Производственный процесс солнечных элементов TOPCon: пошагово

Краткий ответ: Процесс производства солнечных элементов TOPCon превращает пластину из монокристаллического кремния N-типа в готовый высокоэффективный элемент посредством длинной последовательности контролируемых этапов. Он начинается с текстурирования для формирования светоулавливающей поверхности, затем следует борная диффузия для создания эмиттера и лазерное SE для сильного легирования контактных областей, после чего выполняются отжиг и щелочная полировка. Далее идут определяющие этапы: очистка RCA, выращивание ультратонкого туннельного оксида и осаждение легированного поликремниевого слоя методом PE-poly или LPCVD. Нанесение антиотражающего покрытия, металлизация методом трафаретной печати и вжигание завершают создание элемента. Технологические окна узкие — борная диффузия протекает при температуре около 900°C, осаждение поликремния методом LPCVD — около 600°C, а пик вжигания приближается к 920°C — и каждый этап определяет часть конечной эффективности. Тестирование и сортировка распределяют элементы по току перед отправкой на соединение в струны.

Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech

Введение

Монокристаллические N-типа TOPCon солнечные элементы стали одной из наиболее перспективных высокоэффективных технологий в фотоэлектрической промышленности. Их производство включает длинную цепочку тщательно контролируемых этапов, включая текстурирование, бордиффузию, лазерное SE, отжиг, щелочное полирование, PE-poly, отжиг, очистку RCA, нанесение покрытия, металлизацию и финальное тестирование и сортировку. В этой статье мы разбираем каждый основной технологический этап и объясняем, почему он важен.

1. Текстурирование (TEX)

Цель текстурирования

Цель текстурирования — удалить слой механических повреждений на поверхности пластины и сформировать текстурированную поверхность в виде пирамид, которая увеличивает поглощение света. За счет снижения отражательной способности поверхности улучшается ток короткого замыкания (Isc), что в конечном итоге повышает эффективность фотоэлектрического преобразования элемента.

Влажное травление является основным процессом текстурирования на сегодняшний день. Ионы металлов, слои повреждений и другие загрязнения на поверхности пластины действуют как центры рекомбинации. Поскольку разделенные электроны и дырки должны перемещаться и собираться на поверхности пластины, эти центры рекомбинации снижают время жизни неосновных носителей, вызывая рекомбинацию носителей до того, как они могут быть выведены как внешний ток. Оксидные слои на поверхности и органические загрязнения также влияют на качество осаждения и пассивации слоев AlOx и SiNx, поэтому тщательная очистка поверхности имеет решающее значение и напрямую влияет на эффективность элемента.

Принцип реакции

Текстурирование основано на анизотропном травлении кристаллического кремния, где низкоконцентрированные щелочи и добавки травят разные кристаллографические ориентации с разной скоростью. Скорость травления на плоскостях (110) и (100) значительно выше, чем на плоскости (111). После определенного времени травления на поверхности монокристаллической пластины остаются четыре «пирамидальные» структуры, состоящие из плоскостей (111).

Атомное расположение различается на разных кристаллографических плоскостях, что приводит к разным скоростям травления:

• Плоскость (100): относительно рыхлое расположение атомов с большим количеством открытых химических связей, что обеспечивает самую высокую скорость травления.

• Плоскость (110): плотность атомов между (100) и (111), скорость травления выше, но немного ниже, чем у (100).

• Плоскость (111): наиболее плотная упаковка атомов, химические связи трудно атаковать, что обеспечивает самую низкую скорость травления.

Роль текстурирующих добавок

Добавки снижают поверхностное натяжение кремния, способствуют выделению пузырьков водорода, образующихся в ходе реакции, и делают пирамиды более однородными. Они улучшают смачивание поверхности пластины реакционным раствором, ослабляют травящую способность раствора NaOH, увеличивают количество центров зарождения и их плотность, способствуя формированию большого количества мелких пирамид. В целом, свойства добавки оказывают наиболее прямое влияние на текстурированную пирамидальную поверхность.

Технологический процесс

Последовательность текстурирования обычно включает: предварительную очистку с использованием NaOH и H2O2 (с ультразвуковой очисткой при 60°C и последующей промывкой в чистой воде) для удаления органических веществ, металлических примесей и повреждений от резки; щелочное текстурирование с использованием примерно 0,6% NaOH и 0,4% добавки при 82°C в течение 420 секунд для формирования пирамидальной текстуры; последующую очистку для удаления остаточных органических веществ; кислотную очистку с использованием разбавленной кислоты (3,15% HCl + 7,1% HF) для нейтрализации остаточной щелочи и удаления оксидного слоя; медленное вытягивание для предварительного обезвоживания с удалением водяной пленки за счет поверхностного натяжения; и, наконец, сушку горячим воздухом при 90°C.

2. Борная диффузия (B Diff)

Цель

При высокой температуре атомы бора диффундируют в поверхность пластины N-типа, образуя p-n-переход. Встроенное поле p-n-перехода разделяет фотогенерированные носители заряда для вывода тока наружу. P-тип пластин с высокой концентрацией дырок использует легирование фосфором для формирования перехода; N-тип пластин с высокой концентрацией электронов использует легирование бором.

Принцип процесса

Трихлорид бора (BCl3) проходит через кварцевую трубку при температуре 800-900°C и реагирует с кислородом с образованием B2O3, который осаждается на поверхности пластины с газом-носителем азотом и реагирует с Si, образуя атомы бора, формируя слой боросиликатного стекла (BSG). Затем атомы бора диффундируют в пластину, образуя p-n переход. BCl3 — бесцветная дымящаяся жидкость или газ с плотностью 1,35 кг/м3, температурой плавления -107,3°C и температурой кипения 12,5°C. Он негорюч, раздражающ и имеет резкий запах, разлагается в воде с образованием хлористого водорода и борной кислоты со значительным выделением тепла. Промежуточный продукт B2O3 с температурой плавления 450°C и температурой кипения 1860°C остается жидким на протяжении всего процесса и сильно корродирует кварцевые компоненты.

Борная диффузия сложнее, чем фосфорная, поэтому технология TOPCon предъявляет более высокие требования к оборудованию, включая более высокую однородность, более высокие температуры диффузии (обычно выше 1000°C) и более длительное время диффузии (формирование пленки часто занимает до 240 минут), что увеличивает стоимость оборудования и производства на этапе формирования перехода.

Технологический процесс

Диффузия осуществляется двумя способами. Предварительное осаждение (этап осаждения BSG) использует более низкую температуру и поддерживает пластину в насыщенной примесями атмосфере, поэтому концентрация примесей на поверхности остается постоянной; это называется диффузией с постоянным источником на поверхности. Перераспределительная диффузия выталкивает бор из BSG в пластину при более высокой температуре в атмосфере, богатой кислородом, без внешних примесей; здесь концентрация на поверхности меняется со временем, что называется диффузией с ограниченным источником на поверхности, с гауссовым распределением примесей.

Типичные этапы процесса: откачка для достижения низкого давления; нагрев до температуры диффузии (800-900°C); выдержка температуры при дальнейшем снижении давления; проверка на герметичность при низком давлении; предварительное окисление для формирования слоя SiO2 толщиной 1 нм для замедления следующего этапа диффузии и повышения равномерности борной диффузии; диффузия/осаждение путем введения источника бора для активного предварительного осаждения и пассивного загона; дальнейший нагрев выше 900°C для увеличения скорости и глубины диффузии; пост-окисление для формирования слоя SiO2 толщиной более 100 нм для контроля содержания бора, углубления перехода, формирования защитного слоя и геттерирования примесей подложки; охлаждение до безопасной температуры открытия трубки; и сброс вакуума с помощью N2 для восстановления атмосферного давления.

3. Удаление BSG и щелочное травление

Удаление BSG

После диффузии бора на тыльной стороне и кромках пластины образуется толстый слой BSG (оксид толщиной 40-100 нм). Этот слой боросиликатного стекла отрицательно влияет на последующие процессы и может вызвать утечку PN-перехода, поэтому после легирования требуется химическое травление и очистка. Перед щелочным травлением встроенный односторонний процесс с использованием HF удаляет BSG с тыльной стороны и кромок, в то время как BSG на лицевой стороне сохраняется в качестве маски во время щелочного травления для защиты лицевой структуры.

Пластина сначала поступает во встроенное оборудование для очистки HF, где примерно 60% HF растворяет тыльный BSG в растворе, в то время как водяная пленка защищает лицевой BSG, после чего следует примерно 0,5 минуты промывки чистой водой. Последовательность включает: нанесение водяной пленки с использованием гидрофильности SiO2 для защиты лицевого BSG; HF-травление тыльного и краевого BSG; этап водяного пистолета для обновления возможно загрязненной водяной пленки; промывку водой для удаления остаточного HF; кислотную очистку для удаления остаточных ионов примесей; и сушку лицевой водяной пленки.

Щелочное травление

Цель щелочного травления — удалить PN-переход на тыльной стороне и кромках для предотвращения утечек, а также создать однородную, чистую морфологию тыльной стороны в подготовке к пассивации тыльной стороны.

Существует два основных подхода. Вторичное текстурирование по принципу аналогично первому текстурированию, но добавка должна снижать скорость реакции между BSG и щелочью. Щелочная полировка использует высококонцентрированную щелочь и добавки для ускорения реакции щелочь-кремний, ослабления анизотропного характера травления и формирования высокоотражающей полированной морфологии. Добавка для щелочного травления защищает лицевой BSG, снижает скорость его реакции с щелочью для предотвращения чрезмерного травления, сохраняет BSG в качестве маски для последующих этапов, снижает поверхностное натяжение для выделения пузырьков водорода, улучшает смачивание и увеличивает плотность зародышеобразования.

4. Осаждение и нанесение покрытия

На этом этапе осаждаются туннельный оксид (TOX), слой поликремния и маска. Осаждение в основном происходит в вакуумной газовой фазе и может быть разделено на физическое осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и атомно-слоевое осаждение (ALD). PVD испаряет источник материала в атомы, молекулы или ионы и осаждает его на подложку при низком давлении; CVD создает отложения посредством химических реакций на подложке; а ALD осаждает материал слой за слоем в виде отдельных атомных слоев.

Слой туннельного оксида (TOX)

Слой туннельного оксида основан на эффекте квантового туннелирования, используя сверхтонкий оксид (обычно 1-2 нм) в качестве барьера. Между кремниевой подложкой n-типа и легированным слоем поликремния он обеспечивает селективный перенос носителей: электроны (основные носители) туннелируют через оксид в слой поликремния, в то время как дырки (неосновные носители) сталкиваются с более высоким барьером (около 4,5-4,8 эВ) и блокируются. Это также создает изгиб зон и полевую пассивацию, где разница работ выхода между легированным поликремнием и подложкой изгибает энергетические зоны на границе раздела и образует электростатическое поле, которое увеличивает количество основных носителей и отталкивает неосновные носители, дополнительно снижая рекомбинацию на границе раздела.

Оксид может быть получен термическим окислением (совместимым с LPCVD) или с помощью PECVD, PEALD и термического окисления (совместимым с PECVD). С точки зрения плотности пленки, PEALD дает наилучшую пассивацию, но при более высоких затратах на оборудование, в то время как термическое окисление и PECVD обеспечивают лучшую экономику. ALD обычно дает около 0,7 нм, термическое окисление около 1,3 нм, а туннельный механизм обычно достигается при толщинах ниже 1,6 нм. LPCVD является более зрелым, с преимуществами, такими как простой контроль и высокое качество пленки, но склонен к образованию обернутого легированного слоя поликремния на передней кромке, который необходимо удалять, и имеет медленную скорость осаждения. PECVD поликремний является более новой технологией с более быстрым осаждением, легированием in-situ и меньшим обертыванием, но его зрелость все еще требует улучшения, и он может страдать от пыли, высокого содержания водорода и образования пузырей во время высокотемпературного отжига.

Слой поликремния

Поликристаллический кремний (поликремний) состоит из бесчисленных крошечных зерен кремния, с размерами зерен обычно от десятков до сотен нанометров и границами зерен между ними. Слой поликремния обычно легируется фосфором для образования высоколегированного поликремния n-типа, что улучшает проводимость, обеспечивает селективный перенос носителей и образует хороший омический контакт с подложкой.

Процесс получения поли-Si включает осаждение и легирование. Для осаждения в основном используется LPCVD или PECVD с толщиной около 100-150 нм; аморфная пленка изменяет кристалличность при отжиге, переходя из микрокристаллической-аморфной смешанной фазы в поликристаллическую и активируя пассивацию. Для легирования LPCVD обычно сначала осаждает нелегированный слой поли-Si, а затем выполняет фосфорное легирование через диффузионную печь или ионную имплантацию (внешнее легирование), поскольку легирование во время медленного осаждения LPCVD еще больше замедлило бы его. PECVD имеет более высокую эффективность пленки и может выполнять фосфорное легирование во время нанесения (внутреннее легирование). LPCVD, основная технология для поли-Si, работает путем термического разложения силана (SiH4) на атомы кремния, которые осаждаются в пленку. Обратите внимание, что более толстый поли-Si вызывает более серьезные потери FCA (паразитные) и большие потери тока короткого замыкания, а более высокое фосфорное легирование увеличивает поглощение FCA и потери тока.

Маскирующий слой

Маскирующий слой обычно представляет собой пленку SiO2 толщиной около 10 нм, выращенную после осаждения поли-Si для защиты задней структуры, в основном предотвращая последующие мокрые процессы от травления слоя поли-Si. Чтобы гарантировать, что задняя структура не будет повреждена в ванном мокром оборудовании, после полипроцесса на задней поверхности выращивается маска SiOx (около 10 нм) с использованием силана и закиси азота (примечание: силан и кислород несут риск взрыва в невакуумных средах).

Этапы процесса: вакуумный предварительный нагрев для доведения пластины до требуемой температуры; предварительное осаждение нелегированного источника кремния (только газ, без ВЧ, для равномерного заполнения трубы и стабилизации давления); осаждение нелегированного источника кремния (ВЧ включено, для осаждения нелегированной пленки, которая блокирует и буферизует фосфор от легированного поли); предварительное осаждение легированного источника кремния (только газ); осаждение легированного источника кремния (ВЧ включено, для осаждения фосфорно-легированной полипленки); формирование оксидной маски с помощью PECVD SiOx; и продувка N2/Ar для вытеснения SiH4 и N2O из трубы, чтобы предотвратить возгорание при открытии дверцы печи.

5. Отжиг

Цель отжига — преобразовать аморфный кремний, выращенный с помощью PECVD, в поликристаллический кремний, активировать атомы фосфора и продвинуть глубину перехода, а также сформировать пины. Процесс вводит BN2 (нитрид бора) и медленно нагревает до 890-920°C, где BN2 вводится при высокой температуре для активации атомов фосфора в полипленке и формирования эффективного легирования.

Существует взаимосвязь между отжигом и TOX: при неизменном туннельном оксиде повышение температуры отжига приводит к увеличению количества пинов и внутренней диффузии, снижению контактного удельного сопротивления и улучшению FF, при этом требования к пассивации все еще выполняются; при одинаковой температуре отжига более толстый туннельный оксид приводит к большему количеству пинов и внутренней диффузии, а также к более высокому току насыщения.

6. Удаление PSG и очистка RCA

Во время осаждения пленки n+-поли-Si методом PEALD на лицевой стороне пластины формируется локальный слой n+-поли, покрытый тонкой пленкой маски (SiOx). Одностороннее HF-травление удаляет SiOx, затем щелочная ванна удаляет лицевой n+-поли-Si. Пластина последовательно проходит через травильную ванну, щелочную ванну и очищающую ванну для химических реакций перед сушкой.

Цель RCA — удалить оберточное покрытие и выполнить краевое травление для предотвращения краевых утечек, а также очистить пластину, удалив лицевой и тыльный BSG и маску, и обезводить ее для подготовки к нанесению лицевой и тыльной пассивирующих пленок. Поскольку поли — это поликристаллический кремний, удаление оберточного покрытия выполняется щелочной полировкой с использованием высококонцентрированной щелочи и добавок.

Добавки RCA очищают неорганические вещества и остаточные продукты для улучшения смачивания поверхности, действуют как катализаторы реакции, ускоряя связывание OH- с кремнием и ускоряя травление оберточного покрытия и краев, а также снижают скорость щелочного травления диоксида кремния для защиты лицевого BSG и тыльной маски от чрезмерного травления.

Этапы процесса: встроенное HF-травление для удаления PSG, образовавшегося на лицевой стороне и краях после отжига в N2, при сохранении тыльного PSG для защиты тыльного поли; щелочная полировка с использованием NaOH и добавок для удаления избыточного лицевого и краевого поли; щелочная промывка для удаления остаточных добавок и примесей; кислотная очистка для нейтрализации остаточной щелочи и удаления ионов металлов; медленное вытягивание с использованием деионизированной воды комнатной температуры с помощью робота для предотвращения водяных знаков; и сушка при 90°C для предотвращения остаточной жидкости на пластинах и кассетах.

7. ALD (атомно-слоевое осаждение)

Атомно-слоевое осаждение наносит материал на подложку отдельными атомными слоями и характеризуется своей самоограничивающейся природой, которая является основой АСО. Через временные или пространственные интервалы подложка попеременно подвергается воздействию различных прекурсоров. Когда подложка находится в атмосфере прекурсора A, A химически адсорбируется на поверхности до насыщения, затем останавливается; при воздействии прекурсора B, B реагирует с уже адсорбированным A, образуя побочные продукты, пока первый прекурсор полностью не израсходуется, и реакция автоматически прекращается, формируя требуемый атомный слой. АСО повторяет эту реакцию для создания желаемой пленки.

На тыльной стороне пластины пассивация AlOx снижает скорость рекомбинации на тыльной поверхности. Оксид алюминия несет фиксированные отрицательные заряды, расположенные прямо на границе раздела между оксидом алюминия и оксидом кремния на поверхности пластины; эта высокоплотная отрицательная зарядка обеспечивает эффективную полевую пассивацию. Оксид алюминия также обеспечивает отличную химическую пассивацию, насыщая оборванные связи на поверхности кристаллического кремния и снижая плотность состояний на границе раздела.

Этапы процесса: предварительное осаждение (только газ, без ВЧ, равномерное заполнение трубы и стабилизация давления, короткое время для предотвращения потерь газа и опасностей); осаждение (ВЧ включено, с TMA, образующим плазму, которая реагирует с поверхностью, образуя AlOx, затем продувка инертным газом, повторение 40 циклов); и продувка Ar для вытеснения TMA и O2 из трубы, чтобы предотвратить возгорание TMA при открытии дверцы печи.

8. Передний и тыльный нитрид кремния (SiNx)

Покрытие SiNx служит нескольким целям. Оно защищает поверхность элемента, так как нитрид кремния обладает очень высокой прочностью, выдерживает до 1200°C, отличной химической стойкостью к почти всем неорганическим кислотам и NaOH ниже 30%, и является высокоэффективным электрическим изолятором. Оно обеспечивает антиотражение с оптимальным показателем преломления однослойного покрытия 1.96 на воздухе; увеличение содержания кремния усиливает поверхностную пассивацию, и в литературе сообщается о снижении скорости поверхностной рекомбинации ниже 20 см/с при показателе преломления 2.3, с лучшей объемной пассивацией между 2.1 и 2.3. Оно также предотвращает окисление благодаря своей плотной структуре. Пассивация эмиттера TOPCon в основном использует оксид алюминия плюс пленку SiNx:H, в то время как тыльная пассивация в основном использует поли-Si.

Механизм пассивации SiNx работает двумя способами. Химическая пассивация снижает плотность дефектов на границе раздела, уменьшая количество оборванных связей, либо путем выращивания поверхностного слоя, который дает атомам достаточно времени и энергии для насыщения оборванных связей, либо путем осаждения богатой водородом диэлектрической пленки и выделения водорода во время спекания, чтобы он связывался с оборванными связями. Полевая пассивация уменьшает количество неосновных носителей, достигающих поверхности, за счет создания электрического поля вблизи поверхности, которое отталкивает носители того же знака, что достигается снижением высокой концентрации легирования на поверхности или добавлением диэлектрического слоя с высоким фиксированным зарядом.

Этапы процесса SiNx следующие: предварительное осаждение (только газ, без ВЧ, заполнение трубы и стабилизация давления); осаждение 1-2-3 (ВЧ включено, подача SiH4 и NH3 для формирования трех слоев SiNx с постепенно уменьшающимся соотношением Si-N, так как более высокое соотношение Si-N дает более высокий показатель преломления); осаждение 4 (ВЧ включено, SiH4, O2 и NH3, образующие слой SiONx); осаждение 5 (ВЧ включено, SiH4 и O2, образующие слой SiO2); и продувка азотом линий и трубы для удаления реакционноспособного газа и предотвращения взрыва SiH4 при открытии дверцы печи.

9. Трафаретная печать (металлизация)

После текстурирования, диффузии и нанесения покрытий, завершающих образование p-n-перехода и пассивацию, ячейка может генерировать ток под воздействием света. Для извлечения и сбора этого тока на поверхность ячейки наносятся передний и задний электроды, обычно с помощью трафаретной печати, сушки и спекания.

Система трафаретной печати состоит из пяти элементов: ракеля, чернил (пасты), трафарета, подложки (пластины) и печатного стола. Подходящие печатные свойства пасты (вязкость, способность к тиксотропному разжижению) являются предпосылкой для крупномасштабной массовой печати, а количество нитей в трафарете, диаметр проволоки и проектная ширина линии в значительной степени определяют форму отпечатка. При работе паста проходит через узорные отверстия сетки, а ракель оказывает давление, перемещаясь по трафарету, выдавливая пасту из отверстий узора на пластину. Вязкость пасты удерживает ее в пределах заданной области, а ракель поддерживает линейный контакт с трафаретом и подложкой, при этом линия контакта движется вместе с ракелем, завершая печатный ход.

Паста должна обеспечивать отличную печатаемость для массового производства, хороший омический контакт с эмиттером для низкого удельного контактного сопротивления и более высокого FF, минимальное повреждение эмиттера для ограничения потерь Voc, вызванных металлизацией, и максимально низкое объемное удельное сопротивление для снижения потерь тока. Этапы процесса: сушка для испарения органических веществ в пасте; предварительный обжиг для плавления стеклофритты, растворения частиц серебра и открытия пассивирующего слоя; обжиг для растворения большего количества металла в стекле и его связывания; и охлаждение, чтобы металл, растворенный в стекле, осаждался на поверхности, образуя омический контакт между металлом и полупроводником.

Заключение

Процесс производства TOPCon представляет собой точную последовательность этапов текстурирования, легирования, пассивации, осаждения, отжига и металлизации, каждый из которых направлен на максимизацию селективности носителей и минимизацию рекомбинации для достижения более высокой эффективности преобразования.

Мнение ooitech: ooitech считает, что высокая эффективность TOPCon достигается за счет синергии туннельного оксида и технологии пассивированных контактов, где каждый этап очистки, осаждения и отжига работает вместе, чтобы расширить границы селективности носителей и пассивации поверхности.

Дополнительное чтение: Процесс производства и технология фотоэлектрических модулей · Как работает линия по производству солнечных панелей