SiNx слишком тонкий, и серебряная паста пробивает полимерный слой, слишком толстый — контактное сопротивление возрастает в 600 раз: ISFH указывает на решение
Описание продукта
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 удерживается. 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 пассивирующие контакты POLO — академическое название того, что в промышленности называют TOPCon, по сути, ультратонкий оксид плюс легированный поликремний (поли-Si/SiOx) — чтобы изолировать то, что на самом деле происходит.
Основной вывод не сложен: толщина SiNx и температура обжига — это согласованная пара. Измените толщину — и вам нужно 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 ячейки (туннельный оксид плюс фосфор-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: удельное контактное 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 SiNx антиотражающей пленки влияет на контакт серебряной пасты. Эта работа ISFH 2022 года посвящена тому, как физическая толщина тыльной SiNx покрытия влияет на контакт серебряной пасты. Объединив их, вы охватываете оба аспекта — «химический состав» и «физическую толщину», лицевую и тыльную пленки.
Все образцы обожжены при 800°C, изменялась 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 | Явно 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 — паста не может прожечь его
Все образцы обожжены при пике 800°C , изменялась только толщина тыльного SiNx покрытия. 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 ямок травления на поликремнии. Поликремний был полностью удалён локально — хороший контакт, но слой пассивации повреждён.
80nm SiNx: лишь крошечное количество очень маленьких ямок травления, 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 слой — 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 — лучшее». 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 смещает оптимальную температуру обжига вверх примерно на 5-10°C. Этот наклон является лишь ориентиром для той же системы пасты — при смене пасты требуется повторная калибровка.
Данные по удельному контактному сопротивлению также это подтверждают: более высокая температура — лучший контакт, пока вы не пересечёте черту, где начинается прожигание пассивации.
Механизм: размер ямок травления — 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 сохранена → 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 ни меньше, ни больше — цель — малый размер, умеренное распределение. Если под микроскопом видно много ямок >1 мкм, температура слишком высока или слой SiNx слишком тонкий, и пассивация уже повреждается.
Применение продукта
Что может использовать производственная линия?
1. Толщина SiNx не должна быть ни слишком малой, ни слишком большой. 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 после смены пасты требуется повторная калибровка.
3. Ямки травления — индикатор "окна". Посмотрите на размер и плотность ямок с помощью SEM, и вы сможете определить, находится ли ваша текущая комбинация толщины и температуры в пределах 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 тыльной 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. Но на линии толщина тыльного SiNx контролирует гораздо больше, чем электрические характеристики.
В реальном массовом производстве тыльный 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 конкретной структуры POLO и конкретной пасты, в то время как производственная линия должна одновременно балансировать пассивацию, контакт и однородность цвета, и выбирает более толстый, более стабильный диапазон. Что еще важнее, в коммерческих пастах для линий используется другая система стеклофритты, чем в лабораторной пасте ISFH, поэтому диапазон толщин SiNx, который можно прожечь, тоже отличается.
При изменении толщины меняется показатель преломления, а вместе с ним и интерференционная окраска пленки. Слишком тонкие или слишком толстые пластины показывают вариацию цвета, нестандартный цвет и аналогичные косметические дефекты, 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 переносятся. POLO — это академическое название, предложенное ISFH; TOPCon — отраслевой стандартный термин; по сути, это одна и та же структура.
Модель пасты влияет на глубину проникновения. Разные пасты имеют разный состав стеклофритты и могут прожигать разную толщину SiNx. Диапазон 50-60 нм от ISFH основан на конкретной пасте — при смене пасты может потребоваться перекалибровка.
Долгосрочная надежность не рассматривается. Превратятся ли маленькие ямки травления в большие за 25 лет эксплуатации на открытом воздухе? Будет ли интерфейс деградировать дальше при влажном тепле? Статья не дает ответа.
Совместное чтение с JA Solar 2016
| Габариты | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| Применение | Передняя SiNx антиотражающая 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 | Неоптимальное Si/N → дисбаланс вязкости фритты → высокое контактное сопротивление | Неправильная толщина → прожиг насквозь или непрожиг |
| Исправить направление | Настроить соотношение газа до оптимального окна | Pair thickness and temperature |
| 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 готовыми, 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 слой SiNx часто отмахивают 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 прожигает насквозь, и FF падает одинаково. В следующий раз, когда вы столкнетесь с ситуацией "параметры поли не тронуты, 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 через последующий лазерный/токовый шаг, что в некоторой степени снижает чувствительность к паре температура-толщина обжига — но толщина задней пленки все равно является базовым окном, и ее нельзя игнорировать.
Мнение Ooitech
Мы видим то же самое на каждой линии TOPCon, которую мы запускаем — задний слой SiNx 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, что это исследование на уровне ячеек; модульная линия наследует эти ячейки, но судьба контактов уже предрешена выше по цепочке.
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)
