錢(qián)金忠，左克祥，王 安，杜東亞，凡金星，高紀(jì)凡*

(1.國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213031)

0 引言

德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)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(yáng)能光伏展覽會(huì)(EU-PVSEC)上首次提到了隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽(yáng)電池的概念，經(jīng)過(guò)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(yáng)電池技術(shù)[1-2]。

PERC太陽(yáng)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(yáng)電池工藝路線都能與PERC太陽(yáng)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(yáng)電池的制備[3]。PERC太陽(yáng)電池和TOPCon太陽(yáng)電池的工藝路線對(duì)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(yáng)電池和TOPCon太陽(yáng)電池的工藝路線對(duì)比Fig.1 Comparison of process routes between PERC solar cells and TOPCon solar cells

TOPCon太陽(yáng)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(yáng)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(chǎng)鈍化效應(yīng)，對(duì)硅片背面起到較好的鈍化效果。LPCVD法是制備TOPCon太陽(yáng)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(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流[6]。實(shí)驗(yàn)室制備的TOPCon太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)725 mV的開(kāi)路電壓和24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，證明了此類太陽(yáng)電池技術(shù)路線的可行性[7-8]。TOPCon太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 TOPCon太陽(yáng)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(yáng)電池當(dāng)前工藝路線中兩個(gè)非常關(guān)鍵的步驟。當(dāng)制備較高摻雜濃度的多晶硅層時(shí)，更容易出現(xiàn)磷原子穿透隧穿氧化層的情況，對(duì)氧化層的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響載流子的選擇能力，且會(huì)增加寄生吸收；而當(dāng)制備較低摻雜濃度的多晶硅層時(shí)，所形成的多晶硅層的場(chǎng)鈍化效果較差。如何在保證場(chǎng)鈍化效果的基礎(chǔ)上，減少摻雜過(guò)程中磷原子穿透氧化層的情況，是TOPCon太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升過(guò)程中需要解決的問(wèn)題[9-10]。

為了保證TOPCon太陽(yáng)電池具有較高的開(kāi)路電壓和較低的串聯(lián)電阻，需要對(duì)多晶硅層的摻雜工藝進(jìn)行研究[11-12]。基于此，本文針對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池的多晶硅層的磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時(shí)間對(duì)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(yáng)電池的制備流程為：

1)通過(guò)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(guò)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(guò)磷擴(kuò)散的方式對(duì)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(duì)多晶硅層及硅襯底摻雜情況的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時(shí)間對(duì)電化學(xué)微分電容電壓(ECV)曲線及太陽(yáng)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(guó)WEP公司生產(chǎn)的型號(hào)為CVP21的擴(kuò)散濃度分布測(cè)試儀測(cè)試磷擴(kuò)散后的磷濃度分布曲線；使用Halm脈沖太陽(yáng)模擬器在25 ℃環(huán)境溫度、AM1.5大氣質(zhì)量和1000 W/m2太陽(yáng)輻照度下測(cè)量TOPCon太陽(yáng)電池的I-V特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷摻雜量對(duì)磷摻雜特性及TOPCon太陽(yáng)電池電性能的影響

在TOPCon太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提升太陽(yáng)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(huì)盡量增加摻雜區(qū)域的濃度。但在摻雜濃度提升的同時(shí)，重?fù)诫s區(qū)域會(huì)出現(xiàn)自由載流子吸收的情況，這種寄生吸收會(huì)對(duì)光生電流有負(fù)面影響，因此需要驗(yàn)證不同摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)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(shí)間不變，研究不同的磷摻雜量對(duì)磷摻雜特性及TOPCon太陽(yáng)電池電性能的影響。當(dāng)通源量為1400 sccm時(shí)，通源時(shí)間分別設(shè)定為15、25、35 min。不同通源時(shí)間時(shí)的摻雜濃度曲線如圖3所示。

圖3 不同通源時(shí)間時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，摻雜量越大，多晶硅層中的磷摻雜濃度越高；同時(shí)，由于隧穿氧化層會(huì)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(huì)呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，且隨著通源時(shí)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(shí)間時(shí)制備的TOPCon太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)如圖4所示。

圖4 不同通源時(shí)間下制備的TOPCon太陽(yáng)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(shí)間為15 min時(shí)，TOPCon太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為24.29%；當(dāng)通源時(shí)間為25 min時(shí)，TOPCon太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，為24.38%；當(dāng)通源時(shí)間為35 min時(shí)，TOPCon太陽(yáng)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(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率呈先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)通源時(shí)間為25 min時(shí)，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，且此時(shí)的開(kāi)路電壓也最高，達(dá)到了0.7178 V，這是因?yàn)榇藭r(shí)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(duì)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(guò)大時(shí)，太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓及短路電流呈下降趨勢(shì)。

相較于通源時(shí)間為15、25 min時(shí)的情況，通源時(shí)間為35 min時(shí)，硅襯底中的磷原子濃度呈上升趨勢(shì)，太陽(yáng)電池的歐姆接觸變好，填充因子得到提升，所以，通源時(shí)間為35 min時(shí)太陽(yáng)電池的填充因子最高。當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，背面漿料接觸會(huì)受到影響，填充因子相對(duì)較低，但當(dāng)進(jìn)入硅襯底中的磷原子過(guò)多時(shí)，會(huì)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(shí)間為35 min時(shí)太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓較低，且此時(shí)的寄生吸收最嚴(yán)重，短路電流也最低。

2.2 推進(jìn)溫度對(duì)磷摻雜特性及TOPCon太陽(yáng)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(shí)間為25 min)及推進(jìn)時(shí)間不變，研究不同推進(jìn)溫度對(duì)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(shí)磷的摻雜濃度曲線如圖5所示。

圖5 不同推進(jìn)溫度時(shí)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(shì)；在不同推進(jìn)溫度條件下，由于隧穿氧化層的存在，其會(huì)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(huì)更容易穿透氧化層，進(jìn)入到硅襯底中的磷原子會(huì)變多。

當(dāng)推進(jìn)溫度較低時(shí)，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(guò)高時(shí)，會(huì)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(duì)載流子的收集及鈍化效果均會(huì)造成影響。

不同推進(jìn)溫度下制備的TOPCon太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，TOPCon太陽(yáng)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(shí)，進(jìn)入到硅襯底中的磷原子量最大，也意味著此時(shí)硅襯底中的磷濃度最高，這樣會(huì)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(shí)間對(duì)磷摻雜特性及TOPCon太陽(yáng)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(shí)間為25 min)及推進(jìn)溫度不變，研究不同推進(jìn)時(shí)間對(duì)磷摻雜特征的影響，推進(jìn)時(shí)間分別設(shè)置為20、30及40 min。不同推進(jìn)時(shí)間下磷的摻雜濃度曲線如圖7所示。

圖7 不同推進(jìn)時(shí)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(shí)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(shì)，這與增加推進(jìn)溫度時(shí)磷的摻雜濃度的變化趨勢(shì)基本一致。增加推進(jìn)時(shí)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(shí)間會(huì)對(duì)非晶硅的晶化率造成影響，當(dāng)推進(jìn)時(shí)間較短時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鈍化效果較差，此時(shí)磷元素未被完全激活，場(chǎng)鈍化效應(yīng)較弱；而當(dāng)推進(jìn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，在硅襯底中的磷元素會(huì)變得過(guò)多，從而加劇復(fù)合，影響鈍化效果。

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

圖8 不同推進(jìn)時(shí)間下制備的TOPCon太陽(yáng)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(shí)間為30 min時(shí)，TOPCon太陽(yáng)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(shí)間為40 min時(shí)，TOPCon太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅為24.43%，說(shuō)明推進(jìn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響太陽(yáng)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(shí)間的變化，還會(huì)受到推進(jìn)溫度及推進(jìn)時(shí)間的影響，對(duì)摻雜曲線的合理優(yōu)化，既可以保證隧穿氧化層對(duì)載流子的選擇能力不會(huì)受到影響，同時(shí)也可以保證摻雜多晶硅層的鈍化效果。

3 結(jié)論

本文針對(duì)TOPCon太陽(yáng)電池多晶硅層的磷摻雜量、推進(jìn)溫度及推進(jìn)時(shí)間對(duì)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(shí)間為25 min、推進(jìn)溫度為880℃、推進(jìn)時(shí)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(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了最大值，為24.48%。