N型TOPCon晶硅太阳能电池光注入退火增效的研究

魏凯峰，刘大伟，倪玉凤，张 婷，刘军保，张天杰，杨 露

(国家电投集团西安太阳能电力有限公司，西安 710000)

0 引 言

N型电池是行业发展的必然趋势。从工艺的角度来看，N型硅片作为衬底具有更高的少子寿命且无光致衰减，同时随着表面钝化技术的改善与提高，N型电池效率在快速提升；从产业发展来看，N型隧穿氧化层钝化接触(N-TOPCon)电池技术因其独特的电池结构及较高的转换效率，成为市场关注的焦点。TOPCon电池由德国Fraunhofer(夫琅禾费太阳能系统研究所)于2013年提出，具有优越的界面钝化和载流子输运能力(较高的iVoc和pFF)，与晶体硅异质结太阳能(HIT)电池相比可以兼容高温制备工艺。

在硅片中掺入少量磷，磷原子5个外层电子中的4个与周围的半导体原子形成共价键，剩下的1个电子几乎不受束缚，成为自由电子，含这类电子浓度较高的硅片被称为N型硅片。正因为N型硅片含有自由电子(多子为电子)，且电子的移动速度更快，所以N型本身就具备更高转换效率的可能性。ISFH(德国哈梅林太阳能研究所)的最新研究结果表明，N-TOPCon 电池理论极限转换效率为28.7%，高于目前所有高效晶硅类型电池极限转换效率，更接近晶硅太阳能电池的极限转换效率29.43%[1]。得益于其更高的转换效率，近年来N-TOPCon电池产业化发展速度明显加快。光注入退火提效，部分企业已完成实验评估，进入了量产阶段，平均转换效率可以提升0.1%以上。N-TOPCon 电池实验转换效率与钝化性能研究进展如图1所示。

图1 N-TOPCon电池研究进展

1 原理与工艺

图2 隧穿能带结构

N-TOPCon电池介绍如下：高效的太阳能电池要求在具有良好的界面钝化情况下，尽可能实现一维纵向输运，使Voc和FF最大化。而钝化接触便是实现该功能的途径之一。钝化接触电池的poly-Si与Si基底界面间的氧化硅对钝化起着非常关键的作用，氧化硅通过化学钝化降低Si基底与poly-Si之间的界面态密度。多数载流子通过隧穿原理实现输运，少数载流子则由于势垒以及poly-Si场效应的存在难以隧穿通过该氧化层。在重掺poly-Si中，多数载流子浓度远高于少数载流子，降低电子空穴复合几率的同时，也增加了电导率形成多数载流子的选择性接触。在选择性接触区域，多子传输导致电阻损失，同时少量少子向金属接触区域迁移导致复合损失。前者对应接触电阻ρc，而后者则对应界面复合电流J0。目前TOPCon电池J0低至 2 fA/cm2，ρc低至3 mΩ/cm2，iVoc(隐开路电压)高达740 mV以上，电池Voc已达到700 mV以上。图2为隧穿能带结构示意图，图3为TOPCon电池结构图[2]。

图3 TOPCon电池结构

光注入退火炉的工艺流程：自动化上料(电池片)→升温区(红外灯管加热)→光照区(LED灯)→降温→自动化下料。

光注入退火炉工艺步骤：第一步升温，通过升温激活氮化硅钝化膜中的H原子；第二步通过光照控制H原子的价态，使其在P+发射极和N型基底与复合中心(缺陷)结合，形成非复合中心。最终实现良好钝化效果，达到提升Voc与FF的目的。具体如图4所示。

图4 光注入(氢钝化)机理

2 结果与讨论

2.1 光注入退火工艺对N-TOPCon电池电性能的影响

取15片相同效率档位的电池片，经过光注入退火工艺后，对比各个电参数变化情况。Voc变化如图5所示，FF变化如图6所示。

图5 光注入前后Voc的变化

图6 光注入前后FF的变化

从图中可以看出，N-TOPCon电池经过光注入后Voc与FF提升比较明显，其他电参数均没有变化。因此，说明经过光注入后氢原子钝化了晶界与晶面的悬挂键，提升了PN结的质量，提高了Voc[3]。进一步分析说明，发射极部分属硼掺杂区，表面沉积氮化硅膜后，发射区会同时存在硼和氢，氢原子在离硼约0.125 nm处的球面上位能具有极小值，氢被束缚在这个球面上自由转动，形成动态硼-氢复合体。在完整的硅晶体中，单独的代位硼原子在价带上面引入一个未填满的受主能级，而单独的间隙氢原子则在导带下面引入一个新的施主能级。当硼和氢同时存在，氢原子处在球面能谷中的情况下，由于之间的相互作用，硼和氢在禁带中引入的能级分别转入价带和导带，电子填充到价带顶，硼不再起受主作用，即被钝化[4]。

2.2 LED光照处理时加热温度对转换效率的影响

取相同效率档位电池片300片，分为3组，每组100片。LED光照时加热1区峰值温度分别设置为200 ℃、260 ℃、320 ℃。3组电池转换效率提升如图7所示。

从图中可以看出，光照处理时光照1区峰值温度设定为260 ℃时，效率提升幅度最大。其机理在于退火(200 ℃)有助于提高非晶硅的钝化，源于界面态密度的降低(Si悬挂键)，非晶硅薄膜的微结构改变不影响光致增益[5]。

2.3 LED光照强度对转换效率的影响

取相同效率档位电池片600片，分为6组，每组100片。LED光照时温度设置为260 ℃，光照强度分别设置为10%、20%、30%、40%、50%、60%。7组电池转换效率提升如图8所示。

图7 LED光照时不同峰值温度增效对比

图8 LED光照时不同光照强度增效对比

从图中可以看出，LED光照强度逐渐增强，效率提升幅度不变。相同加热温度条件下，光照强度对效率提升无影响。即使弱光也会产生增益现象，因此效率增益是由于a-Si∶H/c-Si界面复合的降低引起的[5]。

2.4 Poly-Si厚度对转换效率的影响

实验采用双面对称结构进行测试对比，制作不同poly厚度对称结构监测片，光注入退火工艺前后分别测试iVoc，对比TOPCon电池背面钝化层厚度经过光注入退火工艺后钝化性能的变化规律。实验分为4组，poly-Si厚度分别为90 nm、120 nm、150 nm、200 nm，实验结果如图9所示。

图9 不同poly厚度对称结构经光注入前后钝化性监测

从图中可以看出，当背面钝化层poly厚度小于150 nm时，经过光注入退火工艺后钝化性能有损失现象；厚度大于等于150 nm时，钝化性能保持不变。背面钝化层poly厚度增加，多晶硅层的寄生光吸收会增强，降低了光的利用效率[6]。因此钝化层poly的厚度需要综合考虑寄生吸收与钝化性能两方面因素。

2.5 不同光注入退火工艺对较薄poly-Si钝化性能的影响

取90 nm厚度poly-Si双面对称结构测试片40片，分为4组，每组使用不同光注入退火工艺。验证不同光注入退火工艺对较薄poly-Si厚度电池片钝化性能的影响，实验结果如图10所示。

图10 90 nm厚度poly-Si对称结构不同光注入工艺前后钝化性监测

从图中可以看出，调整光注入退火温度、光照强度对较薄poly钝化层的钝化性能无改善。

2.6 正表面不同金属栅线遮挡面积对光注入退火增效的影响

设计2种不同正面栅线宽度网版，实验分为2组，每组各100片。测试正面不同金属栅线遮挡面积对光注入退火工艺增效的影响。两组实验光注入退火前后分别测试效率，对比增效情况。实验数据如表1所示。

从中可以看出，金属栅线遮挡面积不同，光注入退火增效均保持在0.09%左右。说明氢钝化增益与正表面金属栅线遮挡面积无关。另外，金属栅线接触面积增加，金属接触复合区域面积增加，正表面金属复合增加，J0 metal值增大，Voc会减小，FF会增加。

表1 正表面金属栅线遮挡面积对光注入增效的影响

2.7 基体电阻率对光注入退火增效的影响

实验分为2组，第一组为高电阻率电池片23片(电阻率范围5～8 Ω·cm)，第二组为低电阻率电池片15片(电阻率范围0.5～3 Ω·cm)。测试2组电池片光注入前后转换效率提升情况。实验结果如图11所示。

图11 基体电阻率对光注入效率的影响

从图中可以看出，高电阻率电池片经过光注入退火后，转换效率无提升，低电阻率电池片经过光注入后转换效率有明显提高。说明光致增益与基体掺杂浓度有很大关系，电阻率高电导率低，基体掺杂量较小。掺入杂质的量大于硅的固溶度时，基体金属杂质容易在晶体中沉积，形成体缺陷[7]。

2.8 光注入退火工艺对氧环片的影响

经过光注入退火工艺后氧环片的变化情况如图12所示。

图12 经过光注入退火工艺后氧环片的变化过程

从图中可以看出，经过光注入退火后轻微同心圆可以完全去除。同心圆是由于硅片基体氧含量过高，导致硅片在高温过程中产生沿径向分布的环形或者螺旋形氧沉淀，在电致发光下表现为黑色氧环。理论上氧环属于N型硅经过高温后的体缺陷，经过光注入退火处理后分布在浅层内的氢原子进一步向硅体内扩散，使得更多的体缺陷和杂质得到钝化，同心圆完全消失[8]。

3 结 论

N-TOPCon电池经过光注入退火后，Voc与FF会有明显提升；光照强度对相同档位N-TOPCon电池效率提升幅度大小无影响；光照区设定温度达到260 ℃时，效率提升比较明显；N-TOPCon电池Poly厚度较薄时，经过光注入退火后，钝化性能会降低；正面栅线遮挡面积大小对光注入退火工艺提升效率无影响；针对N-TOPCon电池，高电阻率硅片效率无明显增益，低电阻率效率提升明显，因此光注入提效会受到硅片基体掺杂浓度的影响；N型硅片经过高温硼扩散后会形成同心圆，经过光注入退火后同心圆可以完全去除。