上海交通大学，Topcon 太阳电池中背面形貌的影响 (1)

丁东 1,2 ，刘荣林 3 ，展士飞 3 ，陈嘉 3 ，沈文忠 1,2 背 面 形貌对 接触电 阻的影 响 Effect of rear surface roughness on contact resistance 1 上海交通大学太阳能研究所 2 上海交通大学物理与天文学院 上海 200240 3 中来光电科技有限公司 泰州 江苏 225500目录 ➢ 金属- 半导体 接触原 理：肖 特基接 触 ➢ 金属- 半导体 接触原 理：欧 姆接触 ➢ 背面形貌实验结果分析 ➢ 接触电阻 测试 ➢ 接触电阻 的影响因 素 ➢ 研究成果 小结⚫ 孤立 金属及n型半导体能带图 ⚫ 金属功函数qϕ m ；半导体功函数qϕ s ；电 子亲和能qχ ⚫ 金属与半导体 紧密接触 ⚫ 热平衡时，费米能级必须相同， 真空能 级必须连续，理想金属- 半导体接触具有 唯一能带图 ⚫ N 型半导体势垒高度qϕ Bn = qϕ m -qχ ，P 型半 导体势垒高度qϕ Bp = E g -(qϕ m -qχ) ，其中q (ϕ Bn + ϕ Bp ) = E g ⚫ 电子由半导体导带进入金属时所遇到 内 建电势 ，V bi = ϕ Bn -V n ，其中V n 是导带底与 费米能级间距 金属- 半 导 体 接 触 基 本 原 理⚫ 肖特基势垒 （ϕ Bn 或 ϕ Bp kT ） ⚫ 载流子运输机制：①半导体中 多数载 流子热离化发射 越过势垒进入金属（ 见左图1 ） ⚫ I-V 特性： ⚫ ②少数载流子热离化发射 ⚫ I-V 特性： ⚫ 少子电流J po 比多子电流J s 小数个量级 1 肖特基接触⚫ 比接触电阻定义： 低R c 实现方法：①降低势垒高度；②减 小势垒宽度 ⚫ 高掺杂浓度下比接触电阻： 所以，在隧穿范围内R c 强烈依赖于掺杂 浓度，并以ϕ Bn /(N D ) 1/2 为因子呈指数变化 （见左图2 ） ⚫ N D ≥ 10 19 cm -3 时，R c 由隧穿过程主导并 随杂质浓度上升而迅速下降； N D ≤ 10 17 cm -3 时，电流由热离化发射主导， 此时R c 与掺杂浓度无关 2 欧姆接触电池结构设计 ⚫ 背面形貌设计在光学上的优势是首要考虑因素θ 48.9 ° 26.5° 12.8° 51.3° 0° ⚫ 反射角θ 减小， 绒面宽度越大，绒面高度降低 ⚫ 反射角θ很小的硅片绒面呈平坦的台阶形状 不同形貌SEM界面680 690 700 710 720 730 740 750 760 734 734 720 724 719 718 0° Implied-V OC (mV) 54.7° Pyramid q decreasing 711 钝 化 测 试 ⚫ 反射角θ 的减小有利于钝化0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 3.8 4.0 6.5 8.4 9.1 9.5 15.4 Pyramid q decreasing 0° 54.7° J 0 (fA/cm 2 ) 钝 化 测 试 ⚫ 反射角θ 的减小可以降低复合电流J 0680 685 690 695 700 705 48.9° V OC (mV) 0° Pyramid q decreasing 40.2 40.4 40.6 40.8 41.0 41.2 41.4 0° J SC (mA/cm 2 ) 48.9° Pyramid q decreasing 70 72 74 76 78 80 82 84 0° FF (%) 48.9° Pyramid q decreasing 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 0° Eff (%) 48.9° Pyramid q decreasing ⚫ θ 为12.8 ° 时，平均效率23.33% ，主要源于V OC 的提高，最高效率23.59% ⚫ θ接近0 时，平均效率只有20.15% ，主要由接触电阻过大造成 电 学 性 能 测 试金 属 电 极 与 硅 的 接 触SEM 2μm 500nm 2μm 500nm接 触 电 阻 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0° 61 10.1 15.9 6.4 6.4 9.1 R c (m Wcm 2 ) 9.6 54.7° Pyramid q decreasing ⚫ 当反射角θ减小到一定程度， 接触电阻值开始极剧增大 ⚫ 在反射角θ 很小时，缩短反应 时间有利于降低接触电阻接 触 电 阻 优 化 0 30 60 90 120 150 180 210 240 高掺杂 23.5 32.6 26 54.7 60 67.5 26.3 67.2 99.1 R c (m Wcm 2 ) 2.92 低掺杂 退火温度升高 退火温度升高 退火温度升高 中掺杂 ⚫ 优化掺杂分布的方式虽然能部分程度降低接触电阻，但是效果不明显，需要 进一步分析原因三、原因分析：①Ag栅线烧结后的SEM 图 M. Ju, Materials Science in Semiconductor Processing, 2018, 85, 68. ⚫ 印刷Ag 电极的宽 度受到硅片表面 形貌的影响Ag 栅 线 烧 结 过 程 模 型 图 ⚫ Ag 颗粒尺寸1.1~3.72μm ， 抛 光 面 和 小 金字塔 尺寸小 于0.1~2μm ，大金字塔尺寸大 于10μm ⚫ 采用50μm 的patterned masks 印刷，多晶硅绒面宽度64 μm ，单晶硅71μm ，多晶绒面更平坦 ⚫ 单 晶 硅 前 电 极印刷 中，大 绒面印 刷电极 更宽， 遮光损 失比小 绒面高0.7mA/cm 2②金属- 半 导 体 接 触 基 本 原 理 ⚫ 慢冷却，Ag 在硅表面容易形成大块的倒金字塔 ⚫ 快冷却，Ag 颗粒容易分散在玻璃料中，很难形成大块倒金字塔 ⚫ PbO 含量的提升会增加Ag 的溶解度，从而加强Ag + 对硅表面的Etching 深度金属- 半 导 体 接 触 基 本 原 理 ⚫ 烧结开始，Ag 和Glass frit随机混合 ⚫ 熔融Ag 与 氧 反应， 形成Ag + 和O 2- ⚫ 倒 金 字 塔 形 成，Ag 原子 开始富 集在Si 表 面的 倒金字 塔附近 ⚫ 富集的Ag 原 子逐 渐 超过 溶解 度 ，沉 淀 开始 析 出 ⚫ 冷 却 时 ， 倒 金字塔 中的Ag 优先 成核形 成Ag晶体 K. Hong, Met. Mater. Int., 2009, 15, 307. ③SiNx折射率优化—降低ρ c SiN x Si Ag ⚫ SiN x 钝化膜存在最佳折射率，使得ρ c 最低 X.Y . Chen, Solar Energy, 2016, 126, 105. SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ 从(a) 到(d) ，SiH 4 /NH 3 气流比例逐渐增大 ⚫ 在(d) 图观察到金属覆盖面积最小， ρ c 高SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ (c) 图 金属 颗粒数 量最大 ，覆盖 面最大 ，Ρ c 低SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ (c) 金属块体电极与Si 衬底之间，存在融于界面SiO 2 玻璃体之间的 Ag 颗粒，能起到载流子隧穿的载体作用研 究 成 果 小 结 ➢ 减小绒面角度θ能获得 优异 的硅片 钝化性 能，implied-V OC 可 以 在 常 规 样 品的基 础上进 一步提 升16mV，达到734mV ； ➢ 角度θ 在12.8-48.9 °范围 的硅 片 ， θ的减小 可以 提高电 池平 均 转 换 效 率 ，在参 考组电 池平均 效率23.21% 的 基 础上进 一 步提升0.12% （ 绝 对值） ； ➢ 角度θ过小的 硅 片在 初始实 验中， 接触电 阻不具 有优势 ，可 以 通过优 选金 属浆料 、调 节烧结 温度 和烧结 时间 以及匹 配 掺 杂条件 等方 式进行 改善 ，目前 高钝 化硅片 的接 触电阻 可 以在20mΩcm 2 的基础上进一步减小4/5 以上 ； ➢ 本 实 验 中 ， 电池最 高转换 效率23.6% ， 开 路电 压703mVThank you very much ! Contact e-mail: wzshen@sjtu.edu.cn