1. 研究背景
在n型隧道氧化物钝化接触(TOPCon)太阳能电池的生产中,传统的气体硼源存在一定局限性,主要表现为其对发射极重组的影响以及金属-半导体接触重组问题。 为解决这些问题,采用了新的方法,即通过旋涂技术将硼-铝源扩散至硅表面,替代传统的气体硼源。
研究目标:
本研究提出了一种新的方法,利用硼-铝源通过旋涂扩散技术制备p型发射极,目标是提高发射极的质量,并减少由于传统气体硼源引起的金属-半导体接触重组。 本文的核心目标是探讨该方法对n型TOPCon太阳能电池性能的提升,尤其是通过提高p型层的表面掺杂浓度和浅接触深度来减少金属-半导体接触重组。
2. 研究思路
材料与样品制备
采用1-3Ω·cm电阻率的n型Czochralski(CZ)硅片作为衬底。硅片通过抛光或纹理化处理后进行旋涂,涂覆硼-铝源(S-BA200,硼和铝的质量比为1:1)。 在旋涂后,硅片在150°C下干燥,然后通过石英管炉在900°C的温度下进行扩散处理。
扩散过程
扩散温度范围为900-980°C,扩散时间为30分钟至50分钟不等。扩散后,使用稀氟化氢(HF)溶液清洗硅片,去除表面氧化层,得到带有p型发射极的n型硅片。
表征方法
使用X射线光电子能谱(XPS)分析表面氧化层的成分及化学状态。 采用扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌,并通过能谱分析(EDS)分析表面和p型层的元素组成。 电化学电容-电压(ECV)测试用于分析掺杂浓度和接触深度。 通过二次离子质谱(SIMS)分析掺杂元素的深度分布。
太阳能电池模拟
使用Quokka3模拟软件,基于实验数据(如ECV曲线)计算TOPCon太阳能电池的效率、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和短路电流密度(Jsc)。
3. 结果与讨论
3.1 表面形貌与元素分析
- SEM图像
显示,扩散后的硅片表面形成了一层厚度为113 nm的粘附层,主要由氧化物组成。清洗后的表面不再有该层,表明氧化层可以通过HF去除,适合生产线直接加工。 - EDS分析
结果表明,氧、硼、铝的信号强度在不同位置的变化,确认了氧化层主要由硼氧化物和铝氧化物组成。
3.2 掺杂浓度分析
- ECV测试
显示,随着扩散温度和时间的增加,p型层的表面掺杂浓度和接触深度都增加。 结果表明,掺杂浓度较高的p型发射极可以有效减少金属-半导体接触重组,同时保持较低的Auger复合。
3.3 太阳能电池模拟
- Voc
和Jsc随着掺杂浓度的增加略有下降,主要是由于Auger复合的增加。 - FF
(填充因子)明显提高,表明表面掺杂浓度较高时,p型层的质量得到了改善。 最终,基于硼-铝源扩散的TOPCon太阳能电池的效率提高了0.43%,相较于传统气体硼源制备的电池。
4. 研究结论
本研究提出的硼-铝源扩散方法成功提高了n型TOPCon太阳能电池的p型发射极质量,显著减少了金属-半导体接触重组。 相比传统的气体硼源扩散方法,这种新的扩散方法不仅能提高p型层的表面掺杂浓度,还能减少扩散温度和时间,从而降低了能源消耗。 模拟结果表明,采用硼-铝源制备的TOPCon太阳能电池效率提高了0.43%,证明了该方法在提升电池性能方面的潜力。 该研究为工业化生产提供了一条可行的路径,因为该方法与现有生产线设备兼容,有望在太阳能电池生产中得到广泛应用。
图1:实验流程和扩散过程示意图
图1a:实验流程图
图1a展示了p型发射极制备的实验流程。硅片在经过预处理后,进行旋涂处理并在150°C下干燥,然后进行扩散过程,温度范围为900-980°C,持续时间为30至50分钟。
实验设计分为两组:一组为抛光硅片,另一组为纹理化硅片。这两种处理方法帮助研究表面掺杂层的形成和性能。
图1b:硼铝源扩散过程示意图
图1b展示了采用硼铝源扩散的具体步骤。硼铝源通过旋涂技术均匀涂覆在硅片表面,然后通过加热使其扩散到硅片内部。
扩散温度为900-980°C,并通过石英管炉中的氮气流进行热扩散。扩散后的硅片表面出现一层蓝色薄膜,去除该薄膜后,得到了掺硼铝源的p型发射极。
图2:SEM图像与表面形貌分析
图2a:抛光硅片扩散后的SEM图像
图2a展示了经过硼铝源扩散后的抛光硅片表面。在未清洗的情况下,表面形成了一层大约113 nm厚的粘附层,主要由氧化物组成。
此粘附层表明,在扩散过程中,硼和铝源未完全扩散至硅片内部,残留的硼氧化物和铝氧化物与硅反应形成了氧化层。
图2b:清洗后的硅片表面SEM图像
图2b展示了HF清洗后的硅片表面,去除了氧化层。清洗后,硅片表面恢复了原有结构,没有残留的氧化物。
图2c:纹理化硅片扩散后的SEM图像
图2c展示了纹理化硅片扩散后的表面形貌。由于表面不平整,形成的粘附层厚度不均,山脊部分较薄,而谷部分较厚,最厚部分约247 nm。
这种不均匀性源于旋涂过程中源与硅片纹理表面的对准不完美,但这不会影响掺杂效果。
图2d:清洗后的纹理化硅片表面SEM图像
图2d展示了纹理化硅片扩散后的表面在HF清洗后的样貌,清洗去除了氧化层,恢复了硅片的表面结构。
图3:EDS元素分析
图3展示了硅片表面氧化层的能谱分析(EDS),特别是在扩散过程中形成的氧化层中,氧、硼、铝的分布情况。
在图中可以看出,氧信号在表面氧化层区域最强,而硼和铝信号则在硅片内部逐渐减弱,表明这些元素在硅片内部的扩散情况。铝的信号强度在氧化层中最高,随后在硅片内部逐渐减弱。
图4:XPS分析结果
图4a:XPS总谱
图4a展示了XPS总谱,分析了扩散后的硅片表面氧化层的成分。XPS谱图表明,表面氧化层含有硼、铝、氧和硅,符合硼铝源扩散的预期。
图4b:Si 2p谱图
图4b展示了Si 2p谱图,结果表明,表面层的硅信号主要集中在103.3 eV,这表明表面硅主要以二氧化硅(SiO2)存在。
图4c:B 1s谱图
图4c显示了B 1s谱图,主要峰值出现在193.1 eV,表明硼主要以硼三氧化物(B2O3)的形式存在。
图4d:Al 2p谱图
图4d展示了Al 2p谱图,峰值出现在74.82 eV,表明铝在表面层主要以铝氧化物(Al2O3)的形式存在。
图4e:O 1s谱图
图4e显示了O 1s谱图,峰值出现在532.5 eV,指示氧主要以二氧化硅(SiO2)形式存在。
图5:ECV测试结果
图5a和5c:抛光硅片的ECV测试
图5a和5c展示了不同扩散温度下,抛光硅片的ECV测试结果。随着扩散温度的升高,p型发射极的表面掺杂浓度和接触深度都逐渐增加。
图5b和5d:纹理化硅片的ECV测试
图5b和5d展示了纹理化硅片的ECV测试结果。随着扩散时间的增加,掺杂浓度和接触深度也增加,这与传统的硼源扩散一致。
图6:Sheet电阻测试
图6a:抛光硅片的Sheet电阻测试
图6a展示了不同扩散温度下,抛光硅片的sheet电阻测试结果。随着扩散温度的升高,sheet电阻逐渐下降,这表明掺杂浓度增加。
图6b:不同扩散时间下的Sheet电阻
图6b展示了在固定温度下,扩散时间不同的sheet电阻测试结果。随着扩散时间增加,掺杂浓度升高,sheet电阻降低。
图6c和6d:纹理化硅片的Sheet电阻测试
图6c和6d展示了纹理化硅片的sheet电阻测试结果。纹理化硅片的sheet电阻普遍低于抛光硅片,可能是由于纹理表面更好地保留了硼铝源。
图7:SIMS测试
图7展示了扩散后硅片p型层的SIMS测试结果,揭示了不同深度处的硼和铝浓度分布。
结果表明,铝的扩散系数较高,因此在表面形成了较高浓度的铝掺杂。硼的浓度在表面下约60 nm处逐渐超过铝的浓度,表明硼和铝的扩散过程存在一定的差异。
图8:太阳能电池性能模拟
图8a:开路电压(Voc)
图8a展示了不同扩散条件下TOPCon太阳能电池的开路电压(Voc)。随着掺杂浓度的增加,Voc逐渐下降,主要是由于Auger复合增加。
图8b:短路电流密度(Jsc)
图8b展示了短路电流密度(Jsc)的变化,Jsc随着掺杂浓度的增加而减少,这与Voc的趋势一致。
图8c:填充因子(FF)
图8c展示了填充因子(FF)的变化,基于硼铝源扩散的p型层在FF上表现出显著的提高。
图8d:效率(Eff)
图8d展示了太阳能电池效率的变化。最终,采用硼铝源扩散的TOPCon太阳能电池效率提高了0.43%。
图9:功率损失
图9展示了不同掺杂浓度下TOPCon太阳能电池的功率损失。随着掺杂浓度的增加,复合损失逐渐增加,但由于低接触电阻,电池的整体输出电流得到了改善。