3 Polar Photovoltaics-Stanley Sun

Applications of Tunnel Oxide Passivation and LPCVD technologies in semiconductor devices and TOPCon solar cells fabrication processes 半导体隧穿钝化技术及其工艺装备LPCVD 在半导体和光伏领域的应用 孙嵩泉 普乐新能源（蚌埠）有限公司 2019年6月5日  在半导体芯片工艺中有一层12nm的隧道层SiO2 ，此膜层的存在可以 实现量子隧穿效应，而此膜层的均匀性及结构可以直接影器件的量子隧 穿效应，  根据量子隧穿效应制造的场效应晶体管称为隧穿场效应晶体管 Tunneling Field-Effect Transistor 简称 TFET  根据量子隧穿效应制造的太阳能电池称为隧穿氧化钝化接触太阳能电池 Tunnel Oxide Passivated Contact,简称 TOPCon 量子隧穿效应及其应用 隧穿场效应晶体管 TFET 与传统的场效应晶体管 MOSFET 比较  传统的场效应MOSFET利用外加柵压 形成柵电场，引起器件沟道区由耗 尽状态逐步变成反型状态，导致器 件由关断变导通。即由电压诱导一 个电子沟道区来激活晶体管。  但是，场效应MOSFET正在慢慢达到 其极限，尤其在降低能耗方面已经 没有施展的空间。  隧穿场效应TFET 利用利用柵压来控 制半导体中载流子的带－带隧穿过程 Band to Band Tunneling. 隧穿场效应晶体管TFET是非常有前景的低 工作电压和低功耗的器件， 通过用隧道效应取代传统场效应晶体管， 能将施加于晶体管的电压从1伏特减少到 0.2伏特。从实用角度来考虑，电压减少 可将能耗减少到以前的1。 Fowler-Nordheim隧穿宽带光电探测器 P型Si衬底和n型ZnO纳米线（NW）阵列之间引入15nm厚的氧化铝绝缘隧道层，提高了载流子分离和收集效率 光敏响应度和灵敏度比p-Si/ n-ZnONW阵列的参考器件高近1个数量级 光诱导电荷载流子通过量子力学Fowler-Nordheim隧道机制（电场协助隧穿）流过绝缘隧道层 借助于压电光电效应，可以调节界面处的电荷密度以改变隧道的能带和势垒距离 应用前景灵敏度提高，数据传输的质量增强，功耗降低，以及硅光子学的成本降低 2019年1月24日American Chemical Society ACS Nano  目前平价上网要求光伏行业的发展以更高的光电转换效率为核心。  现有高效晶硅太阳能电池技术路线P-PERC、N-PERT, HIT, IBC／MWT，TOPCon  P-PERC电池将背面的接触范围限制在开孔区域，增加了工艺的复杂度外，开孔处的高复合速率 依然存在  N型晶硅电池具有少子寿命高，无光致衰减，弱光效应好，温度系数小等优点，是晶硅太阳电池 迈向理论最高效率的希望。  N-PERT Passivated Emitter， Rear Totally-diffused cell，其特点是背表面扩散全覆盖 以减小和降低电池的背面接触电阻和复合速率。与同为N型电池技术路线的IBC、HIT等相比，其 结构简单、制备成本低、工艺流程短，易实现大规模量产。  HIT和IBC技术由于成本和良品率的问题，产业界尚未大规模投入。  TOPCon Tunnel Oxide Passivated Contact, 隧穿氧化钝化接触技术，既能实现背面整面钝 化，又无需开孔接触， 是一种进一步降低背面金属接触区复合速率以实现背面整体钝化接触技 术。 半导体隧穿技术在光伏领域的应用 TOPCon电池效率可达25.1  2015年， Fraunhofer ISE公布采用  TOPCon技术的电池效率提升至25.1  2018年德国哈梅林太阳能研究所（ISFH） 与汉诺威大学宣布研制出了效率达到 26.1的POLO多晶硅氧化）-IBC太阳能电 池，结果经过ISFH检测中心的认证。  ITRPV 2018 预测N型硅片的市场占有率将 持续增加，2020年近10，2028年将达 28。  全背面钝化结合载流子收集，有利于提高填充因子；  显著降低电极接触区域复合速度，可获得更高的开路电压；  避免使用激光开孔技术，简化了电池生产工艺；  采用氧化硅钝化层，可以兼容中高温烧结工艺；  易兼容现有N-PERT产线； TOPCon技术优势 TOPCon技术是在电池背面制备一层超薄的可隧穿的氧化层和一层高掺杂的多晶硅 薄层，二者共同形成了钝化接触结构，为硅片的背面提供了良好的表面钝化。 由于氧化层很薄，硅薄层有掺杂，多子（电子）可以隧穿透这两层钝化层，而少子 （空穴）则被阻挡，如果在其上再沉积金属，就可以得到无需开孔的钝化接触。 TOPCon技术电池结构示意图  LPCVD是用加热的方式在低压条件下使气态化合物在基片表面反应并沉积薄膜；  它的特点是膜的质量和均匀性好，产量高，成本低，易于实现自动化；  可采用密集装片方式提高生产率，可沉积Poly-Si、SiO2等 ，广泛应用于半导体集成 电路和光伏等行业；  而进行产品开发离不开装备的支持，目前在此类技术上的装备低压化学气相沉积系统 主要依赖进口，设备昂贵，交期长，而且控制系统不开放，电池厂无法及时升级工 艺；  普乐新能源的LPCVD装备不仅在价格和技术服务上使客户满意，而且在技术指标上存在 明显的优势； 半导体隧穿技术使用的工艺设备 LPCVD 低压化学气相沉积系统  整机包括电气控制系统、炉体（炉门结构、炉管）、 工艺气体分配系统、真空系统（干泵、压控系统），英 英舟X-Y-Z向传输系统等。  结构形式 5管左手机、5管右手机，由客户方确认。  成膜种类氧化硅（SiO 2 ）、多晶硅（Poly-Si）  适用硅片156.75-166.75mm  单机装片数量5管 X 1200片/管 6000片/单机  真空系统干泵、管道、阀门、气体流量控制系统  冷却系统法兰水冷，层间水冷（选项）以及石英舟风 冷（选项） 普乐设备的基本构成 序号 内容 技术指标 1 外形尺寸 长*宽*高 8050mm*1570mm*3600mm 1.1 管数 5管 2 恒温区长度 大于1.4米 小于1.8米 2．1 工作温度 控制精度 室温- 600℃＋／－1℃ 3 单机一次装片量 1200片/管 X 5管 6000片 4 沉积速率（本征） 0.5A1A／Sec. 4.1 沉积速率（掺B） 由客户工艺确定 4.2 沉积速率（掺P） 由客户工艺确定 普乐LPCVD设备基本参数 普乐 LPCVD设备 整机外观 长/宽/高 8050mm x 1570mm x 3600mm 中来使用普乐设计制造的LPCVD 大规模生产的N-Topcon 电池 量产效率 22.66 研发效率 23.3 量产产能 2.4GW Champion V oc J sc I sc FF Eff. Area mV mA/cm 2 A cm 2 Earlier batch* 702 39.5 9.725 83.2 23.04* 246.21 Latest batch 705 40.8 10.00 81.1 23.3 246.21 * 23.3 R  有的放矢从第一物理原理设计和制造的多功能低压化学气相沉积装备 LPCVD，解决了目前国内外设备存在的问题  Poly-Si（多晶硅）、SiO2（二氧化硅）隧穿氧化层工艺整合在一起  在节能降耗上工艺气体利用量降低了30；  客户端生产工艺时间缩短20；  可实现单人控制，自动化程度高，使用profibus通讯方式和其他机台 实现自动化对接；  在2018年SNEC展会上形成大批量销售； 高端LPCVD设备的设计和制造 谢谢