SiNx слишком тонкий, и серебряная паста пробивает его
Содержание
Краткий ответ: Пленка нитрида кремния на лицевой стороне TOPCon-элемента должна удовлетворять двум противоположным требованиям, и диапазон толщин, удовлетворяющий обоим, узок. Слой SiNx действует как просветляющее покрытие, поэтому более толстая пленка улучшает оптические характеристики до определенного предела. Он также должен выдерживать этап вжигания и предотвращать проникновение серебряной пасты к кремнию при формировании контакта. Слишком тонкое покрытие — и серебро проникает в эмиттер, вызывая шунты; слишком толстое — и паста не образует надлежащий контакт, повышая контактное сопротивление. Рабочие толщины в производстве находятся в диапазоне от 40 нм до 80 нм, а пики вжигания — около 790 °C – 800 °C. Именно из-за этого взаимодействия состав пасты и профиль вжигания разрабатываются вместе с рецептурой покрытия, а не независимо.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
Введение в продукт
Любой, кто управляет линией TOPCon процесса, сталкивался с этой дилеммой. Нанесите SiNx слишком тонко — и вы беспокоитесь, что серебряная паста прожжёт пассивирующий слой, снижая Voc. Нанесите слишком толсто — и контактное сопротивление резко возрастёт, а FF не удержится. Тонкий слой пугает вас, толстый тоже пугает — так какой же толщины «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 структуры poly-Si/SiOx — чтобы изолировать то, что действительно происходит.
Основной вывод не сложен: толщина SiNx и температура обжига — это согласованная пара. Измените толщину — и вам придется скорректировать 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 тыльного SiNx-покрытия — от 40 нм до 80 нм
Пиковая температура обжига — регулировалась между 790°C и 810°C
Затем они измерили две вещи: удельное контактное сопротивление ρc (методом TLM) и параметры ВАХ элемента.
Ранее мы рассматривали статью JA Solar 2016 года о том, как химический состав (соотношение Si/N) лицевой SiNx-пленки антиотражения влияет на контакт с серебряной пастой. Эта работа ISFH 2022 года о том, как физическая толщина от задней стороны SiNx-покрытие влияет на контакт серебряной пасты. Соедините их вместе, и вы охватите оба измерения — «химический состав» и «физическую толщину», переднюю и заднюю пленки.
Все образцы обжигались при 800°C, изменялась только толщина заднего 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, резкий 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 насквозь
Все образцы обжигались при пике 800°C , изменялась только толщина заднего SiNx-покрытия. Из таблицы выше видна четкая закономерность — количество SiNx, которое паста может прожечь во время обжига, ограничено. Превысьте этот предел, и паста никогда не достигнет поликремния ниже, поэтому контактное сопротивление резко возрастает.
СЭМ-изображения дают прямое доказательство:
40 нм SiNx: паста полностью прожгла и SiNx, и поликремний, оставив множество микронных ямок травления на поликремнии. Поликремний был локально удален полностью — хороший контакт, но пассивирующий слой был поврежден.
80 нм SiNx: только крошечное количество очень маленьких ямок травления, нет областей, где поликремний был полностью удалён — пассивация сохранилась, но контактное сопротивление было почти в 600 раз выше (примерно на 2,8 порядка), и FF был практически разрушен.
Вывод ISFH прямолинеен: существует оптимальное окно SiNx — от 50 до 60 нм. Слишком тонкий слой — паста пробивает пассивацию, и Voc резко падает. Слишком толстый — паста не может пройти, и контактное сопротивление резко растёт.
Второй вывод: толщина и температура связаны
ISFH не остановился на «50–60 нм — оптимально». Они задали более практичный производственный вопрос: если толщина SiNx меняется, должна ли меняться и температура обжига?
Они выбрали 55 нм и 60 нм группы и провели сканирование температуры от 790°C до 810°C.
Результат очень чёткий:
55 нм SiNx: FF достигает пика при 800°C, там же лучшая эффективность. Ниже — контакт недостаточно хорош; выше — начинает страдать пассивация.
60 нм SiNx: FF достигает пика при 805–810°C. Поскольку SiNx толще, для прохождения пасты через него требуется более высокая температура.
Простыми производственными терминами: в данных условиях испытаний переход с 55 нм на 60 нм сдвигает оптимальную температуру обжига вверх примерно на 5–10°C. Этот наклон является лишь ориентиром для той же системы паст — при смене паст требуется повторная калибровка.
Данные по удельному контактному сопротивлению также это подтверждают: выше температура — лучше контакт, если только не перейти черту, за которой начинается выжигание пассивации.
Механизм: размер ямок травления — ключевой фактор
ISFH с помощью СЭМ сформулировал очень чёткий критерий:
Ямки диаметром более 1 мкм: поликремний полностью удалён, пассивация повреждена → падение Voc
Ямки диаметром менее 1 мкм: поликремний не полностью удалён, пассивация цела → контактное сопротивление снижается, Voc не меняется
ISFH выразился прямо: «определённое количество мелких ямок травления необходимо для формирования хорошего контакта. Ямки травления диаметром менее 1 мкм, по-видимому, не влияют на качество пассивации».
Критерий линии: ямки травления не должны быть ни меньше, ни больше — цель — малый размер, умеренное распределение. Если под микроскопом видно много ямок размером >1 мкм, температура слишком высокая или SiNx слишком тонкий, и пассивация уже повреждается.
Применение продукта
Что реально можно использовать на производственной линии?
1. Толщина SiNx не должна быть ни меньше, ни больше. Ниже 40 нм паста прожигает пассивацию, и Voc падает; выше 80 нм паста не может прожить насквозь, и контактное сопротивление возрастает почти в 600 раз.
2. Толщина и температура связаны. При изменении толщины SiNx температура обжига должна следовать за ней. Данные ISFH дают ориентир — в этих условиях каждые дополнительные 5 нм SiNx сдвигают пиковую температуру вверх примерно на 5–10 °C — но после смены пасты необходима повторная калибровка.
3. Ямки травления — индикатор «окна». Посмотрите на размер и плотность ямок с помощью СЭМ, и вы сможете судить, 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 тыльной пленки также определяет косметический выход и выбор пасты. Три пункта выше касаются того, как толщина влияет на контактное сопротивление и FF через прожиг пасты или его отсутствие. 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 из статьи ISFH. Причина проста: в статье измерялся чистый оптимум контакта для конкретной структуры POLO и конкретной пасты, тогда как производственная линия должна одновременно балансировать пассивацию, контакт и однородность цвета, поэтому выбирается более толстый, более стабильный диапазон. Более важно, что пасты для коммерческих линий используют другую систему стеклофритты, чем лабораторная паста ISFH, поэтому окно толщины SiNx, которое можно прожить, тоже другое.
При изменении толщины меняется показатель преломления, и вместе с ним смещается интерференционный цвет пленки. Слишком тонкая или слишком толстая пленка приводит к изменению цвета, отклонению от стандартного цвета и аналогичные косметические упрощения, которые напрямую снижают косметический выход. Это, в свою очередь, предъявляет жесткое требование к производителю пасты: паста должна соответствовать технологическому окну тыльной пленки, а не заставлять тыльную пленку подстраиваться под конкретную пасту. Толщина и температура должны быть согласованы, и толщина пасты и пленки также должны быть согласованы — линия представляет собой систему, а не точечную настройку.
Три вещи, о которых в статье не сказано
Связь между POLO и TOPCon. Контакт POLO, использованный ISFH, по сути представляет собой сверхтонкий оксид плюс легированный поликремний (poly-Si/SiOx), в основном то же самое, что и современная тыльная структура TOPCon, поэтому выводы напрямую переносимы. POLO — это академическое название, предложенное ISFH; TOPCon — это отраслевой стандартный термин; по сути, одна и та же структура.
Модель пасты влияет на глубину проникновения. Разные пасты имеют разные составы стеклофритты и могут прожигать разные толщины SiNx. Значение 50-60 нм ISFH основано на конкретной пасте — при замене пасты может потребоваться повторная калибровка.
Долгосрочная надежность не рассматривается. Будут ли небольшие ямки травления разрастаться в большие за 25 лет воздействия внешней среды? 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 | Фронтальная SiNx антиотражающая пленка (ARC) | Тыльная 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 соотношения Si/N → дисбаланс вязкости фритты → высокое контактное сопротивление | Неправильная толщина → прожиг насквозь или отсутствие прожига |
| Направление исправления | Настройка соотношения газов до оптимального окна | Согласование толщины и температуры |
| Общий механизм | Кинетика реакции фритта-SiNx определяет качество контакта | Глубина проникновения фритты в SiNx определяет качество контакта |
Положите две статьи рядом — и вы получите полную картину процессов на фронтальной и тыльной пленках: химический состав определяет, насколько хорош контакт, а физическая толщина — не повредите ли вы то, что под пленкой, при контакте.
Сдвиньте соотношение Si/N в покрытии — и Rs резко растет, FF падает, эффективность обваливается.
Напоминание для линии: не смотрите только на поликремний, когда ищете потери эффективности.
С обеими статьями разобрались, возвращаемся к нашей линии. Когда ищете потери эффективности, рефлекс инженера — сначала проверить толщину тыльного поликремния, уровень легирования, толщину туннельного оксида — их влияние на FF и Voc хорошо изучено, и это стандартные пункты проверки. Но тыльный слой SiNx часто отмахивают как «пассивирующий/декоративный слой», и мало кто думает о нем в контексте контактного сопротивления.
Ценность этой статьи ISFH именно в том, что она возвращает эту упускаемую переменную на стол: неправильная толщина тыльной пленки — паста не прожжётся или прожжёт насквозь, и FF одинаково обваливается. В следующий раз, когда столкнетесь с ситуацией «параметры поликремния не тронуты, а FF загадочно упал», не ходите кругами вокруг поликремния — вернитесь и проверьте, сочетаются ли толщина тыльной пленки и температура обжига.
Стоит отметить: эксперимент ISFH основан на обычном обжиге. Технология LECO, широко применяемая сейчас на линиях, может оптимизировать контакт за счет последующего лазерного/токового шага, что в некоторой степени снижает чувствительность к паре «температура обжига — толщина», но толщина тыльной пленки все равно остается базовым окном, и ее нельзя игнорировать.
Мнение Ooitech
Мы видим то же самое на каждой линии TOPCon, которую запускаем — тыльный SiNx воспринимается просто как цветная пленка, а затем FF тихо проседает, и никто не проверяет пару «толщина — температура». Данные ISFH согласуются с тем, что подталкивает людей к LECO, поскольку разделение формирования контакта и шага обжига дает реальный запас прочности, когда химия фритты вашей пасты и окно тыльной пленки не полностью совпадают. Если хотите увидеть, как эти шаги работают на реальной модульной линии — нанесение покрытия, 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 контакта уже решена выше по потоку.
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)
