LPCVD法制备TOPCon太阳能电池工艺研究

王举亮，贾永军

(青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司，西安 710100)

0 引 言

高效率、低成本是太阳能电池研究最重要的两个方向。太阳能电池的生产过程中，基体硅片的成本占整个生产成本的比例最高，为降低生产成本，尽快实现光伏电价“平价上网”，提高市场竞争力，硅片薄型化是必然的趋势，随之带来的问题是电池表面载流子复合严重，因此，表面钝化技术是太阳能电池研究的巨大挑战。为了在硅片薄化后仍然能够保持电池的高转换效率，2013年德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE)的Feldmann提出一种新型太阳能电池结构——隧穿氧化层钝化接触(tunnel oxide passivated contact， TOPCon)，并制备出效率达到23%的太阳能电池[1]，该结构的主要是由一层超薄的氧化层和重掺杂的多晶硅层组成，可以实现载流子的选择性通过。2019年德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)的研究显示，TOPCon电池理论极限转换效率为28.7%，接近晶硅太阳能电池的极限转换效率29.43%[2]。由于TOPCon电池的转换效率较高，近年来TOPCon电池产业化发展迅速，2022年10月晶科能源宣布其自主研发的182N型高效单晶电池效率达到26.1%，再次创造了TOPCon电池转换效率新纪录。

TOPCon电池核心结构由SiO2隧穿氧化层和磷掺杂的多晶硅层组成。目前行业内TOPCon电池的制备方式主要有低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)法[3]、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)法和溅射法，这几种制备方式的优缺点如表1所示。PECVD法虽然可以进行单面沉积，沉积速率较快，但是它容易导致沉积的多晶硅薄膜形成气泡，特别是沉积较厚的非晶硅薄膜时可能出现爆膜以及造成粉尘的污染[4]；溅射法不仅可以实现薄膜的单面沉积，且沉积的膜层致密性高，是未来极具发展潜力的多晶硅沉积技术[5]，但是成本极高，目前不适合产业化应用；而对于LPCVD法，尽管该技术沉积时会产生正面边缘绕镀，后续需要增加额外的湿法清洗工艺步骤进行去除，但是该技术制备的多晶硅膜层在片内及片间呈现较好的均匀性，电池端良率较高，工艺时间相对较短，生产效率高。同时LPCVD设备具有产能大、易于维护等优势，是目前TOPCon电池厂商布局的主流技术路线。因此，本文主要研究LPCVD制备方式中隧穿氧化层生长及多晶硅膜层沉积的影响因素。基于最优的工艺参数进行了TOPCon电池的制备，进一步探究了隧穿氧化层厚度、多晶硅膜层厚度及掺杂量对TOPCon电池效率的影响。

表1 TOPCon电池掺杂层制备方法Table 1 TOPCon preparation methods of cell doping layer

1 实 验

图1 LPCVD工艺流程Fig.1 LPCVD process flow

本文实验所用设备为荷兰TEMPRESS SPECTRUM 1.1，该设备由反应室及其加热装置、真空系统、气路系统、电脑控制系统、特气系统、净化工作台6部分组成，采用1 200片垂直装片设计，提高了硅片的装载量，降低了硅片在微粒中的暴露。采用LPCVD设备在580～630 ℃热氧气氛中制备隧穿氧化层，随后在 600～620 ℃下热分解SiH4制备多晶硅(polycrystalline silicon, Poly-Si)层，主要工艺气体为O2、SiH4和N2[6]。工艺流程如图1所示。

1.1 热氧化制备隧穿氧化层

TOPCon电池结构中的隧穿氧化层是一层1～2 nm厚的 SiO2膜层，热氧化法工艺是在高温580～630 ℃和110 Torr(1 Torr=133.322 Pa)的氧气氛围下，使硅片表面形成SiO2膜层[7]。LPCVD制备隧穿氧化层采用干氧气氛下的高温氧化，生长厚度为1.5 nm左右的SiO2，反应式如下：

(1)

1.2 沉积本征多晶硅

本征多晶硅的沉积即硅烷的热分解反应，隧穿氧化层制备完成后在600～620 ℃下，以240～300 mL/min通入一定时间的硅烷，压力控制在0.1～0.3 Torr，硅烷热分解后在隧穿氧化层上沉积一定厚度的多晶硅，其化学反应式如下：

(2)

2 结果与讨论

2.1 LPCVD制备氧化层的影响因素

LPCVD制备隧穿氧化层主要采用干氧氧化的方式，其氧化层的厚度主要受通氧量(通氧时间)、氧化温度，及氧化时间的影响。本实验采用LPCVD设备，使用N型158.75 mm×158.75 mm硅片验证各种因素与氧化层厚度的关系，结果如图2所示。

硅片表面的Si原子在高温下与氧分子反应，生成SiO2起始层[8]。此后，由于起始氧化层阻止了氧分子与Si表面的直接接触，氧分子只能以扩散方式通过SiO2层到达SiO2-Si界面，从而与Si原子反应生成新的SiO2层，使SiO2薄膜继续增厚。然而随着氧化层厚度的增加，氧气分子穿过SiO2层的难度增加，致使新生产SiO2层的速率减慢。

图2 氧化层厚度与通氧量(a)、氧化温度(b)、氧化时间(c)的关系Fig.2 Relationship between SiO2thickness and oxygen inflow time (a), oxidation temperature (b) and time (c)

2.2 LPCVD制备多晶硅的影响因素

LPCVD制备Poly-Si过程中，影响膜厚的主要因素有沉积温度、硅烷流量、沉积压力和沉积时间。本实验采用LPCVD设备，使用N型158.75 mm×158.75 mm硅片验证各种因素与多晶硅厚度关系，结果如图3所示。

多晶硅厚度随温度的升高基本呈线性增加，温度每增加1 ℃，多晶硅厚度增加2 nm；随着硅烷流量的增加，多晶硅厚度逐渐增加，当硅烷流量大于270 mL/min时，多晶硅厚度增加减缓；随着沉积压力的增加，多晶硅厚度增加趋于减缓；沉积时间与多晶硅厚度呈线性正相关，时间每增加100 s，厚度增加5 nm。

2.3 不同氧化层厚度对转换效率的影响

氧化层的存在可以中和界面的不饱和键，发挥着优异的表面化学钝化作用，若氧化层太薄，则会不连续、不成膜，起不到化学钝化的作用；若氧化层太厚，则会影响电子隧穿和吸收，电学特性会变差，最终影响电池转换效率。所以在多晶硅钝化接触中氧化层的厚度选择至关重要[9]。

理论分析氧化层厚度<1.6 nm时载流子穿过氧化层是隧穿机制，氧化层厚度>2 nm时载流子穿过氧化层是针孔机制[10-11]。如表2所示，当氧化层在1.25 nm和1.43 nm时，隧穿导电机制不能提供充足的导电，不能较好地阻挡磷杂质进入硅衬底从而导致电池填充因子FF较差。当氧化层厚度在1.55 nm时，钝化效果最佳。

2.4 不同多晶硅厚度对转换效率的影响

根据原理分析，多晶硅厚度增加会增加整体钝化效果，提升开路电压，然而多晶硅厚度过厚会产生寄生吸收，对电流产生影响，同时会导致表面浓度降低，影响填充因子[12]。本实验使用LPCVD设备通过调整多晶硅沉积时间，分别制作90 nm、120 nm和150 nm厚度的多晶硅，经过背面掺杂后验证其对转换效率的影响，实验结果如表3所示。随着多晶硅层厚度增加，表面掺杂浓度降低。多晶硅层越厚，越不容易烧穿，金属化烧结窗口越宽，钝化效果增加，多晶硅层厚度为120 nm时开路电压Voc达到最大值；但随着多晶硅厚度的增加对长波吸收越严重，导致短路电流Isc下降，多晶硅厚度在90 nm时转换效率Eff达到最大值。

图3 Poly-Si厚度与沉积温度(a)、硅烷流量(b)、沉积压力(c)、沉积时间(d)的关系Fig.3 Relationship between Poly-Si thickness and deposition temperature (a), SiH4 flux (b), deposition pressure (c) and time (d)

表2 氧化层厚度对各项电性能参数影响Table 2 Influence of oxide layer thickness on electrical performance parameters

表3 多晶硅厚度对各项电性能参数影响Table 3 Influence of polysilicon thickness on electrical performance parameters

2.5 不同P掺杂量对转换效率的影响

N+多晶硅层中的高掺杂会增加电子或空穴在氧化硅中的隧穿概率，因此，多晶硅层的掺杂浓度越高，TOPCon太阳能电池的开路电压和转换效率就越高。然而掺杂量超过多晶硅固溶度会增加俄歇复合，反而会影响开路电压。

本实验在120 nm的Poly-Si上采用离子注入技术掺入不同剂量的P，经高温退火后形成不同浓度及结深的N+掺杂层，验证不同P掺杂量对电池转换效率的影响。不同P掺杂量对应的方阻如图4所示，采用电化学电容-电压(electrochemical capacitance voltage, ECV)法测试的表面浓度及结深如图5所示，不同P掺杂量对各项电性能参数的影响如表4所示。

根据实验结果可知，随着P掺杂量的增加，表面浓度增加，方阻降低。多晶硅层的钝化效果随着P掺杂量的提高而增强，当掺杂量为3.0×1015cm-2时可获得较高的Voc。

图4 不同P掺杂量对应方阻Fig.4 Different P doping concentration correspond to the square resistance

图5 不同P掺杂量下表面浓度和结深的关系曲线Fig.5 Relationship curves between surface concentration and junction depth under different P doping concentration

表4 不同P掺杂量对各项电性能参数影响Table 4 Influence of different P doping concentration on electrical performance parameters

3 结 论

TOPCon电池的核心是使用LPCVD设备制备隧穿氧化层和多晶硅层。隧穿氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层，同时阻挡少子空穴复合，起到良好的化学钝化作用，通过实验验证，氧化层厚度为1.55 nm时，可以得到比较好的钝化效果。通氧量、氧化温度和氧化时间是制备隧穿氧化层的主要影响因素，随着氧化层厚度逐渐增厚，其增长速率逐渐变慢。重掺多晶硅层一方面起到保护二氧化硅层的作用，另一方面会增加电子或空穴在氧化硅中的隧穿概率，从而提升太阳能电池的开路电压和转换效率。制备多晶硅层主要受沉积温度、硅烷流量、沉积压力和沉积时间的影响。随着温度升高和沉积时间延长，多晶硅厚度呈线性增加，当硅烷流量和沉积压力达到某阶段后，多晶硅厚度增加速率趋于减缓。多晶硅层厚度增加会提升整体的钝化效果，然而多晶硅层太厚会产生寄生吸收，从而降低短路电流，通过实验验证，多晶硅层在120 nm时，电性能参数达到最佳。