Inleiding

Monokristallijne N-type TOPCon-zonnecellen zijn een van de meest veelbelovende hoogrendementstechnologieën in de fotovoltaïsche industrie geworden. Hun productie omvat een lange keten van zorgvuldig gecontroleerde stappen, waaronder textureren, boordiffusie, laser SE, uitgloeien, alkalisch polijsten, PE-poly, uitgloeien, RCA-reiniging, coating, metallisatie en uiteindelijk testen en sorteren. In dit artikel doorlopen we elke hoofdprocesstap en leggen we uit waarom deze belangrijk is.

1. Textureren (TEX)

Doel van textureren

Het doel van textureren is het verwijderen van de mechanische beschadigingslaag op het waferoppervlak en het vormen van een piramidevormig getextureerd oppervlak dat de lichtabsorptie verhoogt. Door de oppervlaktereflectie te verminderen, wordt de kortsluitstroom (Isc) verbeterd, wat uiteindelijk de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie van de cel verhoogt.

Nat etsen is tegenwoordig het gangbare textureringsproces. Metaalionen, beschadigingslagen en andere verontreinigingen op het waferoppervlak fungeren als recombinatiecentra. Aangezien gescheiden elektronen en gaten over het waferoppervlak moeten reizen en daar worden verzameld, verminderen deze recombinatiecentra de levensduur van minderheidsdragers, waardoor dragers recombineren voordat ze als externe stroom kunnen worden uitgevoerd. Oppervlakteoxidelagen en organische verontreinigingen beïnvloeden ook de depositie- en passiveringskwaliteit van AlOx- en SiNx-lagen, dus grondige oppervlaktereiniging is cruciaal en heeft direct invloed op de celefficiëntie.

Reactieprincipe

Textureren is gebaseerd op de anisotrope etseigenschap van kristallijn silicium, waarbij een lage concentratie alkali en additieven verschillende kristaloriëntaties met verschillende snelheden etsen. De etssnelheid op de (110)- en (100)-vlakken is veel hoger dan op het (111)-vlak. Na een bepaalde etstijd blijven er vier 'piramide'-structuren bestaande uit (111)-vlakken over op het monokristallijne waferoppervlak.

De atomaire rangschikking verschilt per kristalvlak, wat leidt tot verschillende etssnelheden:

• (100)-vlak: relatief losse atomaire rangschikking met meer blootgestelde chemische bindingen, wat de hoogste etssnelheid geeft.

• (110)-vlak: atomaire dichtheid tussen (100) en (111), met een snellere maar iets lagere etssnelheid dan (100).

• (111)-vlak: meest dicht opeengepakte atomaire rangschikking, met chemische bindingen die moeilijk aan te vallen zijn, wat de laagste etssnelheid geeft.

Rol van textureringsadditieven

Additieven verlagen de oppervlaktespanning van silicium, bevorderen het vrijkomen van waterstofbellen die tijdens de reactie ontstaan, en maken de piramides uniformer. Ze verbeteren de bevochtiging tussen het waferoppervlak en de reactieoplossing, verzwakken de etssterkte van de NaOH-oplossing, verhogen het aantal nucleatiepunten en de nucleatiedichtheid, en bevorderen de vorming van grote aantallen kleine piramides. Over het algemeen hebben de eigenschappen van het additief de meest directe invloed op het getextureerde piramideoppervlak.

Processtroom

De textureringsvolgorde omvat doorgaans: voorreiniging met NaOH en H2O2 (ondersteund door ultrasoon reinigen bij 60°C, gevolgd door spoelen met zuiver water) om organische stoffen, metaalverontreinigingen en zaagschade te verwijderen; alkalisch textureren met ongeveer 0,6% NaOH en 0,4% additief bij 82°C gedurende 420 seconden om de piramidestructuur te vormen; nareiniging om resterende organische stoffen te verwijderen; zuurreiniging met verdund zuur (3,15% HCl + 7,1% HF) om resterende alkali te neutraliseren en de oxidelaag te verwijderen; langzaam uittrekken voor dehydratatie om de waterfilm door oppervlaktespanning te verwijderen; en ten slotte drogen met hete lucht van 90°C.

2. Boriumdiffusie (B-diff)

Doel

Bij hoge temperatuur diffunderen boriumatomen in het oppervlak van de N-type wafer om een PN-overgang te vormen. Het ingebouwde veld van de PN-overgang scheidt de fotogegenereerde ladingsdragers om extern stroom te leveren. P-type wafers, met een hoge gatconcentratie, gebruiken fosfordotering voor de vorming van de overgang; N-type wafers, met een hoge elektronenconcentratie, gebruiken boriumdotering.

Procesprincipe

Boorchloride (BCl3) stroomt door een kwartsbuis bij 800-900°C en reageert met zuurstof tot B2O3, dat met stikstofdragergas op het waferoppervlak wordt afgezet en reageert met Si om booratomen te genereren, waardoor een borosilicaatglas (BSG) laag ontstaat. De booratomen diffunderen vervolgens in de wafer om de PN-overgang te vormen. BCl3 is een kleurloze, dampende vloeistof of gas met een dichtheid van 1,35 kg/m3, een smeltpunt van -107,3°C en een kookpunt van 12,5°C. Het is niet brandbaar, irriterend en scherp, en ontleedt in water tot waterstofchloride en boorzuur met aanzienlijke warmteafgifte. Het tussenproduct B2O3, met een smeltpunt van 450°C en kookpunt van 1860°C, blijft gedurende het hele proces vloeibaar en is sterk corrosief voor kwartscomponenten.

Boordiffusie is moeilijker dan fosfordiffusie, dus de TOPCon-route stelt hogere eisen aan apparatuur, waaronder hogere uniformiteit, hogere diffusietemperaturen (meestal boven 1000°C) en langere diffusietijden (filmvorming duurt vaak tot 240 minuten), wat de apparatuur- en productiekosten in de junctievormingsfase verhoogt.

Processtroom

Diffusie wordt op twee manieren uitgevoerd. Pre-depositiediffusie (de BSG-depositiestap) gebruikt een lagere temperatuur en houdt de wafer in een verzadigde onzuiverheidsatmosfeer, zodat de oppervlakteconcentratie van onzuiverheden constant blijft; dit wordt diffusie met constante oppervlaktebron genoemd. Herverdelingsdiffusie duwt de boor van de BSG in de wafer bij een hogere temperatuur in een zuurstofrijke atmosfeer zonder externe onzuiverheden; hier verandert de oppervlakteconcentratie in de tijd, wat diffusie met beperkte oppervlaktebron wordt genoemd, met een Gaussiaanse onzuiverheidsverdeling.

De typische processtappen zijn: vacuüm pompen om lage druk te bereiken; opwarmen tot de diffusietemperatuur (800-900°C); temperatuur vasthouden terwijl de druk verder wordt verlaagd; lekdetectie onder lage druk; pre-oxidatie om een SiO2-laag van 1 nm te vormen om de volgende diffusiestap te vertragen en boordiffusie uniformer te maken; diffusie/depositie door de boorbron in te brengen voor actieve pre-depositie en passieve indrijving; verder verhitten boven 900°C om de diffusiesnelheid en -diepte te verhogen; post-oxidatie om een SiO2-laag van meer dan 100 nm te vormen om het boorgehalte te regelen, de junctie te verdiepen, een beschermende laag te vormen en substraatonzuiverheden te getteren; koelen tot een veilige buisopeningstemperatuur; en het vacuüm verbreken met N2 om de atmosferische druk te herstellen.

3. BSG-verwijdering en alkalisch etsen

BSG-verwijdering

Na boordiffusie dragen de waferachterkant en -randen een dikke BSG-laag (40-100nm oxide). Deze borosilicaatglaslaag heeft een nadelige invloed op volgende processen en kan PN-overgangslekkage veroorzaken, dus chemisch etsen en reinigen zijn nodig na dotering. Voor alkalisch etsen verwijdert een inline enkelzijdig HF-proces de BSG aan de achterkant en randen, terwijl de BSG aan de voorkant behouden blijft als masker tijdens alkalisch etsen om de voorstructuur te beschermen.

De wafer komt eerst in de inline HF-reinigingsapparatuur, waar ongeveer 60% HF de achterste BSG oplost in oplossing, terwijl een waterfilm de voorste BSG beschermt, gevolgd door ongeveer 0,5 minuut spoelen met zuiver water. De volgorde omvat: aanbrengen van een waterfilm met behulp van de hydrofiliciteit van SiO2 om de voorste BSG te beschermen; HF-etsen van de achterste en rand-BSG; een waterpistoolstap om de mogelijk verontreinigde waterfilm te verversen; waterwassen om resterend HF te verwijderen; zuurreiniging om resterende onzuiverheidsionen te verwijderen; en drogen van de voorste waterfilm.

Alkalisch etsen

Het doel van alkalisch etsen is het verwijderen van de PN-overgang aan de achterkant en randen om lekkage te voorkomen, en het creëren van een uniforme, schone achterkantmorfologie ter voorbereiding op achterpassivatie.

Er zijn twee hoofdbenaderingen. Secundair textureren is qua principe vergelijkbaar met het eerste textureren, maar het additief moet de reactiesnelheid tussen BSG en alkali verminderen. Alkalisch polijsten gebruikt hoge concentratie alkali en additieven om de alkali-siliciumreactie te versnellen, de anisotrope etskenmerken te verzwakken en een sterk reflecterende gepolijste morfologie te vormen. Het alkalische etsadditief beschermt de voorste BSG, verlaagt de reactiesnelheid met alkali om overetsen te voorkomen, houdt de BSG als masker voor latere stappen, verlaagt de oppervlaktespanning om waterstofbellen vrij te maken, verbetert de bevochtiging en verhoogt de nucleatiedichtheid.

4. Depositie en Coating

Deze fase deponeert de Tunneloxide (TOX), Poly-Si-laag en Masker. Depositie vindt voornamelijk plaats in vacuüm dampfase en kan worden onderverdeeld in Physical Vapor Deposition (PVD), Chemical Vapor Deposition (CVD) en Atomic Layer Deposition (ALD). PVD verdampt een materiaalbron tot atomen, moleculen of ionen en deponeert deze op het substraat onder lage druk; CVD genereert afzettingen via chemische reacties op het substraat; en ALD deponeert materiaal laag voor laag als enkele atoomlagen.

Tunneloxidelaag (TOX)

De tunneloxidelaag is gebaseerd op het kwantumtunneleffect, waarbij een ultradunne oxide (typisch 1-2 nm) als barrière wordt gebruikt. Tussen het n-type siliciumsubstraat en de gedoteerde poly-Si-laag zorgt het voor dragerselectief transport: elektronen (meerderheidsdragers) tunnelen door de oxide naar de poly-Si-laag, terwijl gaten (minderheidsdragers) een hogere barrièrehoogte (ongeveer 4,5-4,8 eV) ondervinden en worden geblokkeerd. Het creëert ook bandbuiging en veldeffectpassivering, waarbij het werkfunctieverschil tussen de gedoteerde poly-Si en het substraat de interface-energiebanden buigt en een elektrostatisch veld vormt dat meerderheidsdragers verhoogt en minderheidsdragers afstoot, waardoor de recombinatie aan het grensvlak verder wordt verminderd.

De oxide kan worden bereid door thermische oxidatie (compatibel met LPCVD) of door PECVD, PEALD en thermische oxidatie (compatibel met PECVD). Wat betreft filmdichtheid geeft PEALD de beste passivering, maar tegen hogere apparatuurkosten, terwijl thermische oxidatie en PECVD betere economie bieden. ALD geeft typisch ongeveer 0,7 nm, thermische oxidatie ongeveer 1,3 nm, en het tunnelmechanisme wordt over het algemeen bereikt bij diktes onder 1,6 nm. LPCVD is volwassener, met voordelen zoals eenvoudige controle en hoge filmkwaliteit, maar heeft de neiging om een omhullende gedoteerde poly-Si-laag aan de voorrand te vormen die moet worden gereinigd, en heeft een langzame filmsnelheid. PECVD poly-Si is een nieuwere technologie met snellere depositie, in-situ dotering en minder omhulling, maar de volwassenheid moet nog worden verbeterd en het kan last hebben van stof, hoog waterstofgehalte en belvorming tijdens hoge-temperatuur gloeien.

Poly-Si-laag

Polykristallijn silicium (Poly) bestaat uit talloze kleine siliciumkorrels, met korrelgroottes typisch van tientallen tot honderden nanometers en korrelgrenzen ertussen. De poly-Si-laag is meestal gedoteerd met fosfor om sterk gedoteerd n-type poly-Si te vormen, wat de geleidbaarheid verbetert, dragerselectief transport mogelijk maakt en een goed ohms contact met het substraat vormt.

Poly-Si bereiding omvat zowel depositie als dotering. Depositie gebruikt voornamelijk LPCVD of PECVD met een dikte van ongeveer 100-150nm; de amorfe film verandert van kristalliniteit tijdens het uitgloeien, waarbij het transformeert van een microkristallijn-amorfe gemengde fase naar polykristallijn en passivering activeert. Voor dotering deponeert LPCVD meestal eerst een intrinsieke poly-Si laag en voltooit dan fosfordotering via een diffusieoven of ionenimplantatie (ex-situ dotering), omdat dotering tijdens langzame LPCVD-depositie deze nog verder zou vertragen. PECVD heeft een hoger filmrendement en kan fosfordotering voltooien tijdens het coaten (in-situ dotering). LPCVD, de mainstream technologie voor poly-Si, werkt door thermische ontleding van silaan (SiH4) in siliciumatomen die een film vormen. Merk op dat dikkere poly-Si ernstiger FCA (parasitaire) verliezen en grotere kortsluitstroomverliezen veroorzaakt, en hogere fosfordotering verhoogt FCA-absorptie en stroomverlies.

Maskerlaag

De maskerlaag is meestal een SiO2-film van ongeveer 10nm dik, gegroeid na poly-Si-depositie om de achterstructuur te beschermen, voornamelijk om te voorkomen dat latere natte processen de poly-Si-laag etsen. Om ervoor te zorgen dat de achterstructuur niet wordt beschadigd in de tank-type natte apparatuur, wordt na het poly-proces een SiOx-masker (ongeveer 10nm) op het achteroppervlak gegroeid met behulp van silaan en lachgas (let op: silaan en zuurstof dragen explosierisico in niet-vacuümomgevingen).

De processtappen zijn: vacuüm voorverwarmen om de wafer op de vereiste temperatuur te brengen; pre-depositie van intrinsieke siliciumbron (alleen gas, geen RF, om de buis gelijkmatig te vullen en druk te stabiliseren); depositie van intrinsieke siliciumbron (RF aan, om een ongedoteerde film te deponeren die fosfor blokkeert en buffert van de gedoteerde poly); pre-depositie van gedoteerde siliciumbron (alleen gas); depositie van gedoteerde siliciumbron (RF aan, om een met fosfor gedoteerde poly-film te deponeren); oxidemaskervorming door PECVD SiOx; en N2/Ar spoelen om SiH4 en N2O uit de buis te duwen om verbranding bij het openen van de ovendeur te voorkomen.

5. Uitgloeien

Het doel van uitgloeien is om het door PECVD gegroeide amorfe silicium om te zetten in polykristallijn silicium, fosforatomen te activeren en de junctiediepte te vergroten, en gaatjes te vormen. Het proces introduceert BN2 (boornitride) en verwarmt langzaam tot 890-920°C, waarbij de BN2 bij hoge temperatuur wordt ingedreven om de fosforatomen in de poly-film te activeren en effectieve dotering te vormen.

Er is een relatie tussen uitgloeien en TOX: bij ongewijzigde tunneloxide leidt een hogere uitgloeitemperatuur tot meer pinholes en in-diffusie, lagere contactweerstand en verbeterde FF, terwijl nog steeds aan de passiveringsvereisten wordt voldaan; bij dezelfde uitgloeitemperatuur produceert een dikkere tunneloxide meer pinholes en in-diffusie en een hogere verzadigingsstroom.

6. PSG-verwijdering en RCA-reiniging

Tijdens PEALD-depositie van de n+-poly-Si-film vormt zich een lokale n+-poly-laag op de wafervoorkant, bedekt met een dunne masker (SiOx) film. Enkelzijdig HF verwijdert de SiOx, waarna een alkalisch bad de n+-poly-Si aan de voorkant verwijdert. De wafer gaat achtereenvolgens door de etstank, alkalische tank en reinigingstank voor chemische reacties voordat hij wordt gedroogd.

Het doel van RCA is het verwijderen van wrap-around plating en het uitvoeren van randetsen om randlekage te voorkomen, en het reinigen van de wafer door het verwijderen van voor- en achterkant BSG en het masker en het dehydrateren ter voorbereiding op de passiveringsfilms aan voor- en achterkant. Omdat poly polykristallijn silicium is, gebruikt wrap-around-verwijdering alkalisch polijsten met hoge concentratie alkali en additieven.

De RCA-additieven reinigen anorganische stoffen en restproducten om de oppervlaktebevochtiging te verbeteren, fungeren als reactiekatalysatoren om de binding van OH- met silicium te versnellen en de wrap-around- en randetsing te versnellen, en verminderen de alkali-etsnelheid van siliciumdioxide om de voorste BSG en achterste masker tegen overetsen te beschermen.

De processtappen zijn: inline HF om de PSG te verwijderen die na N2-uitgloeien op de voor- en randen is gevormd, terwijl de achterste PSG behouden blijft om de achterste poly te beschermen; alkalisch polijsten met NaOH en additief om overtollige voor- en randpoly te verwijderen; alkalisch wassen om resterende additieven en onzuiverheden te verwijderen; zuurreiniging om resterende alkali te neutraliseren en metaalionen te verwijderen; langzaam uittrekken met gedeïoniseerd water op kamertemperatuur met een robot om waterplekken te voorkomen; en drogen bij 90°C om restvloeistof op wafers en dragers te voorkomen.

7. ALD (Atomic Layer Deposition)

Atomaire laagdepositie brengt materiaal aan als enkele atomaire lagen op het substraat en wordt gekenmerkt door zijn zelflimiterende aard, wat de basis is van ALD. Via tijd- of ruimte-intervallen wordt het substraat afwisselend blootgesteld aan verschillende precursoren. Wanneer het substraat zich in de atmosfeer van precursor A bevindt, wordt A chemisch geadsorbeerd op het oppervlak tot verzadiging, waarna het stopt; bij blootstelling aan precursor B reageert B met het reeds geadsorbeerde A, waarbij bijproducten ontstaan totdat de eerste precursor volledig is verbruikt en de reactie automatisch stopt, waardoor de vereiste atomaire laag wordt gevormd. ALD herhaalt deze reactie om de gewenste film op te bouwen.

Op de achterkant van de wafer vermindert AlOx-passivering de recombinatiesnelheid aan het achteroppervlak. Aluminiumoxide draagt vaste negatieve ladingen die zich direct op het grensvlak tussen het aluminiumoxide en het siliciumoxide op het waferoppervlak bevinden; deze hoge dichtheid aan negatieve lading zorgt voor effectieve veldpassivering. Aluminiumoxide biedt ook uitstekende chemische passivering, waarbij de losse bindingen op het kristallijne siliciumoppervlak worden verzadigd en de dichtheid van grensvlaktoestanden wordt verminderd.

De processtappen zijn: pre-depositie (alleen gas, geen RF, vullen van de buis uniform en stabiliseren van de druk, kort gehouden om gasverspilling en veiligheidsrisico's te voorkomen); depositie (RF aan, met TMA dat plasma vormt dat reageert met het oppervlak om AlOx te vormen, daarna inert gas spoelen, herhaald voor 40 cycli); en Ar-spoelen om TMA en O2 uit de buis te duwen om verbranding van TMA bij het openen van de ovendeur te voorkomen.

8. Voor- en achterkant siliciumnitride (SiNx)

SiNx-coating dient verschillende doeleinden. Het beschermt het celoppervlak, aangezien siliciumnitride een zeer hoge sterkte heeft die tot 1200°C weerstaat, uitstekende chemische corrosiebestendigheid tegen bijna alle anorganische zuren en NaOH onder 30%, en is een hoogwaardige elektrische isolator. Het biedt antireflectie, met een optimale enkellaagse brekingsindex van 1,96 in lucht; verhoging van het siliciumgehalte versterkt de oppervlaktepassivering, en de literatuur rapporteert een oppervlakterecombinatiesnelheid onder 20 cm/s bij een brekingsindex van 2,3, met de beste bulkpassivering tussen 2,1 en 2,3. Het voorkomt ook oxidatie door zijn dichte structuur. TOPCon front-emitter passivering maakt voornamelijk gebruik van aluminiumoxide plus SiNx:H-film, terwijl achterpassivering voornamelijk poly-Si gebruikt.

Het SiNx-passiveringsmechanisme werkt op twee manieren. Chemische passivering vermindert de defectdichtheid op het grensvlak door het verminderen van onverzadigde bindingen, hetzij door het laten groeien van een oppervlaktelaag die atomen voldoende tijd en energie geeft om onverzadigde bindingen te verzadigen, hetzij door het deponeren van een waterstofrijke diëlektrische film en het vrijgeven van waterstof tijdens sinteren zodat het bindt met onverzadigde bindingen. Veld-effect passivering vermindert het aantal minderheidsdragers dat het oppervlak bereikt door een elektrisch veld nabij het oppervlak te genereren dat dragers van dezelfde polariteit afstoot, bereikt door het verlagen van de hoge oppervlaktedotering of het toevoegen van een diëlektrische laag met een hoge vaste lading.

De SiNx-processtappen zijn: pre-depositie (alleen gas, geen RF, vullen van de buis en stabiliseren van de druk); depositie 1-2-3 (RF aan, introductie van SiH4 en NH3 om drie SiNx-lagen te vormen met een geleidelijk afnemende Si-N-verhouding, aangezien een hogere Si-N-verhouding een hogere brekingsindex geeft); depositie 4 (RF aan, SiH4, O2 en NH3 vormen een SiONx-laag); depositie 5 (RF aan, SiH4 en O2 vormen een SiO2-laag); en N2-spoelen van de leidingen en buis om reactief gas te verwijderen en SiH4-explosie bij het openen van de ovendeur te voorkomen.

9. Zeefdruk (Metallisatie)

Nadat textureren, diffusie en coating de PN-overgang en passivering hebben voltooid, kan de cel stroom genereren onder licht. Om deze stroom te extraheren en te verzamelen, worden voor- en achterelektroden op het celoppervlak geprint, meestal via zeefdruk, drogen en sinteren.

Het zeefdruksysteem bestaat uit vijf elementen: rakel, inkt (pasta), zeef, substraat (wafer) en printplatform. Geschikte pasta-afdrukprestaties (viscositeit, schuifverdunnend vermogen) zijn de voorwaarde voor grootschalig massaprinten, en de zeefmaaswijdte, draaddiameter en ontworpen lijnbreedte bepalen grotendeels de geprinte morfologie. In bedrijf gaat pasta door de patroonopeningen van de zeef, en een rakel oefent druk uit terwijl deze over de zeef beweegt, waarbij pasta uit de patroonopeningen op de wafer wordt gedrukt. De viscositeit van de pasta houdt deze binnen het bereik, en de rakel behoudt lineair contact met de zeef en het substraat, waarbij de contactlijn met de rakel meebeweegt om de printslag te voltooien.

De pasta moet uitstekende printbaarheid bieden voor massaproductie, goed ohms contact met de emitter voor lage contactweerstand en hogere FF, minimale schade aan de emitter om metallisatie-geïnduceerd Voc-verlies te beperken, en de laagst mogelijke bulkweerstand om stroomverlies te verminderen. De processtappen zijn: drogen om organische stoffen in de pasta te verdampen; voorsinteren om het glasfrit te smelten, zilverdeeltjes op te lossen en de passivatielaag te openen; sinteren om meer metaal in het glas op te lossen en het samen te binden; en afkoelen zodat het in het glas opgeloste metaal op het oppervlak neerslaat, waardoor ohms contact tussen metaal en halfgeleider ontstaat.

Conclusie

Het TOPCon-productieproces is een precieze reeks van textureren, doteren, passiveren, deponeren, uitgloeien en metalliseren, elk ontworpen om de dragerselectiviteit te maximaliseren en recombinatie te minimaliseren voor een hogere conversie-efficiëntie.

ooitech's visie: ooitech gelooft dat de hoge efficiëntie van TOPCon voortkomt uit de synergie van tunneloxide en gepassiveerd contacttechnologie, waarbij elke reinigings-, depositie- en uitgloeistap samenwerkt om de grenzen van dragerselectiviteit en oppervlaktepassivatie te verleggen.