TOPCON电池技术分析

2020 TOPCON电池技术分析 晶硅电池技术 -sw 目 录 CON TEN TS 01 Topcon技术介绍 02 Topcon技术难点 03 Topcon发展方向 04 LPCVD技术分享 05 电池技术知识分享 01Topcon技术介绍采用超薄介质薄膜将金属和半导体隔离，钝化硅片表面，同时薄膜超薄，可实现载 流子的隧穿效应以保证载流子的传导。这种技术被称为钝化接触技术。 01 Topcon技术介绍 起源： 隧穿氧化层钝化接触（ tunnel oxide passivated contact， TOPCon）太阳能电 池 ，是 2013 年在第 28 届欧洲 PVSEC 光伏大会上德国 Fraunhofer太阳能研究 所首次提出的一种新型钝化接触太阳能电池，电池结构图如图 1所示 .首先在电池 背面制备一层 1 ～ 2nm 的隧穿氧化层，然后再沉积一层掺杂多晶硅，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界面钝化。 图 1 TOPCon 电池结构示意图（ a）、 TOPCon 截面的 TEM 1— 金属栅线； 2— p+ 发射极； 3— 钝化薄膜； 4— coatig：减反射膜； 5— 超薄隧穿氧化层 （ SiO2）； 6— 金属化； 7— 磷掺杂多晶硅层 01 Topcon技术介绍 最高效率（ Fraunhfer 25.7）： n-Type Si solar cells with passivating electron contact: Identifying sourcesfor efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation 01 Topcon技术介绍 隧穿原理 选择性钝化接触技术 允许一种载流子通过； 阻止另一种载流子输运 钝化接触的质量可以由公 式来定义： 选择性参数 :S10 接触电阻： ρc 复合参数： J0 热电压 (thermal Voltage): Vth 通过 S10可以计算电池的极限效率 IEEE J. Photovolt. 6, 1413 (2016). 01 Topcon技术介绍 隧穿原理 选择性钝化接触技术 IEEE J. Photovolt. 6, 1413 (2016). 具有局部针孔的 n+型多硅 /硅结的简图 01 Topcon技术介绍 隧穿原理 选择性钝化接触技术 TOPCon太阳电池技术具有最高的极限效率 Surface passivation of crystalline silicon solar cells: present and future Topcon 01 Topcon技术介绍 隧穿原理 选择性钝化接触技术 Fired up for passivated contacts •传统的金属接触 •钝化接触 01 Topcon技术介绍 不同隧穿层材料对于界面化学钝化及电荷场钝化的特性 02Tocpon技术难点 1.经典 topcon技术路线介绍 02 Topcon技术难点 天合 REC 林洋 中来 1.TOPCON电池对于硅基材料的要求 02 Topcon技术难点 N型材料的优势： • N型材料较低的金属杂质敏感度 • 不存在硼氧对缺陷 • 更高的寿命 挑战： • 硼扩散的高温工艺 • 对氧敏感，产生氧致同心圆缺陷 • N型电池片良率较低 2.技术难点 -TunnelOxide 02 Topcon技术难点 STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 热氧化法 氧气高温下与硅 基底反应； 化学钝化效果好； 厚度均匀性控制 难度较高 湿化学法 沸腾的 HNO3/H20 (68%wt)； 共沸物，反应过程中化 学组成基本不变，可长 时间使用； 生长厚度具有自限制特 点，工艺更好控制 PECVD 钝化效果较差； 厚度均匀性不易控制； 生长速度快 准分子源干氧 （ excimer source） 准分子发射波长为 172 nm 的单色紫外光； 分解环境大气的分 子氧 （ O2）。所得氧自由基 与 O2之间反应产生 O3 2.技术难点 -TunnelOxide 02 Topcon技术难点 多晶硅隧道膜变厚使得钝化效果变差 *超薄氧化层均匀性及厚度同样重要。 2.技术难点 -Polysilicon 02 Topcon技术难点 生长方式分类 目前市面主要分为： LPCVD方式和 PECVD 优劣对比： LPCVD沉积速率慢均匀性较好 PECVD沉积速率快均匀性及效 果略差 掺杂方式分类 掺杂分为： Dpoly(Doped)和 Upoly(undoped) 掺杂非晶硅和本征非晶硅 工艺对比： 1.Dpoly掺杂流程，在工艺过程中通入 PH3 实现原位掺杂，然后退火晶化 2.Upoly先生长非晶硅层，然后利用扩散炉 晶化，通入 POCl3进行掺杂 优劣对比： Upoly生长速度快，均匀性较好，但 制程需要增加扩散制程进行晶化和扩散 Dpoly生长速率慢，均匀性略差，但 工序较短 2.技术难点 -Polysilicon 02 Topcon技术难点 PECVD方式沉积 poly-si：起泡问题 2.技术难点 -Polysilicon 02 Topcon技术难点 PECVD方式沉积 poly-si：有前途的 J0和接触电阻 *对于好的 J0，金属，最小厚度为 70nm *接触电阻更低，但 Jo,pass随着更厚的 PECVD 生长的多晶硅层而降低 2.技术难点 -Polysilicon 02 Topcon技术难点 Pecvd沉积 Poly-si:iVoc / iFF a.f.o.厚度 钝化 n-多硅层的 iVoc / iFF *poly-si沉积面为抛光面时 IVOC及 IFF最高。 2.技术难点 -Polysilicon 02 Topcon技术难点 Pecvd沉积 Poly-si:掺杂 a.f.o.退火 ECV a.f . o.的 p掺杂谱。退火温度 提高退火温度 2.技术难点 -湿法刻蚀 02 Topcon技术难点 TOPCon工艺湿法刻蚀工艺步骤： TOPCon 湿法刻蚀工艺主要包含 碱刻蚀及酸刻蚀主要用来形成绒 面及对绕镀，绕扩的刻蚀。 优势 •无损绒面。 •无滚轮印风险 •对结无影响。 劣势 •需添加剂 •需 KOH或者 TMAH •需单独正面去 PSG 供应商 •晶州 •S.C •RENA 碱抛法VS 边缘绕扩刻蚀，主要用 SSE设备去除边缘绕扩 采用链式机利用 HF+HNO3刻蚀正面绕镀非晶硅 主要设备厂家均有解决方案 *利用 BSG厚度进行正面保护进行酸刻或碱抛 酸抛法 2.技术难点 -硼扩 02 Topcon技术难点 低压管式 BBr3， BCl3扩散 硼扩掺杂技术 旋涂硼源 +扩散 常压管式 BBr3扩散 离子注入 +退火 硼扩散常见问题： B2O3对于石英器件损伤严重，尾气管堵塞、石 英炉门与石英件粘连 高温对于石英件要求较高，石英件易变形 泵需要定期维护，且如果尾气过滤较差泵易损 坏 炉管内部结晶严重，难以清洗，如频繁升降温 清洗易导致加热丝变形 维护成本高 2.技术难点 -硼扩 02 Topcon技术难点 BBr3: 沸点 90℃ ，常温下为液态。 BCl3: 沸点 12.5℃ ，常温下为气态。 4BCl3+3O2=2B2O3+6Cl2 2B2O3+3Si=4B+3SiO2 Cl2的氧化性更强，容易氧化金属杂质。 B-Cl键能更大，不易分解，在扩散温度下利用率不高 BBr3 vs BCl3 2.技术难点 -硼扩 02 Topcon技术难点 BBr3： 优 点：常规扩散源，液体，危险性相对低一些； 缺 点： 1, 对石英腐蚀，石英管使用寿命短； 2, B2O3呈黏状，有副产物，需要 DCE去清洗，维 护成本高； 3, 自身成本高； BCL3: 优 点： 1, 无腐蚀性（石英管使用寿命大幅延 长）； 2, B2O3呈颗粒状，含 CI，带自清洁功能； 3, 自身成本低； 缺 点： 1, 气体，危险性比较高； 2, 扩散均匀性稍差； 2.技术难点 -BSG去除 02 Topcon技术难点 Effects and methods of the BRL removal in solar cell 2.技术难点 -钝化层面临着两种类型的烧穿 02 Topcon技术难点 I类烧穿： 掺杂元素烧穿 II类烧穿： 金属浆料烧穿 背表面：钝化失效 Back surface: worse passivation 正表面：短路 Front surface: Shunt Topcon与 HJT电池的量产前景分析 -王文静 2.技术难点 -烧穿型浆料降低了 poly钝化效果 02 Topcon技术难点 工业化晶体硅太阳电池实现 25%效率关键技术 -天合光能 03Topcon发展方向 03 Topcon发展方向 Ag Al Ag Al Ag Ag PECVD SiNx:H ALO x BBr3 diffusion PECVD SiNx:H tunnel oxide Polysilico n TOPCON-硼扩 SE 实现方式 ： 1.印蜡 2.激光 SE（绿光 DR） 3.分 步 激光 SE（扩散 激光 清洗 退火推结 生长 BSG） 03 Topcon发展方向 SEGAGUI 电池功率损失的分布图