlägsna resterande tillsatser och föroreningar; syratvätt för att neutralisera resterande alkali och avlägsna metalljoner; långsam utdragning med avjoniserat vatten i rumstemperatur med en robot för att förhindra vattenfläckar; och torkning vid 90°C för att förhindra restvätska på wafer och bärare.

7. ALD (Atomic Layer Deposition)

Atomlagerdeponering belägger material som enstaka atomlager på substratet och kännetecknas av sin självbegränsande natur, vilket är grunden för ALD. Genom tids- eller rumsintervall exponeras substratet växelvis för olika prekursorer. När substratet befinner sig i prekursor A:s atmosfär adsorberas A kemiskt på ytan tills mättnad uppnås, och stannar sedan; när det exponeras för prekursor B reagerar B med det redan adsorberade A, vilket producerar biprodukter tills den första prekursorn är helt förbrukad och reaktionen stannar automatiskt, vilket bildar det önskade atomlagret. ALD upprepar denna reaktion för att bygga upp den önskade filmen.

På waferns baksida minskar AlOx-passivering den bakre ytrekombinationshastigheten. Aluminiumoxid bär fasta negativa laddningar som ligger precis vid gränssnittet mellan aluminiumoxiden och kiseldioxiden på waferns yta; denna höga densitet av negativ laddning säkerställer effektiv fältpassivering. Aluminiumoxid ger också utmärkt kemisk passivering, mättar de fria bindningarna på den kristallina kiselytan och minskar gränsytetillståndstätheten.

Processstegen är: fördeponering (endast gas, ingen RF, fyller röret jämnt och stabiliserar trycket, hålls kort för att undvika gasspill och säkerhetsrisker); deponering (RF på, med TMA som bildar plasma som reagerar med ytan för att bilda AlOx, sedan spolning med inert gas, upprepat i 40 cykler); och Ar-spolning för att trycka ut TMA och O2 ur röret för att förhindra TMA-förbränning när ugnsluckan öppnas.

8. Främre och bakre kiselnitrid (SiNx)

SiNx-beläggning tjänar flera syften. Den skyddar cellens yta, eftersom kiselnitrid har mycket hög hållfasthet som tål upp till 1200°C, utmärkt kemisk korrosionsbeständighet mot nästan alla oorganiska syror och NaOH under 30%, och är en högpresterande elektrisk isolator. Den ger antireflexion, med ett optimalt enkelskikts brytningsindex på 1,96 i luft; ökad kiselhalt stärker ytpassiveringen, och litteraturen rapporterar ytrekombinationshastigheter under 20 cm/s vid ett brytningsindex på 2,3, med bästa bulkpassivering mellan 2,1 och 2,3. Den förhindrar också oxidation genom sin täta struktur. TOPCon främre emitterpassivering använder huvudsakligen aluminiumoxid plus SiNx:H-film, medan bakre passivering huvudsakligen använder poly-Si.

SiNx-passiveringsmekanismen fungerar på två sätt. Kemisk passivering minskar gränsytdefektdensiteten genom att minska hängande bindningar, antingen genom att växa ett ytskikt som ger atomerna tillräckligt med tid och energi för att mätta hängande bindningar, eller genom att deponera en väterik dielektrisk film och frigöra väte under sintring så att det binder till hängande bindningar. Fälteffektpassivering minskar antalet minoritetsbärare som når ytan genom att generera ett elektriskt fält nära ytan som repellerar bärare av samma polaritet, vilket uppnås genom att sänka hög ytdopningskoncentration eller lägga till ett dielektriskt skikt med hög fix laddning.

SiNx-processstegen är: fördeponering (endast gas, ingen RF, fyllning av röret och stabilisering av tryck); deponering 1-2-3 (RF på, införande av SiH4 och NH3 för att bilda tre SiNx-skikt med gradvis minskande Si-N-förhållande, eftersom ett högre Si-N-förhållande ger ett högre brytningsindex); deponering 4 (RF på, SiH4, O2 och NH3 bildar ett SiONx-skikt); deponering 5 (RF på, SiH4 och O2 bildar ett SiO2-skikt); och N2-spolning av ledningar och rör för att avlägsna reaktiv gas och förhindra SiH4-explosion när ugnsdörren öppnas.

9. Screentryck (Metallisering)

Efter texturering, diffusion och beläggning som slutför PN-övergången och passiveringen kan cellen generera ström under ljus. För att extrahera och samla upp denna ström trycks främre och bakre elektroder på cellytan, vanligtvis genom screentryck, torkning och sintring.

Screentryckssystemet består av fem element: rakel, bläck (pasta), screentrycksram, substrat (skiva) och tryckbord. Lämplig pastas tryckprestanda (viskositet, skjuvförtunning) är förutsättningen för storskalig massutskrift, och skärmens maskantal, tråddiameter och designad linjebredd bestämmer till stor del den tryckta morfologin. I drift passerar pasta genom de mönstrade masköppningarna, och en rakel applicerar tryck medan den rör sig över skärmen och pressar pasta från mönsteröppningarna till skivan. Pastans viskositet håller den vidhäftad inom räckhåll, och rakel upprätthåller linjär kontakt med skärmen och substratet, kontaktlinjen rör sig med rakel för att slutföra tryckslaget.

Pastan måste erbjuda utmärkt tryckbarhet för massproduktion, god ohmsk kontakt med emittern för låg kontaktresistivitet och högre FF, minimal skada på emittern för att begränsa metalliseringsinducerad Voc-förlust, och lägsta möjliga bulkresistivitet för att minska strömförlust. Processstegen är: torkning för att avdunsta organiska ämnen i pastan; försintring för att smälta glasfriten, lösa upp silverpartiklar och öppna passiveringsskiktet; sintring för att lösa upp mer metall i glaset och binda ihop det; och kylning så att metallen som lösts i glaset fälls ut på ytan och bildar ohmsk kontakt mellan metall och halvledare.

Slutsats

TOPCon-tillverkningsprocessen är en precis sekvens av texturering, dopning, passivering, deponering, glödgning och metalliseringssteg, var och en konstruerad för att maximera bärarselektivitet och minimera rekombination för högre omvandlingseffektivitet.

ooitechs syn: ooitech anser att TOPCons höga effektivitet kommer från synergin mellan tunneloxid och passiverad kontaktteknik, där varje renings-, deponerings- och glödgningssteg samverkar för att tänja gränserna för bärarselektivitet och ytpassivering.