Как серебряная паста проникает сквозь poly-Si на тыльной стороне TOPCon

Краткий ответ: Серебряная паста прогрызает поликремний на тыльной стороне TOPCon-элемента по причине, противоположной той, по которой она прожигает фронтальное покрытие. На фронтальной стороне паста должна проникнуть через антиотражающий слой, чтобы достичь эмиттера. На тыльной стороне она должна обеспечить контакт с легированным слоем поликремния толщиной всего около 100 нм, расположенным над туннельным оксидом, который может составлять 1,5 нм. Если паста протравливает поликремний насквозь, она достигает туннельного оксида и разрушает пассивацию, ради обеспечения которой существует вся структура; полученный контакт электрически хорош, но элемент теряет напряжение. Рабочие слои в производстве составляют примерно от 40 нм до 60 нм в зависимости от стека. Профиль вжигания и химия пасты должны остановить травление на нужной глубине, поэтому рецептуры металлизации тыльной стороны разрабатываются вместе с этапом осаждения.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение

В прошлый раз мы говорили о серебряной пасте для лицевой стороны. Вся суть там была в «прожечь насквозь». Почему один лазерный процесс может заставить всю серебряную пасту лицевой стороны быть заменённой?

Тыльная сторона — это полная противоположность.

Серебро всё равно должно проникнуть внутрь. Но как только оно внутри, оно должно немедленно остановиться.

Потому что на лицевой стороне, если серебро не вплавляется, контактное сопротивление не снизится. На тыльной стороне, если серебро вплавляется слишком глубоко, оно пробивает насквозь самую ценную часть TOPCon — пассивированный контакт.

Так что металлизация лицевой стороны — это о том, «как попасть внутрь». Металлизация тыльной стороны — о том, «как остановиться, когда ты уже внутри».

Эта статья разбирает тыльную сторону до конца: почему серебро «прогрызает» поли-Si, что происходит, когда оно это делает, и как новейшая двухслойная конструкция поли-Si строит для серебра дорогу, которая говорит «остановись по прибытии».

Сначала посмотрите на структуру тыльной стороны

Как на самом деле выглядит тыльный стек

Снаружи внутрь тыльная сторона TOPCon сложена примерно так: защитный слой SiNx, (некоторые производители используют двусторонний ALD и добавляют слой AlOx также на тыльную сторону), поли-Si, туннельный оксид, а под ним находится кремниевая подложка n-типа.

Самое большое отличие от лицевой стороны — этот нижний слой, туннельный оксид, толщиной всего около 1–1,5 нм. Это источник жизни всей пассивации тыльной стороны. Вся ценность пассивации поли-Si зависит от того, что эта плёнка останется неповреждённой.

Граница задачи серебряной пасты для тыльной стороны тоже отличается от лицевой. Прожигание защитного слоя SiNx нельзя пропустить — это входной билет, как и на лицевой стороне. Но её контактная цель находится внутри поли-Si. Поли-Si сильно легирован, он сам по себе является проводящим слоем. Как только серебро достигает поли-Si и образует контакт, задача выполнена.

Затем оно должно остановиться.

Если серебро продолжит опускаться, через туннельный оксид и в кремниевую подложку — пассивирующий контакт мгновенно погибает. Центры рекомбинации появляются по всему интерфейсу, Voc падает, и основа этой ячейки разрушена.

Примечание с производственной линии: задний слой AlOx сейчас всё ещё опционален, и многие производители его пропускают. Но по мере развития задних поликремниевых пальцев и других локализованных структур, требования к пассивации в неметаллизированных областях будут расти, и диэлектрические пассивирующие слои, такие как AlOx, явно станут важнее. Так что плёночный слой, который сегодня выглядит «опциональным», на самом деле может резервировать интерфейс для следующего поколения локализованных поли-Si структур. Прочитайте эту эволюцию, и вы увидите, что конструкция задней плёнки прокладывает дорогу для следующего шага.

Однослойный поли-Si — почему он не может удержать линию

Во-первых, как серебро «вгрызается» внутрь.

Лицевая часть это описывала: во время обжига серебро растворяется в расплавленной стеклянной фазе и мигрирует вместе со стеклом. На тыльной стороне этот же механизм продолжает работать — разница в том, что эмиттер на лицевой стороне приветствует вонзающиеся серебряные шипы, а тыльный поли-Si не может допустить, чтобы серебро проникало глубже.

Проблема однослойного поли-Si структурная: он состоит из зёрен, и границы зёрен проходят от верха до низа. Границы зёрен — ключевой быстрый канал для миграции серебра в глубину поли-Si.

Как только серебро мигрирует вниз по границам зёрен и достигает области туннельного оксида, оно может вызвать локальные повреждения или сформировать путь проникновения металла, в конечном итоге донося серебро до кремниевой подложки — и с этого момента физическая основа пассивирующего контакта исчезает.

Это не предположение, это задокументированное наблюдение. В статье о КПД 26,66%, опубликованной в Nature Energy Нинбоским институтом материалов и JinkoSolar, HAADF и HR-TEM провели полное физическое обследование интерфейса обжига образца с однослойным поли-Si: наночастицы серебра появились рассеянными внутри кремниевой подложки, со следами серебра, идущими от поли-Si прямо в подложку. Сам туннельный оксид остался целым, но он не сдержал серебро — один барьер не может остановить серебро, льющееся вниз по границам зёрен.

Двуслойная конструкция: не блокирует полностью, но оставляет дверь

Неочевидная часть решения из статьи: вместо того чтобы блокировать мертвый серебряный слой, они построили для серебра дорогу с надписью "остановка по прибытии".

Тыл был изготовлен из двух слоев поли-Si общей толщиной около 100 нм, каждый выполнял свою задачу. Это описывает конкретную двухслойную структуру, использованную в статье. Не каждый двухслойный поли-Si следует этой фиксированной конфигурации 60/40 нм с тяжелым/легким легированием.

Внешний слой, 60 нм, тяжело легированный, в основном аморфный — приемный зал. Много границ зерен, высокая концентрация фосфора, серебро входит свободно. Как только оно достигает позиции, оно образует омический контакт с тяжело легированным поли-Si. Это роль "проводника": контакт должен сформироваться, ток должен выходить.

Внутренний слой, 40 нм, легко легированный, высококристаллический — ворота. Высокая кристалличность, низкая плотность границ зерен, серебру некуда идти, когда оно попадает сюда. Это структурный слой, выполняющий "блокировку".

Туннельный оксид — последний химический барьер. Он не просто физически тонкий. Более важно, что он меняет условия на границе раздела для серебра, чтобы продолжать мигрировать к кремниевой подложке и образовывать стабильную металлическую фазу. Когда серебро останавливается вблизи высококристаллического поли-Si и границы раздела SiOx, формирование пути проникновения металла вниз к подложке становится гораздо труднее.

Итак, настоящий "тормоз" не создается ни одним отдельным слоем. Это высококристаллический поли-Si + туннельный оксид вместе составляют последнюю линию обороны.

Сравнение на HR-TEM делает это наглядным: в образце с одним слоем серебро проникает в подложку в виде рассеянных точек. В образце с двумя слоями, после того как серебро пробило большую часть внешнего слоя, оно вынуждено внутренним слоем принять "форму чаши" — оно распространяется в стороны, но больше не может идти вниз.

Эффект также прямой: подразумеваемое напряжение холостого хода выросло с 752 мВ до 757 мВ. За этим приростом в 5 мВ стоит один ключевой факт — проникновение серебра было явно подавлено, а пассивация сохранена. Эти 5 мВ не были "созданы", они были спасены — напряжение, которое в противном случае было бы потеряно.

Одной строкой можно подвести итог этой конструкции: мудрость блокировки серебра не в "затыкании", а в "слоистости" — встречающие встречают, привратники охраняют ворота. Внешний слой отвечает за контакт, внутренний слой держит нижнюю границу, а туннельный оксид подстраховывает последнюю остановку.

Окупаемость, стоимость и место в отрасли

Сначала о выгоде: Voc,i +5 мВ. Задняя опора этой сертифицированной эффективности 26,66% — именно эта двухслойная структура.

Теперь о стоимости, прямо: одно дополнительное осаждение, один дополнительный интерфейс. Добавленная сложность процесса и стоимость реальны. И сама статья признает, что внешний слой не остановил 100% серебра — последний барьер полагается на комбинацию внутреннего слоя поли-Si плюс туннельный оксид.

На карте отрасли это не единичный случай. Более ранний сертифицированный 26,35% двусторонний TOPCon от JinkoSolar использовал именно двухслойную структуру SiOx/poly-Si плюс УФ-пикосекундную лазерную селективную модификацию. И более чем одна академическая группа работает над двухслойным и трехслойным поли-Si. Функциональное наслоение поли-Si — направление, в котором движется отрасль — за этим стоит та же логика: разделить две задачи «контакта» и «пассивации» на отдельные пленки и поручить каждую своему слою.

Здесь стоит провести различие: даже с одинаковым двухслойным поли-Si два недавних рекорда используют его по-разному. В статье Jinko 26,35% (Янчжоуский университет + Jinko, EES) двухслойная структура сочеталась с УФ-пикосекундной лазерной модификацией и влажным травлением для селективного утоньшения внешнего поли-Si в задней неметаллизированной области — цель заключалась в снижении паразитного поглощения и повышении двусторонности. Это «оптическая проблема». В статье Нинбо 26,66% двухслойная структура направлена на блокировку серебра и сохранение пассивации. Это «электрическая проблема». Двухслойный поли-Si — это как платформа: разные команды решают на ней разные проблемы, но направление одно: пусть каждый слой делает только одно дело. В собственном списке команды Е Цзичуня по следующим рычагам повышения эффективности TOPCon двухслойные структуры поли-Si и локализованный поликремний (poly finger) стоят в самом начале — эта Nature Energy статья только что превратила первый пункт этого списка в рекорд.

Все же стоит добавить ложку дегтя: эти рекорды были установлены на лабораторном оборудовании, об этом говорится в самих статьях. От лаборатории до массового производства — выход годных, время цикла, стоимость — каждый барьер нужно преодолевать заново.

Одна таблица для наглядности

Три вывода для производственной линии

Во-первых, дефект тыльной стороны и дефект фронтальной стороны проявляются по двум разным параметрам. Когда фронтальная сторона выходит из строя, это обычно видно по FF (контактное сопротивление). Когда тыльная сторона выходит из строя, это обычно видно по Voc (пассивация пробита). Когда вы ищете причину аномалии Voc, помимо проверки процесса пассивации, температура обжига и структура поли-Si должны быть в списке.

Во-вторых, глубина проникновения серебра определяется структурой. Обжиг лишь контролирует подачу. Насколько глубоко проникает серебро — это определяется конструкцией структуры поли-Si: однослойная или двухслойная, высокая или низкая кристалличность, градиент концентрации легирования. Окно обжига лишь контролирует скорость на этом пути. Если структура не обеспечивает линию защиты, никакая точная настройка обжига не спасет.

В-третьих, многослойность — это тренд. Внимательно следите за вспомогательным стеком. Функциональное наслоение поли-Si, тыльные поли-пальцы, переход AlOx от опционального к обязательному — все эти изменения связаны. Когда вы планируете процесс, не смотрите только на один шаг, смотрите на направление развития структуры.

Таким образом, реальный рычаг эффективности в металлизации TOPCon — это не «более сильное» вжигание серебра, а знание того, где серебро должно оказаться.

Фронтальная сторона: пусть проникает точно. Тыльная сторона: пусть останавливается точно.

И следующий шаг вперед — делать само серебро все менее и менее.

Мнение Ooitech

Часть, которая всегда нас подводит на производственном участке, заключается в том, что проблемы с Voc редко сводятся к одной настройке. Задний Voc, который не восстанавливается, как бы вы ни настраивали окно обжига, обычно связан со структурой, а не с пастой — и двухслойный поли-Si по сути является признанием этого в отрасли. Стоит помнить, что эти цифры всё ещё получены на лабораторном оборудовании, поэтому переход к реальной линии — это то, где доходность и время цикла играют решающую роль. Если вам нравится такой разбор на уровне ячеек, на YouTube-канале www.youtube.com/ooitech есть больше материалов изнутри реальных линий по производству модулей.