Tillverkningsprocess för TOPCon-solceller: steg för steg

Snabbt svar: TOPCon-solcells tillverkningsprocess omvandlar en N-typ monokristallin kiselwafer till en färdig högeffektiv cell genom en lång sekvens av kontrollerade steg. Den börjar med texturering för att forma den ljusfångande ytan, sedan bordiffusion för att skapa emittern och laser-SE för att högdopa kontaktytorna, följt av glödgning och alkalisk polering. De avgörande stegen kommer sedan: RCA-rengöring, tillväxt av den ultratunna tunneloxiden och deponering av det dopade polysilikonlagret med PE-poly eller LPCVD. Antireflexbeläggning, metallisering med screentryck och bränning fullbordar cellen. Processfönstren är snäva — bordiffusion sker nära 900°C, LPCVD-deponering av polysilikon nära 600°C, och bränningstoppen närmar sig 920°C — och varje steg styr en del av den slutliga effektiviteten. Testning och sortering delar in cellerna efter ström innan de lämnar för stringning.

PV-modultillverkning · av Jerry, Ooitech

Introduktion

Monokristallina N-typ TOPCon solceller har blivit en av de mest lovande högeffektivitetsteknikerna 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 sluttest och sortering. I den här artikeln går vi igenom varje huvudprocesssteg och förklarar varför det är viktigt.

1. Texturering (TEX)

Syftet med texturering

Målet med texturering är att avlägsna det mekaniska skadskiktet på vafers 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 vanligaste textureringsprocessen idag. Metalljoner, skadskikt och annan kontaminering på vafers yta fungerar som rekombinationscentra. Eftersom separerade elektroner och hål måste färdas över och samlas upp vid vafers yta, minskar dessa rekombinationscentra minoritetsbärarlivslängden, vilket gör att bärarna rekombinerar innan de kan matas ut som extern ström. Ytoxid- och organiska kontamineringar påverkar också kvaliteten på deponering och passivering av AlOx- och SiNx-skikt, så noggrann ytrengöring är kritisk och påverkar direkt cellens effektivitet.

Reaktionsprincip

Texturering bygger på kristallint kisels anisotropa etningsegenskap, där lågkoncentrerad alkali och tillsatser etsar olika kristallorienteringar i olika hastigheter. Etthastigheten på (110)- och (100)-planen är mycket högre än på (111)-planet. Efter en viss etningstid lämnas fyra "pyramidstrukturer" bestående av (111)-plan på den monokristallina vafers yta.

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

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

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

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

Roll av textureringsadditiv

Additiv sänker kislets ytspänning, främjar frigörandet av vätgasbubblor som bildas under reaktionen och gör pyramiderna mer enhetliga. De förbättrar vätningen mellan skivans yta och reaktionslösningen, försvagar NaOH-lösningens etsningsstyrka, ökar kärnbildningspunkter och kärnbildningstäthet samt främjar bildandet av ett stort antal små pyramider. Generellt sett har additivets egenskaper det mest direkta inflytandet på den texturerade pyramidytan.

Processflöde

Textureringssekvensen inkluderar vanligtvis: förrengöring med NaOH och H2O2 (med hjälp av 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 pyramidstrukturen; 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 uppdragning för avvattning 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 avsätts på vafers yta med kvävgas som bärgas och reagerar med Si för att generera boratomer, vilket bildar ett borsilikatglasskikt (BSG). Boratomerna diffunderar sedan in i vaferskivan för att bilda PN-övergången. BCl3 är en färglös, ångande vätska eller gas med en densitet på 1,35 kg/m3, en smältpunkt på -107,3°C och en kokpunkt på 12,5°C. Den är icke brandfarlig, irriterande och stickande, och sönderdelas i vatten till väteklorid och borsyra med betydande värmeutveckling. Mellanprodukten B2O3, med en smältpunkt på 450°C och kokpunkt på 1860°C, förblir flytande under hela processen och är starkt korrosiv mot kvartskomponenter.

Bordiffusion är svårare än fosfordiffusion, så TOPCon-metoden ställer högre krav på utrustningen, 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. Predeponeringsdiffusion (BSG-deponeringssteget) använder en lägre temperatur och håller vaferskivan i en mättad föroreningsatmosfär, så att ytans föroreningskoncentration förblir konstant; detta kallas diffusion med konstant ytkälla. Omfördelningsdiffusion trycker in boret från BSG i vaferskivan vid en högre temperatur i en syrerik atmosfär utan externa föroreningar; här ändras ytkoncentrationen över tiden, vilket kallas diffusion med begränsad ytkälla, med en gaussisk föroreningsfördelning.

De typiska processtegen är: vakuumpumpning för att nå lågt tryck; uppvärmning till diffusionstemperaturen (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 predeponering och passiv drive-in; ytterligare uppvärmning över 900°C för att öka diffusionshastigheten och djupet; efteroxidation för att bilda ett SiO2-skikt över 100 nm för att kontrollera borinnehållet, fördjupa övergången, bilda ett skyddande skikt och gettra substratföroreningar; kylning till en säker röröppningstemperatur; och bryta vakuumet med N2 för att återställa atmosfärstrycket.

3. BSG-borttagning och alkalisk etsning

BSG-borttagning

Efter bordiffusion bär vafers 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.

Vafern går först in i inline HF-rengöringsutrustningen, där cirka 60% HF löser upp BSG på baksidan i 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 uppdatera 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 jämn, 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 starkt reflekterande polerad morfologi. Tillsatsmedlet för alkalisk etsning 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 vätningen och ökar kärnbildningstätheten.

4. Deponering och beläggning

Detta steg deponerar Tunneloxid (TOX), Poly-Si-skiktet och masken. Deponering sker huvudsakligen i vakuumgasfas och kan delas in i fysikalisk ångdeponering (PVD), kemisk ångdeponering (CVD) och atomlagerdeponering (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)

Tunneloxidlagret baseras på kvanttunneleffekten och använder en ultratunn oxid (vanligtvis 1-2 nm) som barriär. Mellan det n-dopade kiselsubstratet och det dopade poly-Si-skiktet möjliggör det bärarselektiv transport: elektroner (majoritetsbärare) tunnlar 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 gränsytans rekombination.

Oxiden kan framställas genom termisk oxidation (kompatibel med LPCVD) eller genom 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 mogen, 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 långsam 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 drabbas av damm, hög vätehalt och bubblbildning under högtemperaturglödgning.

Poly-Si-skikt

Polykristallint kisel (Poly) består av otaliga små kiselkorn, med kornstorlekar vanligtvis 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, övergår från en mikrokristallin-amorf blandfas till polykristallin och aktiverar passivering. För dopning deponerar LPCVD vanligtvis först ett odopat poly-Si-skikt och genomför sedan fosfordopning via diffusionsugn eller jonimplantation (ex-situ-dopning), eftersom dopning under långsam LPCVD-deponering skulle göra den ännu långsammare. PECVD har högre filmverkningsgrad och kan genomföra fosfordopning under beläggningen (in-situ-dopning). LPCVD, huvudteknologin 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-förluster (parasitära) och större kortslutningsströmsförluster, och högre fosfordopning ökar FCA-absorptionen och strömförlusterna.

Masklager

Masklagret är vanligtvis en SiO2-film cirka 10 nm tjock som växer efter poly-Si-deponering för att skydda bakstrukturen, främst för att förhindra att efterföljande våtprocesser etsar poly-Si-skiktet. För att säkerställa att bakstrukturen inte skadas i tankbaserad våtutrustning, växer man efter polyprocessen en SiOx-mask (cirka 10 nm) på baksidan 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 odopat kiselkälla (endast gas, ingen RF, för att fylla röret jämnt och stabilisera trycket); deponering av odopat kiselkälla (RF på, för att deponera en odopad film som blockerar och buffrar fosfor från det dopade poly); fördeponering av dopad kiselkälla (endast gas); deponering av dopad kiselkälla (RF på, för att deponera en fosfordopad polyfilm); oxidmaskbildning genom 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 föra fram pn-övergångens djup 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, vilket sänker kontaktsresistiviteten och förbättrar FF samtidigt som passiveringskraven fortfarande 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 vafers framsida, täckt av en tunn Mask (SiOx)-film. Ensidig HF tar bort SiOx, därefter tar ett alkaliskt bad bort det främre n+-poly-Si. Vafers passerar sekventiellt genom etsningsbadet, alkaliska badet och rengöringsbadet för kemiska reaktioner innan torkning.

Syftet med RCA är att ta bort omslutande plätering och utföra kantetsning för att förhindra kantläckage, samt att rengöra vafers genom att ta bort främre och bakre BSG och masken samt dehydrera den som förberedelse för de främre och bakre passiveringsfilmerna. Eftersom poly är polykristallint kisel används alkalisk polering med högkoncentrerad alkali och tillsatser för borttagning av omslutande material.

RCA-tillsatserna rengör oorganiska ämnen och restprodukter för att förbättra ytväta, fungerar som reaktionskatalysatorer för att påskynda bindningen av OH- med kisel och snabba upp omslutande och kantetsning, samt minskar alkalietshastigheten för kiseldioxid för att skydda det främre BSG och bakre masken från överetsning.

Processstegen är: inline-HF för att ta bort PSG som bildats på framsidan och kanterna efter N2-glödgning, medan det bakre PSG behålls för att skydda det bakre poly; alkalisk polering med NaOH och tillsats för att ta bort överflödigt främre och kant-poly; alkalisk tvätt för att ta bort resterande tillsatser och föroreningar; syratvätt för att neutralisera resterande alkali och avlägsna metalljoner; långsam uppdragning med rumstempererat avjoniserat vatten med robot för att förhindra vattenfläckar; och torkning vid 90°C för att förhindra restvätska på vafers 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, därefter stoppar det; 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 stoppas 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 kiseloxiden på waferns yta; denna höga densitet av negativ laddning säkerställer effektiv fältpassivering. Aluminiumoxid ger också utmärkt kemisk passivering, mättar de hängande bindningarna på den kristallina kiselytan och minskar gränssnittstillståndstätheten.

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, därefter 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 antireflexbehandling, med ett optimalt enkellagers brytningsindex på 1,96 i luft; ökad kiselhalt stärker ytpassiveringen, och litteraturen rapporterar att ytrekombinationshastigheten sjunker 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 defektdensiteten vid gränsytan genom att minska antalet fria bindningar, antingen genom att växa ett ytskikt som ger atomerna tillräckligt med tid och energi för att mätta fria bindningar, eller genom att deponera en väterik dielektrisk film och frigöra väte under sintring så att det binder till fria bindningar. Fälteffektspassivering minskar antalet minoritetsbärare som når ytan genom att generera ett elektriskt fält nära ytan som stöter bort bärare av samma polaritet, vilket uppnås genom att sänka hög ytdopningskoncentration eller genom att lägga till ett dielektriskt skikt med hög fast laddning.

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

9. Screentryck (metallisering)

Efter texturering, diffusion och beläggning som fullbordar 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), screentryckduk, substrat (kiselplatta) och tryckplattform. Lämplig pastas tryckegenskaper (viskositet, skjuvförtunningsförmåga) är förutsättningen för storskalig masstryckning, och dukens maskantal, tråddiameter och designad linjebredd bestämmer till stor del den tryckta morfologin. Vid drift passerar pasta genom de mönstrade masköppningarna, och en rakel applicerar tryck medan den rör sig över duken, vilket pressar pasta från mönsteröppningarna på kiselplattan. Pastans viskositet håller den vidhäftad inom räckhåll, och rakel håller linjär kontakt med duken 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 kontaktsresistivitet och högre FF, minimal skada på emittern för att begränsa metalliseringsinducerad Voc-förlust, och lägsta möjliga volymresistivitet för att minska strömförlusten. Processstegen är: torkning för att avdunsta organiska ämnen i pastan; försintring för att smälta glasfritten, 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, vilket 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 utformad för att maximera bärarselektivitet och minimera rekombination för högre omvandlingseffektivitet.

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

Relaterad läsning: Tillverkningsprocessen och tekniken för fotovoltaiska moduler · Hur en solpanelproduktionslinje fungerar