Aaron PV
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/ TOPCon 硼扩模拟研究 /
硼扩散机理
硼扩散包括预沉积后推进和离子注入后退火激活两种方式 硼扩过程主要依赖自间隙缺陷移动来完成 离子注入时，高能轰击，将高浓度的硼植入硅指定位置，在此深度范围内，存在大量硅晶格缺陷，硼在硅中的高浓度过饱和现象将出现硼团簇，在后退火激活中，团簇中的硼充当硼源通过扩散作用慢慢溶解，形成替位激活 预沉积时，高浓度硼溶解在BSG中，硼在氧化硅中替位硅时，将夺取周围的氧以在周围形成三个氧保持平衡，可增加硼在硅中的扩散能力；Drive-in时，不可移动的替位硼与间隙硼反应形成中间可移动的替位硼-间隙硼对BI对，BI对中硼呈现不同带电状态，其中正电荷态所需能量低，更容易形成，通过电荷转换，形成中性BI对完成扩散迁移，到达扩散路径长度时，重新形成替位硼。 硼扩散系数同时受温度和掺杂浓度影响 间隙硼在硅中的激活能为 0.6 eV
扩散势垒
间隙原子扩散，激活能为3~5 eV 空位扩散，弗兰克空位，激活能2.1 eV 通常认为杂质在晶硅中的扩散激活能为0.5~1.5 eV，杂质扩散以空位扩散为主导
PSG/BSG中的掺杂源总量直接决定了最终扩散进入硅中的P或者B的总量，且随着扩散过程的进行，PSG、BSG中杂质含量不断下降
理论上扩散过程在硅中的杂质剖面呈高斯分布，遵循菲克扩散第二定律
- 掺杂浓度， - 扩散系数， - 扩散深度
- Arrhenius激活能 - 玻尔兹曼常数 - 开氏温度
发射极均匀特性模拟
方阻
- 结深 - 发射极由表面至结深处与位置相关的电阻率 电阻率由杂质浓度和迁移率决定
硼扩散模拟
考查变量及初始条件：
BSG厚度，440 nm BSG中硼浓度，2.5E21 cm-3 drive-in温度，1020℃，时间40 min 提取参数：表面B浓度3.04E19 cm-3，方阻81.1 Ω/sq，结深 0.87 μm
drive-in温度影响
drive-in温度对结深影响较大，对方阻影响相对较小
BSG厚度影响
BSG厚度，对结深影响较小，对方阻影响较大
BSG中B浓度影响
BSG中B浓度对结深影响较小，对方阻影响较大通过单步工艺模拟，分析了 BSG 厚度、BSG 中硼的浓度和 drive-in 温度对发射极结深、方阻和表面杂质浓度影响，结果表明， （1）随着 BSG 厚度、BSG 中硼的浓度的增加，方阻降低、表面杂质浓度和结深增加，随着 drive-in 温度的增加，方阻和表面杂质浓度下降，结深增加； （2）三个条件中 drive-in 温度对结深有主导作用，对方阻影响较小，而 BSG 厚度、BSG 中硼的浓度条件对结深影响较小，但对方阻影响较大。
硼扩模拟结果
模拟软件：Silvaco TCAD模拟、PC1D BSG厚度及浓度分布
BSG 厚度和 BSG 中硼浓度作为极限条件器件模拟结论：
在同表面复合速度下和方阻情况下，结果表明，重掺杂、浅结可增加多数载流子浓度，降低载流子扩散距离，有利于短路电流、开路电压和电池效率的提升。 高低方阻对比中，低方阻的边缘位置电池电性能优于高方阻的中心位置条件，结果表明，同表面复合速率情况下，低方阻、重掺杂、深结可增加载流子浓度，有利于提高开路电压和转换效率。 在同复合速率情况下，Auger 复合和 SRH 复合对限制光谱响应起到辅助作用。 模型为高体寿命，使得电池性能对表面复合速率非常敏感，而表面复合速率随着掺杂浓度上升显著增大，因而在考虑表面复合速率的情况下，器件模拟的中间极限条件电池性能将增大，边缘极限条件电池性将减小。
太阳电池双二极管模型等效电路
- 光生电流密度， 表示电池内部两个等效二极管 - 等效串阻、并阻 - 反映电池缺陷：发射极缺陷、衬底缺陷、掺杂引入缺陷，复合电流密度 - 反映空间电荷区（耗尽层）内部缺陷，复合电流密度 - 电池垂直方向收集电流过程中的电阻，会使电池发热、降低输出功率 - 电池制造过程中漏电引起的等效电阻，主要是发射极处金属电极烧结时与衬底短路或者扩散后边缘发射极未去除干净导致
参考资料：
《晶体硅太阳能电池掺杂与金属化工艺研究》 黄志平 博士论文 2021
