研究背景
晶体硅太阳能电池占据光伏市场的主导地位，并且不断努力提高其效率。由于n型硅晶圆具有优越的电子迁移率和降低的光致降解特性，因此越来越受到青睐。然而，硅晶圆中的杂质，特别是铁等金属杂质，会显著降低太阳能电池的效率。PDG是去除p型硅中这些杂质的广泛使用技术，但其在n型硅，特别是SHJ太阳能电池中的应用尚待深入研究。现有研究表明效率提高有限，并且缺乏对扩散过程的详细微观分析。
研究方法
研究人员使用单晶n型硅晶圆，系统地改变PDG工艺参数，主要是携带POCl3的N2气流速率（0、500、1000和2000 sccm）。他们采用了一系列表征技术：
显微镜: 场发射扫描电子显微镜 (SEM) 用于观察表面形貌和扩散通道。
X射线技术: X射线荧光(XRF) 用于量化元素变化，X射线衍射 (XRD) 用于分析晶体结构。
质谱:飞行时间二次离子质谱 (TOF-SIMS) 用于确定O、P和Si等元素的深度分布。
光学表征:光致发光 (PL) 成像用于可视化载流子寿命的空间分布，时间分辨光致发光 (TRPL) 用于测量载流子寿命。
电学表征:四探针法测量方块电阻，准稳态光电导 (QSSPC) 测量寿命，以及I-V测量太阳能电池性能。
模拟: 使用Quokka 2软件进行自由能损失分析 (FELA)，以了解PDG对复合和电阻损失的影响。使用OPAL 2进行光学模拟。
研究内容
该研究发现，PDG过程中磷的扩散主要通过圆形通道进行，而不是均匀地穿过晶圆表面。虽然PDG有效地去除了铁，但也引入了其他杂质，如氧和铜，这些杂质在随后的清洗过程中并没有完全去除。研究人员证明，1000 sccm的气流速率优化了载流子寿命和饱和暗电流密度之间的平衡。以这种流速，平均效率提高了0.21%，达到25.14%。模拟表明，能量损失的变化主要归因于体复合和串联电阻。
研究结论
优化的PDG工艺使工业SHJ太阳能电池的效率提高了0.2%以上（从24.93%提高到25.14%），这主要是因为填充因数的提高。这种改进源于体复合和串联电阻的减少，这在最佳气流速率（1000 sccm）下载流子寿命增加和饱和暗电流密度降低中得到证明。该研究强调了在PDG过程中仔细控制气流速率以平衡杂质去除和新缺陷引入的重要性。这项研究为改进工业SHJ太阳能电池制造中的PDG工艺提供了宝贵的见解，从而提高产量并减少对高纯度硅晶圆的依赖。研究结果还表明，PDG工艺的进一步优化可能带来更大的效率提升。
图文解析
图1：(a)SHJ太阳能电池的工业制造工艺，包括正面磷吸杂处理
图2：表面形貌和重量变化
(a)和(b): 这些SEM图像比较了未经和经过PDG处理的硅晶圆的表面形貌。这里的关键观察结果是PDG处理后表面出现许多圆形通道（孔）。这些通道代表磷扩散到晶圆中的路径。
(c): 这是(b)的放大视图，显示了磷扩散通道的尺寸分布。平均尺寸和分布是PDG工艺均匀性的重要指标。
(d): 这显示了清洗和刻蚀后的表面形貌。刻蚀工艺产生了光捕获中至关重要的特征金字塔结构。注意刻蚀后通道形貌是否发生任何变化。
(e)和(f): 这些图显示了PDG处理和后续刻蚀后晶圆的重量和厚度变化。重量损失表明在这些过程中去除了材料，厚度变化有助于量化受影响层的深度。比较经和未经PDG处理的晶圆的变化，可以看出材料刻蚀速率。
图3：元素分析
(a): 此XRF图表比较了PDG处理前后硅晶圆的元素组成。至关重要的是，它显示了有害杂质铁 (Fe) 的减少，以及氧 (O) 和铜 (Cu) 等其他元素的变化。PDG处理后这些元素的存在或不存在表明其有效性和潜在的副作用。检测限 (LLD) 对于理解痕量元素测量的准确性非常重要。
(b): XRD图谱显示了硅晶圆的晶体结构。PDG处理后衍射峰的偏移，以及刻蚀后恢复到原始位置，表明由于掺杂和随后扩散层的去除而引起的晶格变化。
图4：TOF-SIMS分析
(a)和(b): 这些3D TOF-SIMS图像将PDG处理后和PDG+刻蚀后的不同元素（O、Si、P）的深度分布可视化。这提供了晶圆内元素分布的详细图像，揭示了磷扩散的深度和氧化物的存在。垂直条带可能说明了在SEM中看到的扩散通道。
(c)和(d): 这些图显示了不同离子的浓度曲线随深度的变化。这提供了关于扩散深度和各种元素浓度梯度的定量数据。
图5：电学和光学特性
(a): 此图显示了在PDG工艺中，硅晶圆的方块电阻如何随不同的气流速率而变化。较低的电阻对于更好的导电性是理想的。
(b): 这显示了有效少数载流子寿命和饱和暗电流密度作为气流速率的函数。这两个参数之间的平衡对于太阳能电池的性能至关重要，最佳气流速率旨在最大限度地提高寿命，同时最大限度地减少暗电流。
(c): PL成像可视化了载流子寿命在晶圆表面的空间分布。这使得能够评估PDG工艺的均匀性，并识别载流子复合率较高或较低的区域。
(d)和(e): TRPL光谱提供了关于载流子复合机制和寿命的详细信息。在经和未经PDG处理的晶圆之间观察到的变化，提供了PDG影响的定量证据。
(f): 显示了理想因子 (n) 如何变化，表明SHJ太阳能电池中主要的复合机制。
图6：太阳能电池性能和FELA
(a): SHJ太阳能电池结构示意图。
(b): EQE曲线显示了经和未经PDG处理的太阳能电池的量子效率。这表明太阳能电池在不同波长下将光转换为电流的效率。
(c)、(d)、(e)、(f)、(g): 这些图显示了不同气流速率对所制造的SHJ太阳能电池的关键光伏参数（Jsc、Voc、FF、Rs、PCE）的影响。这些数据是研究最重要的成果，直接证明了PDG工艺的有效性和改变气流速率的影响。
(h): FELA图显示了太阳能电池中能量损失的细分。这有助于识别主要的损失机制，并指导进一步的优化工作。
