Лазерная резка кромок в TOPCon: пассивация поперечного сечения
Содержание
Краткий ответ: Разрезание ячейки на четверти разделяет её по лазерной канавке, и эта канавка оставляет чистый кремний на обеих стенках. Опубликованный подход состоит в том, чтобы вырастить тонкий туннельный оксид на стенке, осадить поверх него n⁺-легированный поли-Si и покрыть поли-Si слоем AlOₓ, чтобы резаная поверхность вела себя как селективный контакт, а не как центр рекомбинации. Каждый добавленный шаг низкотемпературный, что и делает его интересным для линии, которая уже работает с LPCVD.
Четырёхразрезанные и многоразрезанные ячейки сейчас обычное производство, и причина арифметическая: разделение ячейки на четыре снижает ток, который несёт каждая лента, сокращает путь по пальцам и уменьшает резистивные потери в межсоединении. Выигрыш реальный, и именно поэтому четырёхразрезанные ячейки TOPCon стали стандартом ещё до того, как кто-либо начал спорить о стоимости.
Стоимость сосредоточена на самом разрезе. Лазерная канавка разделяет четверти, и стенка, которую она открывает, — это кремний, на котором никогда не было пассивирующего слоя. Поверхностные состояния там лежат в середине запрещённой зоны, и носители, достигающие стенки, рекомбинируют. Это потеря напряжения, а не потеря на затенение, и она не проявляется ни в одном измерении, сделанном до шага разрезания.
Описанный ниже подход перестаёт рассматривать эту стенку как повреждение, которое нужно минимизировать, и рассматривает её как поверхность, которую нужно покрыть. Это та же идея селективного контакта, которую TOPCon уже использует на лицевой стороне пластины, применённая к поверхности, созданной разрезанием несколькими технологическими шагами ранее.
Резаная кромка — это поверхность, и она худшая на ячейке
Каждая другая кремниевая поверхность в готовом модуле прошла полную последовательность пассивации: текстурирование, очистку, диэлектрический стек, иногда легированный слой под ним. Стенка канавки не получает ничего из этого. Она создаётся после формирования лицевого перехода и после осаждения тыльного стека, поэтому то, что оставляет лазер, — это исходный материал.
Цифры, обычно приводимые для такой поверхности, обескураживают. Плотности межфазных состояний около 1 × 1012 см−2 эВ−1 и скорость поверхностной рекомбинации выше 500 см/с, обе приведены для случая после разрезания в источнике, на который опирается эта статья. По сравнению с пассивированной поверхностью, измеряемой однозначными значениями см/с, необработанная резаная кромка рекомбинирует примерно на два порядка быстрее.
Важна не площадь. Поперечная канавка имеет ширину 30 µм и глубину около 1,5 µм, и разрезание ячейки M10 на четыре открывает примерно квадратный миллиметр стенки против 33 000 мм2 лицевой поверхности пластины. Важно то, что носители, генерируемые в пределах длины диффузии от разреза, могут до неё добраться, и стенка проходит по всей длине ячейки в обоих направлениях. Потери масштабируются с длиной линии, а крестообразный рисунок прокладывает длинную линию через середину каждой четверти.
Именно поэтому потеря ведёт себя как проблема напряжения. Рекомбинация на кромке удаляет носители из объёма, и напряжение холостого хода реагирует на общую скорость рекомбинации по всей ячейке. Коэффициент заполнения тоже меняется. Затенение проявилось бы в токе; это проявляется в Voc и FF, что является менее очевидным местом для проверки при квалификации процесса разрезания.
Что на самом деле представляет собой покрытие
Опубликованная структура наносит три слоя на резаную стенку в определённом порядке. Если читать наружу от кремния: очень тонкий оксид кремния, через который носители могут туннелировать, сильно легированный слой поликремния, который их уносит, и слой оксида алюминия, завершающий химическую пассивацию интерфейса.
| Слой на резаной стенке | Толщина | Что он делает |
|---|---|---|
| Туннельный оксид, SiO2 | около 1–1,2 нм | Достаточно тонкий, чтобы носители туннелировали, достаточно толстый, чтобы держать металл и легированный слой вдали от кремниевой поверхности |
| Легированный поли-Si | 80–120 нм | Переносит собранные носители вбок и задаёт работу выхода, которая делает контакт селективным |
| AlOx слой | около 10 нм | Химическая пассивация оставшихся межфазных состояний плюс барьер против загрязнения |
Две детали отличают это от простого повторного выращивания оксида. Во-первых, стек не только диэлектрик; он содержит легированный полупроводник, поэтому может также проводить. Чистый оксид пассивировал бы стенку и оставил бы её электрически мёртвой, что нормально для поверхности, которая ничего не собирает, но стенка здесь находится между двумя четвертными ячейками, которым обеим нужно переносить ток. Во-вторых, толщины имеют значение так, как они не имеют на плоской пластине. Поли-Si должен быть достаточно толстым, чтобы оставаться сплошным над канавкой глубиной 1,5 µм со скруглённым дном. Он также должен быть достаточно тонким, чтобы его собственное напряжение не растрескало и не отслоило его от стенки.
Источник даёт 120 нм для поли-Si в описании структуры и 80 нм в технологической последовательности и замечает, что 80 нм достаточно для эффекта полевой пассивации. Эту разницу стоит отметить, а не сглаживать: она предполагает, что толщина слоя является настраиваемым параметром в пределах технологического окна, а не фиксированной целью, и что оба значения находятся в диапазоне, который авторы считают работоспособным.
Почему тонкий оксид и легированный слой фильтруют носители
Механизм — это зонная инженерия, а не химия, и это тот же механизм, который изначально сделал TOPCon конкурентоспособным. На голой стенке межфазные состояния распределены по запрещённой зоне. Электрон, достигающий одного из этих состояний, имеет где сесть, а дырка, приходящая в то же состояние, замыкает цепь: они рекомбинируют, и пара теряется.
Как только оксид и легированный поликремний сформированы, зонная структура на границе раздела перестаёт быть плоской. Тонкий оксид блокирует прямой путь между кремнием и легированным слоем, оставаясь при этом достаточно тонким, чтобы электроны могли через него туннелировать. Заряд в легированном слое изгибает зоны в кремнии непосредственно под границей раздела, что и создаёт асимметрию: один тип носителей видит низкий барьер и проходит, другой видит высокий барьер и поворачивает назад.
Сообщаемый результат — снижение скорости поверхностной рекомбинации на резаной кромке примерно с 500 см/с до менее 10 см/с, то есть изменение примерно на 98%. Это большое число, и оно велико по простой причине: отправная точка — непассивированная поверхность, которая близка к наихудшему из возможных случаев. Улучшить пассивированную поверхность в такой же степени было бы невозможно.
Стоит быть точным в отношении того, чего покрытие не делает. Оно не удаляет канавку, не восстанавливает кремний, который был аблятирован лазером, и не делает стенку оптически полезной. Четверть по-прежнему уже. Утверждение уже этого: резаная поверхность перестаёт быть местом, где носители погибают, и начинает быть местом, где их можно собирать.
Где располагаются технологические операции
Маршрут, опубликованный вместе с этой структурой, представляет собой обычную последовательность TOPCon с одной вставкой: после того как лазер прорезал поперечную канавку, стенка окисляется и повторно легируется перед осаждением пассивирующего стека уровня ячейки. Всё остальное остаётся на своих местах.
| Шаг | Опубликованное условие | Почему оно задано именно так |
|---|---|---|
| Лазерное поперечное нарезание канавок | Ширина 30 µм, глубина 1,5 µм | Достаточно глубоко, чтобы чисто разделить четверти, достаточно мелко, чтобы ограничить площадь стенки и механические повреждения вокруг неё |
| Озоновое окисление | 90 °C, 30 с, около 1 нм | Выращивает однородный оксид без термического бюджета, который нарушил бы переход, уже имеющийся в пластине |
| Поликремний LPCVD | 80 нм, легирование in situ | Легирование во время осаждения позволяет избежать отдельного этапа диффузии и обеспечивает контролируемый градиент концентрации по толщине слоя |
| Активационный отжиг | 750 °C, 20 мин | Активирует легирующую примесь и кристаллизует слой, что и превращает его в проводник, а не в диэлектрик |
| Скругление канавки | 2 с TMAH после нарезания канавок | Притупляет острые углы канавки, где начинаются трещины и разрывы покрытия |
| Проверка кристалличности | Раман, выше 80% | Не полностью кристаллизованный слой плохо пассивирует и ещё хуже проводит, поэтому он рассматривается как измеримый выходной параметр |
Скругление TMAH и проверка кристалличности — это две детали, которые делают этот маршрут похожим на производственный, а не на лабораторную демонстрацию. Канавка глубиной 1,5 µм имеет угол, а углы — это места, где осаждённые плёнки становятся тонкими и где концентрируются напряжения. Скругление угла в течение двух секунд почти ничего не стоит и устраняет класс отказов, который иначе проявился бы позже, при термоциклировании или при обращении.
Для линии интересно то, что ни один из добавленных этапов не требует нового оборудования. Окисление, осаждение и отжиг полностью укладываются в возможности LPCVD, которые уже есть у линии TOPCon, а два добавленных этапа являются низкотемпературными, поэтому термический бюджет готовой ячейки не нарушается. Источник сообщает о потере такта линии менее 3%, и это первое число, которое нужно проверить при предложении нового этапа: этап, который повышает эффективность на полпункта, но стоит 10% производительности, — это совсем другое предложение, чем этап, который стоит 3%.
Задняя часть последовательности тоже меняется, и не из-за покрытия. Четырёхразрезная ячейка, сохраняющая свою компоновку 12BB, должна собираться из четверть-ячеек, и резаная кромка теперь является поверхностью, с которой работает стрингер. Допуск на позиционирование, усилие, которое лента прикладывает в соединении, и количество тепла, которое ячейка получает при пайке, — всё это действует на деталь, кромка которой имеет канавку 30 µм. Именно здесь соединение тонкой проволокой и стрингирование оборудование и этап шинопроводов встречаются с конструкцией ячейки, и это та часть потока, которую покрытие не затрагивает.
Что показывает опубликованное сравнение
Источник приводит сравнение до и после для стандартной четырёхразрезной ячейки и той же ячейки с покрытой кромкой. Таблица ниже воспроизводит его. Это числа, опубликованные вместе с маршрутом; они происходят из одного источника, и мы не проверяли их независимо.
| Параметр | Стандартная четырёхразрезная | С пассивированной кромкой | Изменение |
|---|---|---|---|
| SRV кромки (см/с) | 500 | менее 10 | −98% |
| Напряжение холостого хода (мВ) | 736 | 744 | +8 мВ |
| Ток короткого замыкания (мА/см2) | 40.8 | 41.0 | +0.2 |
| Коэффициент заполнения (%) | 84.0 | 84.5 | +0.5 |
| КПД ячейки (%) | 25.3 | 25.8 | +0,5 абсолютных |
| Двусторонность (%) | 85 | 90 | +5 пунктов |
Читайте закономерность, а не отдельные значения. Прирост напряжения больше прироста тока, что и предсказывает механизм: рекомбинация на поверхности в первую очередь стоит напряжения. Коэффициент заполнения меняется незначительно, что согласуется с небольшим сокращением доли площади, которая электронно мертва. КПД следует за напряжением, и 0,5 абсолютных пункта — это главное заявление.
Показатель двусторонности заслуживает большей осторожности, чем остальные. Переход с 85% на 90% — это скачок на пять пунктов, вызванный изменением на поверхности, составляющей малую долю задней площади ячейки, и источник не объясняет механизм. Это могло бы быть реальным, если бы резаная кромка ранее была локальным путём шунтирования на задней стороне, но это также тот тип числа, который может дать одна небольшая выборка. Относитесь к нему как к наименее подтверждённой строке в таблице.
Что ещё не решено
В опубликованном случае отсутствуют четыре вещи, и все четыре важны до того, как линия примет решение.
- Данные о надёжности покрытой кромки. На стенке канавки оксид толщиной 1 нм и защитный слой оксида алюминия толщиной 10 нм подвергаются тем же испытаниям на влажное тепло, термоциклирование и механическую нагрузку, что и остальная часть элемента. Резная кромка также является концентратором напряжений при термоциклировании, поскольку две четвертьэлемента расширяются в сторону канавки. Ничего из этого не отражено в таблице сравнения.
- Вопрос толщины. В источнике для одной и той же структуры указаны две разные толщины поли-Si. Это не противоречие, но это означает, что оптимум не определён точно, а толщина влияет на напряжение, время осаждения и такт вместе.
- Независимое воспроизведение. Прирост эффективности получен из одного набора данных. Абсолютный прирост в 0,5 пункта достаточно велик, чтобы за ним стоило гнаться, и достаточно велик, чтобы его стоило перепроверить на другой линии и с другой комбинацией пасты и ленты.
- Взаимодействие с остальной частью элемента. Добавление легированного слоя на стенке канавки меняет то, как эта стенка ведёт себя электрически между двумя четвертями. То, как она взаимодействует с рисунком задней металлизации и со стрингированием четвертьэлементов, — это системный вопрос, а не вопрос покрытия.
В том же направлении есть более широкая мысль. Резка элемента — это компромисс, принятый исключительно на основании выигрыша от межсоединения. Схема четырёх разрезов рассматривает разрез как данность, а анализ множественных разрезов изучает, как меньший элемент влияет на затенение и на компоновку модуля. Работа над резной кромкой атакует затратную сторону этого компромисса, и если она подтвердится, то изменит оптимальное число разрезов, а не просто улучшит существующее.
Как читать это в контексте остального разговора о резке
Когда речь заходит о четырёхразрезных элементах, обычно смешивают три отдельные идеи, и их разделение облегчает чтение литературы.
Первая — выигрыш от межсоединения: четвертьэлементы несут четверть тока, поэтому резистивные потери в ленте резко падают. Это решено, и именно поэтому технология находится в производстве. Вторая — последствия на уровне модуля, где меньшие элементы меняют устойчивость к затенению, требования к распределительной коробке и механическое поведение ламината; двухчастная распределительная коробка — один из видимых результатов. Третья — сама резная поверхность, которая является предметом данной статьи и которую первые два разговора обычно пропускают.
Практическая связь между ними — это технологический маршрут. Нарезка канавок выполняется на этапе лазерной резки, этап нанесения покрытия попадает в уже имеющиеся у линии мощности LPCVD, а отделочные этапы — это металлизация и стрингирование. Линия, оценивающая этот маршрут, на самом деле оценивает, вписывается ли вставка между двумя инструментами, которые у неё уже есть, а опубликованное значение такта составляет около 3%.
Часто задаваемые вопросы
Устраняет ли покрытие необходимость резки?
Нет. Четверти по-прежнему вырезаются, и канавка по-прежнему есть. Меняется электрическое поведение стенки, которую обнажила канавка, а не геометрия.
Почему бы просто не резать более щадящим процессом?
Более чистая резка уменьшает повреждения, но всё равно оставляет непассивированную поверхность. Рекомбинация происходит из-за отсутствия пассивации в той же мере, что и из-за шероховатости, поэтому ответом здесь является покрытие, а не лучший рецепт лазера.
Надёжен ли оксид толщиной 1 нм?
Туннельные оксиды такого порядка уже используются в производстве TOPCon, так что концепция проверена на лицевой стороне пластины. Выживет ли та же толщина на стенке канавки, которая имеет другую ориентацию поверхности и более шероховатую исходную точку, — один из открытых вопросов.
Относится ли это только к TOPCon?
Комбинация туннельного оксида и легированного поли-Si представляет собой структуру TOPCon, поэтому маршрут естественно нацелен на линии, которые уже её используют. Другим типам элементов, разрезаемым на части, потребуется стек пассивации, совместимый с их собственным процессом, что является отдельной инженерной задачей.
Что мы проверили бы в первую очередь при испытании?
Прокси-показатель SRV кромки и напряжение — прежде всего остального. Далее идут однородность осаждения вдоль канавки шириной 30 µm, кристалличность слоя и стоимость такта вставленных этапов, а механическое поведение четверти после нарезки канавки — это пункт, который чаще всего забывают.
Меняет ли покрытие то, что должен делать стрингировщик?
Напрямую нет. Покрытие электрическое, поэтому точность размещения, температура пайки и усилие при обращении не меняются. Сам четвертьэлемент с проходящей через него канавкой остаётся более сложным объектом для обращения, и это отдельное ограничение, не связанное с тем, что рассматривает данная работа.
Заключительные мысли
Резка кремния для улучшения элементов — несколько странный компромисс, и он работает потому, что выигрыш от межсоединения велик. Эта работа замыкает цикл на той части компромисса, которая никогда не оценивалась: на поверхности, которую создаёт разрез. Покрытие стенки канавки тем же стеком селективных контактов, который элемент использует в других местах, — это связный ответ, и то, что его можно выполнить на существующих мощностях LPCVD и с двумя низкотемпературными этапами, — причина, по которой за ним стоит следить.
Действует обычная оговорка. Механизм обоснован и следует из установленной физики; сообщённый прирост эффективности в полпункта получен из одного источника и не подтверждён независимо, а показатель двусторонности в особенности слабее остальной таблицы. Для линии разумная позиция — отслеживать это как вставку в процесс с реальным, но непроверенным выигрышем и проверять её по тому измерению, которое предсказывает механизм, а именно по напряжению.
Дополнительное чтение: Четырёхразрезные элементы TOPCon: что меняет разрез · Технология четырёхразрезных элементов: аргумент эффективности · Многоразрезные модули и устойчивость к затенению · Почему многоразрезным модулям нужны двухчастные распределительные коробки · Элементы THBC и пассивирующие контакты · Металлизация PV-элементов и вопрос меди · Машины для таббинга и стрингирования: как они работают · Оборудование для лазерной резки элементов · Дорожная карта элементов BC: от структуры к процессу · Станции и компоновка линии по производству солнечных панелей
Примечание к данным: толщины слоёв, условия процесса и сравнение до и после — это значения, опубликованные вместе с этим маршрутом, и воспроизведены как сообщено; они не были независимо проверены. Значение площади стенки около 1 mm2 — это наша собственная оценка исходя из канавки 30 µm, глубины 1,5 µm и двух разрезов по всей длине на элементе 182 mm при площади лицевой стороны пластины 33 124 mm2. Порядок потерь — напряжение перед током — следует из механизма, а не из напечатанной цифры.
