LPCVD在TOPCon電池中的應用

晶矽太陽電池的兩個發展方向分別是降低成本和提升效率。光伏行業競爭激烈，繼續降低成本十分困難，但提升效率仍有較大空間。複合損失是影響電池效率的關鍵因素。對於鋁背場（Al－BSF）傳統電池結構和主流的PERC電池來說，電池背面金屬／半導體界面缺陷密度較高，界面複合是造成效率損失的重要原因。為了降低界面複合損失，接觸面積需要進一步減少。然而，接觸面積佔總電池面積的比例有一個下限，否則會造成接觸電阻過大，導致填充因子（FF）降低，電池轉換效率下降。另一個方式則是利用結對載流子的選擇通過特性（有效提高一種載流子的輸運，同時阻礙另一種載流子的通過），可大幅減少金屬／半導體界面的複合。

這種鈍化接觸在兩個方面上優異於其他傳統電池結構：（1）金屬／半導體界面的複合通過晶矽和金屬接觸之間的鈍化層而減少；（2）多子可以由隧穿效應移動到金屬接觸，但少子因為載流子選擇性不能從晶矽移動到金屬接觸。這種鈍化接觸可用本徵非晶矽或者超薄氧化矽作為鈍化層。基於非晶矽的鈍化接觸便是異質結電池結構或者HIT；基於SiO2的鈍化接觸和多晶矽的疊加結構便是TOPCon技術。因為異質結結構目前工藝過程中有溫度限制，所以poly－Si／SiOx代替了非晶矽吸引到了眾多研究者和企業的關注。

1．TOPCon鈍化結構

圖1．TOPCon電池結構示意圖

（圖片來源/北方華創提供，下同）

TOPCon電池結構如圖1所示，電池襯底為N型矽，正面摻雜硼形成p＋發射極，在背面製備一層超薄氧化矽，然後再澱積一層摻雜多晶矽薄層，二者共同形成鈍化接觸結構。能夠有效降低表面複合和金屬接觸複合，並與金屬電極形成歐姆接觸，相對於PERC電池，轉換效率有較大提升空間。

1．1隧穿氧化層分析

隧穿氧化層是一層厚度1～2nm的SiOx。通常SiOx作為絕緣層出現在半導體器件中，但由於SiOx介電層非常薄，不會阻礙多子的傳輸但會阻礙少子達到界面。多子通過隧穿原理實現輸運，少子則由於重摻雜Poly－Si和Si之間的勢壘難以通過該氧化層，因此可以顯著降低界面複合，隧穿效應如圖2所示。鈍化接觸結構中SiOx通過化學鈍化降低Si基底與Poly之間的界面態密度，減少界面缺陷複合。可實現複合電流密度J0＜10fA／cm2，開路電壓接近甚至超過700mV。

圖2．隧穿效應示意圖

因為SiOx非常薄，在製備過程中非常容易生成針孔。載流子通過SiOx輸運是量子隧穿效應，但通過針孔可以直接穿過。針孔的數量和SiOx的厚度對最終的效率都有直接的影響。載流子通過針孔輸運時，Rs下降，FF升高，效率隨著針孔數量的變化可達到一個最高值。但在高密度針孔區域進一步增強針孔輸運，所有的性能參數（Voc，Jsc，FF）開始下降，導致效率降低。這個現象可以這樣解釋：在純隧穿的條件下，非線性的J－V特性顯示出高的衍生電阻，因此會導致FF的降低。當有針孔時，載流子也可以通過直接穿過SiOx，這可以降低Rs，因此會提高FF和效率直到達到最大值。然而，進一步提高針孔輸運將會增加載流子的一個分流路徑，減小結的勢壘高度，降低Voc。針孔數量增加也會降低鈍化性能，提高表面複合，降低電池性能。因此在超薄氧化矽鈍化層中一定合適數量的針孔對於足夠厚的SiOx（例如1．5nm）是必須的，這對於提高FF很有必要。實際太陽電池中如果Voc很低，表明輸運通道可能有太多針孔，這會導致鈍化性能很差。所以，選擇SiOx厚度和控制針孔密度是一個技術難點。

1．2摻雜多晶矽層分析

重摻雜多晶矽層對電池的鈍化性能至關重要。首先，Poly層對超薄氧化層起保護作用，避免其遭到破壞。其次，對Poly層進行重摻雜形成高低結（n／n＋－Si），能夠有效降低載流子在背面的複合速率，進一步提高太陽能電池轉換效率。重摻雜多晶矽工藝的參數對鈍化性能十分關鍵，過高的擴散溫度或者退火溫度會使內擴散嚴重造成iVoc衰減，並且Poly層膜厚的降低也會導致磷原子內擴散到晶體矽中，降低iVoc。摻雜濃度對鈍化性能有較大影響，雜質濃度較低範圍內，鈍化性能隨著摻雜濃度升高而升高，但到峰值後開始隨著摻雜濃度升高鈍化性能急速下降。這反應了iVoc隨著摻雜濃度的提高而下降是因為磷原子向晶體矽內擴散隨著摻雜濃度的提高而提高，另一方面是由於磷原子在層中的擴散濃度高於固溶度而造成死層。隧穿電流是輸運係數的函數，這由Si／SiOx之間的勢壘高度決定，SiOx層界面的載流子濃度會決定勢壘高度。所以，可以得出結論當poly層中摻雜濃度改變會導致隧穿電流改變。

2 ．TOPCon工藝重點

TOPCon技術與n－PERT雙面電池產線相兼容，可以通過對n－PERT雙面電池產線簡單的改造實現N型單晶雙面TOPCon電池的規模化生產。隧穿氧化層可通過熱氧法得到，降低氧氣分壓後，氧化速率緩慢，可得到厚度和均勻性可控的氧化矽膜層。poly層可通過高溫下矽烷的熱分解實現。

LPCVD設備可一站式完成隧穿氧化層和poly層的製備。熱氧和澱積poly層兩個工藝二合一能夠大幅提高產能，降低設備成本，相對於其他設備有較大優勢。熱氧工藝完成後在低壓狀態下進行澱積poly層，除節約時間外，更重要的是能夠對超薄氧化矽層起到保護作用，一方面使氧化層不會在出舟過程中被進一步氧化，失去隧穿效應；另一方面氧化層也不會在空氣中被汙染。

Poly層中摻雜磷有兩種方式，分別是原位摻雜和非原位摻雜。原位摻雜是在澱積poly過程中直接摻雜。非原位摻雜是澱積poly層完成後，再進行摻雜。可選用兩種方式，一是離子注入加退火，二是磷擴散。離子注入工藝單面性較好，但是設備昂貴，產能低，大規模量產設備成本較高。磷擴工藝單面性稍差，但可以通過工藝設計可以解決這個問題，並且磷擴散設備在光伏市場上已經十分成熟，價格較低，工藝也非常穩定。綜合考慮，在TOPCon電池量產中，LPCVD完成隧穿氧化層和Poly層的製備，再進行磷擴散是性價比最優選擇。

3．LPCVD設備優勢

圖3北方華創LPCVD設備

我們採用北方華創HORIS L8574A系列LPCVD設備，如圖3所示。該設備是針對TOPCon電池研發的臥式LPCVD，能夠完成TOPCon電池背面隧穿氧化層和Poly層的製備，具有以下優勢：第一、產能大。該機型為量產型LPCVD，每臺設備5根爐管，單管1200／1600片兩種可選；第二、工藝效果優異，具體數據見下文：

圖4poly膜厚160nm整舟和不同溫區矽片鍍膜情況（在帶有氧化層法的矽襯底上澱積poly，通過顏色反映膜厚均勻性）

圖5澱積poly後SEM截面照片

表1 1600片LPCVD 澱積poly層膜厚結果

由圖4可以看出，整舟矽片澱積poly後顏色一致，六個溫區各取一片測試，外觀顏色基本無差別，可初步判斷poly層膜厚均勻性良好。採用SEM觀察澱積poly層後的矽片截面，如圖5所示，可以清晰分辨出由氧化層隔開的poly層。使用橢偏儀對poly層厚度進行精確測量，膜厚和均勻性見表1，膜厚均值158．8nm，片內均勻性＜2％，片間均勻性＜4％，該工藝已實現TOPCon電池產線穩定量產。

總結

本文分析了TOPCon電池的核心鈍化接觸結構，隧穿氧化層和重摻雜poly疊層結構能夠取得卓越的鈍化效果。LPCVD設備可完美實現二合一工藝，很好地滿足產線需求。隨著設備和技術路線的日益成熟，TOPCon電池成為了近期光伏行業的發展潮流。設備供應商還應繼續提高設備性能和產能，才能更有效地促進光伏行業的發展。

（本文作者/北方華創鄧凌霄）