Слишком тонкий SiNx и серебряная паста пробивает полимерный слой, слишком толстый — контактное сопротивление возрастает в 600 раз: ISFH указывает на решение
Содержание
Введение в продукт
Любой, кто работает на линии TOPCon, сталкивался с этой дилеммой. Нанесите SiNx слишком тонко — и вы беспокоитесь, что серебряная паста прожжет пассивирующий слой, снижая Voc. Нанесите слишком толсто — и контактное сопротивление резко возрастает, а FF не держится. Тонкий пугает, толстый тоже пугает — так какая толщина «в самый раз»?
В 2022 году команда Мин Бёнсуля из ISFH (Институт исследований солнечной энергии Хамелин, Германия) опубликовала исследование в AIP Conference Proceedings, в котором разобрала эту проблему. Они использовали POLO-пассивирующие контакты — академическое название того, что в промышленности называют TOPCon, по сути, сверхтонкий оксид плюс легированный поликремний (poly-Si/SiOx) — чтобы изолировать то, что происходит на самом деле.
Основной вывод не сложен: толщина SiNx и температура обжига — это согласованная пара. Измените толщину — и вам придется отрегулировать температуру. Сдвиньте одно без другого — и либо упадет Voc, либо рухнет FF.
Технические параметры
Как был организован эксперимент
ISFH использовала p-тип CZ-пластины, с n⁺ POLO-контактом на тыльной стороне элемента (туннельный оксид плюс фосфорно-легированный поликремний).
Две ключевые переменные:
Толщина заднего SiNx-покрытия — от 40 нм до 80 нм
Пиковая температура обжига — от 790°C до 810°C
Затем они измерили две величины: контактное удельное сопротивление ρc (методом TLM) и параметры IV ячейки.
Ранее мы рассматривали статью JA Solar 2016 года о том, как химический состав (соотношение Si/N) лицевой антиотражающей пленки SiNx влияет на контакт серебряной пасты. Эта работа ISFH 2022 года посвящена тому, как физическая толщина тыльной пленки SiNx влияет на контакт серебряной пасты. Объединив их, вы охватываете оба измерения — «химический состав» и «физическую толщину», лицевую и тыльную пленки.
Все образцы обожжены при 800°C, варьировалась только толщина тыльного SiNx
| Толщина SiNx | Медианное ρc (800°C) | Статус |
|---|---|---|
| 40 нм | ~1 мОм·см² | Очень низкое |
| 50 нм | ~1,5 мОм·см² | Начинает расти |
| 60 нм | ~7 мОм·см² | Заметно растет |
| 70 нм | ~30-40 мОм·см² | Переходная зона, крутой подъем |
| 80 нм | ~600 мОм·см² | Почти в 600 раз выше, чем при 40 нм |
Сканирование температуры обжига на образцах 55 нм и 60 нм
| Условие | Медианное ρc |
|---|---|
| 55 нм SiNx + 800°C | 3,2 мОм·см² |
| 60 нм SiNx + 805°C | 2,8 мОм·см² |
| 60 нм SiNx + 810°C | 2,0 мОм·см² |
Технические преимущества
Первый вывод: слишком толстый слой, и паста не может прожечься
Все образцы обожжены при пике 800°C , изменялась только толщина тыльного покрытия SiNx. Закономерность ясна из таблицы выше — количество SiNx, которое паста может прожечь во время обжига, ограничено. Превысьте этот предел, и паста никогда не достигнет поликремния под ним, поэтому контактное сопротивление резко возрастает.
СЭМ-изображения дают прямое доказательство:
40 нм SiNx: паста полностью прожгла как SiNx, так и поликремний, оставив множество микронных травильных ямок на поликремнии. Поликремний был полностью удалён локально — хороший контакт, но пассивирующий слой был повреждён.
80nm SiNx: лишь крошечное количество очень маленьких травильных ямок, без участков полного удаления поликремния — пассивация сохранилась, но контактное сопротивление было почти в 600 раз выше (примерно 2,8 порядка), и FF был практически разрушен.
Вывод ISFH однозначен: существует оптимальное окно SiNx — от 50 до 60 нм. Слишком тонкий — паста пробивает пассивацию, и Voc падает. Слишком толстый — паста не может пройти, и контактное сопротивление взлетает.
Второй вывод: толщина и температура связаны
ISFH не остановились на «50-60 нм — оптимально». Они задали более практичный производственный вопрос: если толщина SiNx меняется, нужно ли менять и температуру обжига?
Они выбрали 55nm и 60 нм группы и провели сканирование температуры от 790°C до 810°C.
Результат очень чёткий:
55nm SiNx: FF достигает пика при 800°C, наилучшая эффективность там. Ниже — контакт недостаточно хорош; выше — пассивация начинает страдать.
60nm SiNx: FF достигает пика при 805-810°C. Поскольку SiNx толще, требуется более высокая температура, чтобы паста прошла через него.
Простыми словами: в данных тестовых условиях переход с 55 нм на 60 нм сдвигает оптимальную температуру обжига вверх примерно на 5-10°C. Этот наклон является ориентиром только для той же пасты — при смене пасты требуется повторная калибровка.
Данные по удельному контактному сопротивлению также это подтверждают: более высокая температура — лучший контакт, если только не перейти черту, где начинается прожигание пассивации.
Механизм: размер травильных ямок — ключевой фактор
ISFH с помощью SEM установили очень чёткий критерий:
Ямки диаметром более 1 мкм: поликремний полностью удалён, пассивация повреждена → Voc падает
Ямки диаметром менее 1 мкм: поли не полностью удален, пассивация intact → сопротивление контакта падает, Voc без изменений
ISFH прямо заявляет: "определенное количество мелких ямок травления необходимо для формирования хорошего контакта. Ямки травления диаметром менее 1 мкм, по-видимому, не влияют на качество пассивации."
Критерий линии: ямок травления не должно быть меньше, и не должно быть больше — цель — малый размер, умеренное распределение. Если под микроскопом видно много ямок >1 мкм, температура слишком высока или SiNx слишком тонкий, и пассивация уже повреждается.
Применение продукта
Что может реально использовать производственная линия?
1. Толщина SiNx не должна быть ни слишком тонкой, ни слишком толстой. Ниже 40 нм паста прожигает пассивацию, и Voc резко падает; выше 80 нм паста не может прожечь, и сопротивление контакта возрастает почти в 600 раз.
2. Толщина и температура связаны. Измените толщину SiNx, и температура обжига должна измениться соответственно. Данные ISFH дают ориентир — при этих условиях каждые дополнительные 5 нм SiNx повышают пиковую температуру примерно на 5-10°C — но перекалибруйте после смены пасты.
3. Ямки травления — это индикатор "окна". Посмотрите на размер и плотность ямок с помощью SEM, и вы сможете определить, находится ли ваша текущая комбинация толщины и температуры внутри окна. Много ямок >1 мкм → слишком горячо или пленка слишком тонкая; почти нет ямок → слишком холодно или пленка слишком толстая, возможны проблемы с контактом.
4. Толщина задней пленки также влияет на косметический выход и выбор пасты. Три пункта выше касаются того, как толщина влияет на сопротивление контакта и FF через прожиг пасты или его отсутствие. Но на линии толщина заднего SiNx контролирует гораздо больше, чем электрические характеристики.
В реальном массовом производстве задний SiNx обычно контролируется в диапазоне 70-85 нм — толще, чем "оптимум контакта" 50-60 нм в статье ISFH. Причина проста: в статье измерялся чистый оптимум контакта для своей конкретной структуры POLO и определенной пасты, в то время как производственная линия должна одновременно балансировать пассивацию, контакт и однородность цвета, и выбирает более толстый, более стабильный диапазон. Что еще более важно, в коммерческих пастах для линий используется другая система стеклофритты, чем в лабораторной пасте ISFH, поэтому диапазон толщин SiNx, который можно прожечь, также отличается.
При изменении толщины меняется показатель преломления, а вместе с ним и интерференционный цвет пленки. Слишком тонкая или слишком толстая пленка приводит к вариации цвета, нестандартному цвету и аналогичным косметическим дефектам, которые напрямую снижают косметический выход. Это, в свою очередь, предъявляет жесткое требование к производителю пасты: паста должна соответствовать технологическому окну задней пленки, а не заставлять заднюю пленку подстраиваться под конкретную пасту. Толщина и температура должны быть согласованы, а также паста и толщина пленки — линия представляет собой систему, а не единичную настройку.
Три вещи, о которых не сказано в статье
Связь между POLO и TOPCon. Контакт POLO, использованный ISFH, по сути представляет собой ультратонкий оксид с легированным поликремнием (poly-Si/SiOx), что практически идентично современной задней структуре TOPCon, поэтому выводы напрямую переносимы. POLO — это академическое название, предложенное ISFH; TOPCon — отраслевой стандарт; по сути, одна и та же структура.
Модель пасты влияет на глубину проникновения. Разные пасты имеют разный состав стеклофритты и могут прожигать разную толщину SiNx. Указанные ISFH 50-60 нм основаны на конкретной пасте — при смене пасты может потребоваться перекалибровка.
Долгосрочная надежность не рассматривается. Будут ли маленькие ямки травления расти в большие в течение 25 лет эксплуатации на открытом воздухе? Будет ли интерфейс деградировать дальше при воздействии влажного тепла? Статья не дает ответа.
Совместное чтение с JA Solar 2016
| Габариты | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| Применение | Передняя SiNx просветляющая пленка (ARC) | Задняя SiNx защитная пленка |
| Фокус | Химический состав SiNx (соотношение Si/N) | Физическая толщина SiNx |
| Ключевая переменная | Соотношение газов SiH₄/NH₃ | Толщина SiNx + температура обжига |
| Тип отказа | Отклонение Si/N → дисбаланс вязкости фритты → высокое контактное сопротивление | Неправильная толщина → прожог или непрожог |
| Исправить направление | Настроить соотношение газов до оптимального окна | Пара толщины и температуры |
| Общий механизм | Кинетика реакции фритты-SiNx определяет качество контакта | Глубина проникновения фритты-SiNx определяет качество контакта |
Поставьте две статьи рядом, и вы получите полную картину процесса передней и задней пленки: химический состав определяет, сможете ли вы хорошо контактировать, физическая толщина определяет, не повредите ли вы то, что находится под контактом.
Сдвиньте соотношение Si/N покрытия, и Rs скачет, FF падает, эффективность рушится
Напоминание для линии: не смотрите только на поли при поиске потери эффективности
С обеими статьями, вернемся к нашей собственной линии. При поиске потери эффективности рефлекс инженера — сначала проверить толщину заднего поли, уровень легирования, толщину туннельного оксида — их влияние на FF и Voc хорошо изучено, и это стандартные пункты проверки. Но задний SiNx кэппинг-слой часто отмахиваются как "пассивирующий/декоративный слой", и мало кто думает о нем в терминах контактного сопротивления.
Ценность этой статьи ISFH именно в том, что она возвращает эту упущенную переменную на стол: неправильная толщина задней пленки, паста не прожигается или прожигается насквозь, и FF падает одинаково. В следующий раз, когда вы столкнетесь с ситуацией "параметры поли не трогали, а FF таинственно упал", не ходите кругами вокруг поли — вернитесь и проверьте, сочетаются ли толщина задней пленки и температура обжига.
Стоит отметить: эксперимент ISFH основан на обычном обжиге. Технология LECO, широко применяемая на линиях, может оптимизировать контакт с помощью последующего лазерного/токового шага, что в некоторой степени снижает чувствительность к паре температура обжига-толщина — но толщина задней пленки все равно является базовым окном и не может игнорироваться.
Мнение Ooitech
Мы видим то же самое на каждой линии TOPCon, которую мы запускаем — задний SiNx кэппинг рассматривается просто как цветная пленка, а затем FF тихо падает, и никто не проверяет пару толщина-температура. Данные ISFH совпадают с тем, что подталкивает людей к LECO, поскольку развязка формирования контакта от этапа обжига дает реальный запас, когда химия фритты вашей пасты и окно задней пленки не идеально согласованы. Если вы хотите увидеть, как эти шаги разыгрываются на реальной линии модулей — покрытие, обжиг, стрингование и все остальное — канал Ooitech на YouTube по адресу www.youtube.com/ooitech стоит подписаться. И имейте в виду, это исследование на уровне ячеек; модульная линия наследует эти ячейки, но судьба контактов уже предрешена выше.
Ссылки
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
