/ TOPCon 光注入研究 /

问题

• TOPCon光注入的作用是什么？
• 光注入背后的机理是什么？
• 光注入对于硼扩p+/p++区，背面n+层，金半接触的影响是怎样的？
• 光注入的影响因素：温度、光强、带速如何优化以获得最佳效率？
• TOPCon产线增加LECO激光后，光注入影响点是否有变化？

关键结论

中温光照处理的钝化机理主要涉及以下几个方面：

1. 氢原子激活：中温光照处理首先激活钝化膜中的氢原子。在光照和中温条件下，氢原子从钝化膜（如AlOx, SiNx, poly-Si膜）中释放出来。
2. 缺陷修复：激活的氢原子迁移到硅片中的缺陷位置，与悬挂键或缺陷态结合，形成稳定的Si-H键，从而减少载流子的表面和体内复合。
3. 断裂Si-H键：在光照过程中，特别是使用30 Suns的LED光源时，光注入能量足以激发氢原子，导致Si-H键的弯曲模式((Si:H2)n)发生断裂。
4. 自由态氢原子的作用：断裂的Si-H键使得氢原子从束缚态变为自由态。这些自由态的氢原子能够捕获硅片表面的可动金属原子（如银Ag）和硼原子，进行表面钝化。
5. 去除过量氢：中温光照处理不仅激活氢原子进行钝化，还有助于去除硅片中的过量氢，防止过量氢原子聚集形成新的缺陷。
6. 钝化质量提升：通过上述机制，中温光照处理改善了钝化层的质量，减少了金属化区域的复合损失，提高了太阳能电池的开路电压(Voc)和填充因子(FF)。
7. 稳定性增强：改善钝化性能有助于增强太阳能电池的长期稳定性，减少由于光照和温度引起的性能衰减。
8. 光学损失减少：通过改善钝化性能，减少了蓝光损失、基底收集损失和前表面逃逸损失，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。
   综上所述，中温光照处理通过激活氢原子、修复缺陷、去除过量氢和钝化金属接触区域，实现了对太阳能电池钝化性能的改善，从而提高了电池的整体性能和稳定性。

实验方案

研究主题：探讨光注入过程

• 对钝化区、金半接触区饱和暗电流密度 、
• 表面复合速率，
• 接触电阻率影响
• 钝化膜层Si-H键含量影响

6组样品

• a.   样品：双面制绒+双面硼扩+双面AlOx/SiNx叠层钝化，对称结构
• b. 样品：双面抛光+双面POLO+双面SiNx对称结构
• c. 样品：a基础上单面金属化
• d. 样品：b基础上单面金属化
• e. n-TOPCon，SE标准结构
• f. iVoc样品，n-TOPCon金属化前结构

样品的制备流程大致如下：

1. 基底准备：182 mm × 182 mm n型c-Si硅片，0.5–2 Ω cm电阻率,150 ± 10 μm厚度。
2. 制绒：将硅片在碱性(KOH)溶液中进行制绒处理，以增加光的捕捉能力。
3. 清洗：制绒后的硅片在盐酸(HCl)和氢氟酸(HF)的混合溶液中清洗，以去除表面损伤层。
4. 形成选择性发射极：在含有三氯化硼(BCl3)气体的石英管炉中，使用LYDOP™系统和激光掺杂技术形成硼选择性发射极(B-SE)。
5. 去除BSG/PSG：使用稀释的HF溶液去除硼硅酸盐玻璃(BSG)。
6. 沉积钝化层：在硼掺杂表面分别沉积ALD-AlOx和PECVD-SiNx层，形成p+/n/p+或p++/n/p++结构样品。AlOx和SiNx层的厚度分别为3 nm和80 nm。
7. 背面抛光：使用KOH/抛光添加剂溶液对样品的背面进行抛光。
8. 沉积SiOx/a-Si薄膜：通过低压化学气相沉积(LPCVD)在样品背面沉积SiOx(1.2–1.8 nm)/非晶硅(a-Si)(120 ± 20 nm)薄膜。
9. 退火处理：在管式炉中于900 °C下进行45分钟的退火处理，气氛为磷酰氯(PCl3)、氧气(O2)和氮气(N2)的混合气体。
10. 去除SiOx/n+-poly-Si层：在去除BSG/PSG的步骤中，使用HF和KOH/抛光添加剂溶液去除前前表面绕镀的SiOx/n+-poly-Si层。
11. 形成钝化和接触层：在前后表面分别通过3 nm AlOx/80 nm SiNx和80 nm SiNx薄膜形成钝化。
12. 金属化：16BB图形金属化。
13. 快速烧结：在传送带炉中进行快速烧结，实际峰值烧结温度为750 ± 15 °C。
14. 金属接触的制备：对于p++/n/p++和n+/n/n+结构样品，分别使用Ag/Al和Ag浆料在一面印上金属栅线，然后进行烧结。
15. 中温光照处理：所有样品都经过中温光照处理，使用30-Sun的LED光源，在400-600°C的温度范围内处理0.5至2分钟。

表征量仪

• Wavelab IV测试仪：用于测量太阳能电池的I-V参数。
• DBSUN-1600光衰减室：用于对N-TOPCon太阳能电池进行LeTID测试。
• 寿命测试仪 (WCT-120 Sinton)：使用准稳态光电导（QSSPC）技术确定控制样品的iVoc值。
• PL (Photoluminescence) 系统 (VS-6841A-210)：用于测量不同金属化比例下的J0,metal值。
• TLM (GP-4 TEST)：用于确定丝网印刷金属化接触的接触电阻率（ρc）。
• 光致发光光谱工具 (BT image, R3)：用于测量所有样品的光致发光（PL）图像。
• 扫描透射电子显微镜 (STEM, 200 kV, FEI Talos F200X)：用于测量接触界面的微观结构和形态。
• PVE300-IVT：用于测量太阳能电池的光学反射率。
• Current Loss Analysis Calculator V1.4：用于分析基于Yablonovitch极限的光学损失。

结果讨论

中温光注入处理对p+区域影响

说明：

• UnF - 烧结前
• F - 烧结后
• An - 光注入退火后

1. J0值变化：中温光照处理后，p+层的J0值表现出轻微变化，具体数值变化较小，表明钝化质量受到的影响有限。
2. 表面钝化效应：中温光照处理后，p+层的表面复合速率Seff值有所下降，表明表面钝化效果有所增强。
3. iVoc值变化：中温光照处理后，p+层的iVoc值有所下降。
4. PL图像分析：中温光照处理后，PL图像显示的百分比值有所增加，表明材料的光电性能得到改善。
5. 钝化机制：中温光照处理通过打断Si-H键的弯曲模式，促进氢原子从束缚态变为自由态，进而捕获表面的可移动金属原子和硼原子进行钝化，从而提高钝化质量。
6. 效率提升：中温光照处理后，电池的整体效率有所提升，这与钝化质量的提高有关。

光注入处理对区域影响

1. 表面钝化效应改善：中温光照处理导致p++层的Seff值显著下降，达到8.67 cm/s，表明表面钝化效果得到改善。
2. iVoc值提升：中温光照处理后，p++层的iVoc值增加了4 mV，显示钝化质量的提升。
3. PL图像分析：中温光照处理后，p++层的PL百分比值增加了28%，表明材料的光电性能得到改善。
4. 钝化机制：中温光照处理可能通过打断Si-H键的弯曲模式，促进氢原子从束缚态变为自由态，进而捕获表面的可移动金属原子和硼原子进行钝化。

光注入处理对 层影响

1. J0值变化：中温光照处理对n+层的J0值影响较小，变化值仅为0.1 fA/cm²，表明钝化质量保持稳定。
2. 表面钝化效应：中温光照处理后，n+层的Seff值略有下降，从0.24 cm/s减少，表明表面钝化效果有所改善。
3. iVoc值提升：中温光照处理导致n+层的iVoc值增加了1 mV，显示钝化质量得到了改善。
4. PL图像分析：中温光照处理后，n+层的PL百分比值增加了3.8%，表明钝化效果有所提高。
5. 钝化机制：虽然文献中没有详细描述中温光照处理对n+层钝化机制的影响，但可以推测，与p++层类似，处理可能通过优化氢原子的分布和钝化缺陷，提高了钝化效果。
6. 稳定性改善：中温光照处理可能有助于改善n+层的长期稳定性，减少由于载流子注入引起的潜在衰减。

光注入对金半复合影响

1. J0,metal值降低：中温光照处理显著降低了p++层的J0,metal值，从573 fA/cm²降低到261 fA/cm²，减少了超过一半，表明金属接触区域的钝化得到了显著改善。
2. 钝化效果提升：n+-poly-Si层的J0,metal值也有所降低，从102 fA/cm²降低到62.5 fA/cm²，这表明光照处理对金属接触区域的钝化效果有积极影响。
3. 金属接触改善：中温光照处理可能促进了金属-硅界面的化学反应或重构，改善了金属接触的电学特性。
4. 钝化机制：光照处理期间，氢原子可能从束缚态变为自由态，捕获金属接触区域的可动金属原子和硼原子，减少了金属诱导的复合中心。

光注入处理对接触电阻率影响

1. ρc值降低：中温光照处理导致p++层的接触电阻率显著降低，从1.6 mΩ·cm²降低到0.68 mΩ·cm²。这表明中温光照处理有助于改善金属-硅基底界面的金属接触质量。
2. 金属接触改善：接触电阻率的降低可能是由于中温光照处理促进了金属栅线与硅基底之间的欧姆接触，减少了金属接触区域的电阻。
3. 钝化层影响：中温光照处理可能对钝化层的化学和物理特性产生影响，从而间接改善了接触电阻率。
4. 电池性能提升：接触电阻率的降低有助于提高太阳能电池的填充因子（FF）和整体性能，因为它减少了由于接触电阻引起的能量损失。中温光照处理通过优化金属-硅接触，降低了接触电阻率，这可能是通过促进金属栅线与硅基底之间的更好连接实现的。这种改善有助于提高电子的传输效率，减少串联电阻损耗，从而提升太阳能电池的电学性能和整体效率。

Suns-Voc分析

1. Voc提升：中温光照处理后，太阳能电池的Voc有所提升，这是由于减少了电池表面的载流子复合。
2. 性能填充因子(pFF)增加：电池的性能填充因子(pFF)在光照处理后有所增加，表明电池的整体性能得到改善。
3. 效率提升：Suns-Voc测量显示，经过中温光照处理的电池效率提高了约0.75%，主要由于Voc和pFF的增加。
4. 复合电流密度降低：中温光照处理减少了与理想因子n=1和n=2相关的复合电流密度(J01和J02)，这表明电池的表面和体内钝化质量得到改善。
5. 电池稳定性：Suns-Voc测量还表明，中温光照处理可以提高电池在LeTID（光热诱导衰减）后的稳定性，减少性能衰减。

QE及效率损失分析

1. 内量子效率(IQE)提升：中温光照处理后，从400到1000 nm波长范围内，内量子效率(IQE)有所增加，这表明电池对光的吸收和利用效率得到改善。
2. 外量子效率(EQE)改善：考虑反射和金属化遮蔽的影响后，从600到1000 nm波长范围内，外量子效率(EQE)在中温光照处理后有所提升，这反映了电池收集光生载流子的能力增强。
3. 光学损失减少：

• 蓝光损失降低：中温光照处理减少了蓝光范围内的光学损失，从0.45 mA/cm²降至0.38 mA/cm²，这可能归因于p+层表面钝化的改善。
• 基底收集损失减少：基底收集损失从0.2 mA/cm²降至0.13 mA/cm²，表明中温光照处理有助于减少体内缺陷，改善了载流子的收集效率。
• 前表面逃逸损失降低：前表面逃逸损失从-0.12 mA/cm²增加至-0.53 mA/cm²，这表明电池的表面钝化性能得到改善，减少了载流子的表面复合。

FTIR分析

1. Si-H键的变化：FTIR分析显示，在中温光照处理过程中，硅-氢（Si-H）键的振动模式发生了变化。特别是，与Si-H键的弯曲模式相关的吸收系数在特定波数（如640 cm⁻¹和900 cm⁻¹）发生了变化。
2. 氢钝化效果：中温光照处理导致Si-H键的弯曲模式((Si:H2)n)发生断裂，使得氢原子从束缚态变为自由态，这有助于捕获可动的金属原子和硼原子，进行表面钝化。
3. ≡Si-H键和(Si:H2)n键的比例变化：FTIR分析表明，光照处理后，≡Si-H键的比例增加，而(Si:H2)n键的比例减少，这表明了钝化过程中氢原子状态的变化。
4. 钝化层质量改善：通过FTIR分析，观察到中温光照处理改善了钝化层的质量，减少了金属化区域的复合损失，提高了太阳能电池的性能。
5. 钝化机制的证明：FTIR结果支持了中温光照处理通过激活氢原子来钝化缺陷的理论，减少了金属接触区域的复合损失。
6. 去除过量氢：FTIR分析还表明，中温光照处理有助于去除硅片中的过量氢，防止过量氢原子聚集形成新的缺陷。

   
   

   
   

• 来源：Influence of the medium-temperature light soaking process on the passivation and electronic performance of the n-TOPCon solar cells
• [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.112959]
• 关键词：N-TOPCon, 氢钝化，光注入，中温光照处理，复合
• 辅助工具：kimimoonshot.AI