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產(chǎn)品與技術(shù)
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關(guān)于鈞達(dá)
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一文讀懂“激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化技術(shù)”（LECO）中的當(dāng)前路徑和溫度分布
Published:
2023-11-01 00:00
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摘要
我們介紹了二極管網(wǎng)絡(luò)模擬的結(jié)果，在“激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化”（LECO）過(guò)程中對(duì)電流路徑和電流密度進(jìn)行建模。我們對(duì)接觸界面進(jìn)行建模，假設(shè)圓形接觸開口以面積密度、特定接觸電阻率和接觸半徑為特征。模擬結(jié)果表明，電流密度隨著接觸半徑的增加而減少，但對(duì)小接觸半徑的最大值飽和。電流密度以幾個(gè)MA/cm2的順序排列，具體取決于應(yīng)用的端子電壓。在第二部分中，介紹了一個(gè)傳熱模型，該模型使用計(jì)算出的電流密度作為輸入，并返回溫度分布作為空間和時(shí)間的函數(shù)。該模型的結(jié)果表明，在接觸區(qū)可以達(dá)到較高的局部溫度（高于100°C，達(dá)到8000°C），而表面溫度不會(huì)顯著上升（高于室溫低于20 K）。此外，結(jié)果表明，對(duì)于非常小的接觸半徑，局部溫度很低，然后以約50納米的順序增長(zhǎng)到接觸半徑的最大值，然后由于大接觸半徑的電流密度下降而再次下降。然而，結(jié)果表明，如果接觸區(qū)域與銀或硅體熱接觸，溫度會(huì)遠(yuǎn)低于硅熔點(diǎn)。只有假設(shè)接觸區(qū)域被低導(dǎo)熱材料（例如玻璃層）包圍時(shí)，模型才會(huì)指示溫度高于硅熔點(diǎn)。從這些發(fā)現(xiàn)中，我們得出了一個(gè)描述性假設(shè)，該假設(shè)可以被視為文獻(xiàn)中已知的“當(dāng)前被解雇的聯(lián)系人”假設(shè)的延伸。我們認(rèn)為，LECO處理前的接觸需要滿足某些激活標(biāo)準(zhǔn)（接觸大小和隔熱環(huán)境），才能通過(guò)LECO工藝“激活”。如果被激活，觸點(diǎn)（如文獻(xiàn)所述）作為半球體進(jìn)入材料，并且由于電流密度下降而停止生長(zhǎng)，因此如果觸點(diǎn)達(dá)到一定尺寸，溫度會(huì)下降。我們的計(jì)算表明，這個(gè)尺寸是按照典型結(jié)深度（~300納米）的順序排列的。如果用LECO過(guò)度處理PERC電池，這些電池與磷發(fā)射體的分流阻力降低的觀察結(jié)果是一致的。
導(dǎo)言
“激光增強(qiáng)接觸優(yōu)化”（LECO）流程于2019年首次推出[1]。LECO改善了用絲網(wǎng)印刷銀漿金屬化太陽(yáng)能電池的金屬半導(dǎo)體接觸。在此過(guò)程中，激光掃描電池正面，局部導(dǎo)致非常高的電荷載體注入。同時(shí)，對(duì)電池的觸點(diǎn)施加負(fù)偏置電壓。高注入和負(fù)偏差通過(guò)接觸界面導(dǎo)致高電流密度，這導(dǎo)致了接觸的形成。該過(guò)程的示意圖如圖1所示。
LECO允許接觸低摻雜的發(fā)射器[3]，它允許使用LECO特定漿料[4]，并允許在PERC加工線中應(yīng)用較低的燃燒溫度[5]。加工鏈中的這些額外自由度被證明會(huì)導(dǎo)致PERC太陽(yáng)能電池的效率提高潛力約為0.3%abs.至0.4%abs。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們最近可以證明iTOPCon太陽(yáng)能電池的效率提升潛力甚至更高（0.6%abs）[6]，并且（令人驚訝的是）我們觀察到LECO還改善了具有鍍層觸點(diǎn)的電池的效率潛力[7]。盡管該過(guò)程潛力巨大，但LECO過(guò)程觸發(fā)的接觸形成機(jī)制尚未被完全理解。在引入LECO之前，各種工程試圖描述Ag-Si觸點(diǎn)的形成[8-11]，指出電流可能“直接”從硅流向銀體，或者“間接”通過(guò)隧道穿過(guò)玻璃內(nèi)部的Ag沉淀物上的薄殘留玻璃屏障。關(guān)于LECO在接觸形成中的作用，在最近關(guān)于太陽(yáng)能電池金屬化的一本書中可以找到一個(gè)小段落（[12]第6.1.7節(jié)），其中指出，根據(jù)參考文獻(xiàn)，LECO激發(fā)提供了還原Ag+離子所需的必要電子，這是接觸形成所必需的。[13]。與此相反，Großer等人[14]提出了一個(gè)描述性模型（“當(dāng)前發(fā)射接觸（CFC）模型”），指出通過(guò)接觸界面的高電流密度會(huì)導(dǎo)致高溫，這些高溫導(dǎo)致銀和硅之間的相互擴(kuò)散。冷卻后，留下由銀和硅混合相組成的大表面的半球形觸點(diǎn)（CFC）。然后，這些氟氯化碳在Ag-Si接口上具有良好的整體接觸。
在這項(xiàng)工作中，我們?cè)噲D通過(guò)對(duì)二極管網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程情況進(jìn)行建模，更定量地了解LECO過(guò)程中的電流路徑和電流密度。計(jì)算出的電流密度用作返回溫度分布的傳熱模型的輸入。我們調(diào)查溫度是否以及在哪些條件下變得足夠高，以支持氟氯化碳的假設(shè)?；诮＝Y(jié)果，我們擴(kuò)展了CFC假設(shè)和名稱要求，這些要求必須在LECO過(guò)程之前由接觸結(jié)構(gòu)來(lái)滿足，我們提出解釋為什么接觸的增長(zhǎng)會(huì)在某些接觸半徑停止。
DIODE網(wǎng)絡(luò)模擬
模擬設(shè)置
正如[15]所總結(jié)的那樣，許多作者都采用了電路網(wǎng)絡(luò)模擬對(duì)光伏設(shè)備的描述。與典型的太陽(yáng)能電池工作條件（強(qiáng)度約為1太陽(yáng)的均勻照明，正向電壓在0 mV至750 mV之間）相反，LECO過(guò)程中的條件從根本上不同。這里應(yīng)用了短的局部照明，局部強(qiáng)度約為3 Megasuns，反向偏置高達(dá)-25 V。為了計(jì)算通過(guò)太陽(yáng)能電池相關(guān)段的當(dāng)前路徑（如圖1（右）所示），我們用圖2所示的二極管網(wǎng)絡(luò)表示該段。電路網(wǎng)絡(luò)中的電壓和電流密度是使用基爾霍夫的電路定律計(jì)算的。在實(shí)踐中，我們使用免費(fèi)軟件LTspice XVII[16]的求解器。
作為模型的輸入，給出了表示光照誘導(dǎo)產(chǎn)生電流的產(chǎn)生輪廓jgen(，y)。Jgen(x，y)被認(rèn)為是位置的函數(shù)，因?yàn)榧す庹樟亮水a(chǎn)生電流密度最高的某個(gè)光斑(xo，yo)。在此點(diǎn)之后，igen(X，v)被假定為具有特征寬度o的特定形狀衰變。因此，產(chǎn)生剖面完全由總的產(chǎn)生電流iGen、光斑位置到金屬手指D.F的距離以及激光光斑o的特定寬度來(lái)描述。二極管的正面由歐姆電阻Rsheet連接，Rsheet表示電池的發(fā)射極薄層電阻。二極管本身的特點(diǎn)是暗飽和電流密度io和理想值為1。假設(shè)銀指的金屬是一個(gè)等電位區(qū)，它通過(guò)接觸電阻連接到金屬下面的二極管。金屬半導(dǎo)體界面由一個(gè)區(qū)域來(lái)描述，該區(qū)域在主體部分是不導(dǎo)電的，但在某些接觸開口處是導(dǎo)電的。這些接觸開口的特征在于該區(qū)域內(nèi)的密度CCO，半徑RCO和特定的電阻率帕司。片電阻假定為400/平方。對(duì)于太陽(yáng)能電池發(fā)射器來(lái)說(shuō)，這似乎是不典型的低。然而，這種選擇的薄層電阻允許匹配的模擬終端電流與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的終端電流。我們認(rèn)為，在此過(guò)程中的薄層電阻是-在正常的大陽(yáng)能電池操作相反-不確定的發(fā)射極的摻雜密度，而是由注入的載流子本身，這是一個(gè)參數(shù)支持選擇較低的薄層電阻的二極管的暗飽和電流密度被假定為100 fA/cm2代表一個(gè)典型的太陽(yáng)能電池值。接觸半徑在1nm和500 nm之間的間隔中變化。這是相當(dāng)困難的假設(shè)，對(duì)“真實(shí)的接觸半徑在絲網(wǎng)印刷硅銀界面的復(fù)雜景觀。然而，給定的間隔似乎代表了可能的接觸半徑的合理選擇，可以從文獻(xiàn)[8.14,17，18]中接觸界面的SEM圖像來(lái)判斷。接觸密度CCo的值在[14]作為硅銀界面上接觸密度的粗略估計(jì)。觀察頂視圖SEM圖像(本文未顯示)，我們可以確認(rèn)密度值大致在10°cm2和107cm2之間，支持在[14].在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了不同的數(shù)值，銀和硅頁(yè)-Si之間的直接接觸電阻大致分配在10-60cm 2。中給出了一個(gè)概述[19.肖特基接觸熱電子發(fā)射和場(chǎng)發(fā)射的理論表達(dá)式[20]對(duì)于依賴于表面摻雜濃度的比接觸電阻，也產(chǎn)生約10-60cm 2的典型值。雖然描述這些接觸的數(shù)值是基于粗略的估計(jì)，但我們?cè)谶@項(xiàng)工作中觀察到的有關(guān)趨勢(shì)可以用表1中給出的輸入?yún)?shù)作為“典型”情景的描述。表1列出了這項(xiàng)工作中用于建模的輸入?yún)?shù)清單。
二極管網(wǎng)絡(luò)模擬和討論的結(jié)果
從二極管網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來(lái)看，可以得出關(guān)于通過(guò)金屬半導(dǎo)體界面可以實(shí)現(xiàn)的最大電流密度Jm ax的上限的個(gè)基本結(jié)論。實(shí)際上，Jm ax只依賴于端電壓Vterm和銀與硅之間的電阻率。-Si和作為經(jīng)驗(yàn)法則可以用下面的表達(dá)式給出:
從一開始，這可能并不是完全直觀的，但很明顯，如果這個(gè)表達(dá)式被認(rèn)為是歐姆定律，在命名子中有一個(gè)電壓下降，在分母中有一個(gè)電陽(yáng)率。電壓降在圖2所示的兩個(gè)點(diǎn)之間。現(xiàn)在的關(guān)鍵思想是，伏前/暗不能大于1V。這是因?yàn)槎O管的特性。如果個(gè)硅二極管被照亮一個(gè)太陽(yáng)，我們習(xí)慣于VC值在700 mV左右。在LECO過(guò)程中，有幾個(gè)大力神的局部照明。這可能會(huì)提高局部電壓值慢慢接近一伏，但除非照明變得荒謬地高，局部電壓不會(huì)增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一伏。因此，方程(1)為通過(guò)接觸界面的電流密度的上限提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則，并使我們能夠迅速估計(jì)出我們正在處理的電流密度的數(shù)量級(jí)為幾個(gè)MA/cm2。(取決于端子電壓)如果我們假定直接電阻率Pag-Si為10-60·cm 2。
使用上述模擬設(shè)置，我們計(jì)算通過(guò)接觸界面的電流密度為不同的接觸半徑和不同的端子電壓。結(jié)果如圖3所示。
我們觀察到，電流密度隨著終端電壓的增加而增加，這是意料之中的。由于電流必須通過(guò)的區(qū)域減少，電流密度隨著接觸半徑的減少而增加。但最終，電流密度飽和了非常小的接觸半徑，接近方程（1）給出的飽和值。圖3中顯示的結(jié)果用作以下討論的傳熱模型的輸入值。
傳熱模型
仿真設(shè)置
為了計(jì)算LECO過(guò)程中接觸界面出現(xiàn)的局部溫度，我們建立了一個(gè)傳熱模型。在那里，設(shè)備的一部分由圖4（右）中可視化的幾何圖形表示。假設(shè)一個(gè)200x200x200 μm3的硅立方體位于銀塊（橫截面25x25 μm2）下方。假設(shè)材料之間有500納米高度的玻璃層。在玻璃層中，我們假設(shè)一個(gè)5x5觸點(diǎn)陣列。接觸半徑從1納米到500納米不等。我們現(xiàn)在模擬兩個(gè)不同的接觸場(chǎng)景。第一個(gè)（“直接接觸場(chǎng)景”見圖4（左））假設(shè)銀和硅之間有直接導(dǎo)電路徑和熱接觸。第二個(gè)（“絕緣接觸場(chǎng)景”圖4（中間））假設(shè)該接觸通過(guò)殘留玻璃層與銀和硅塊部分熱分離。
傳熱模型假設(shè)焦耳熱根據(jù)表達(dá)式在接觸區(qū)域消散：
這里的量ic contact是流經(jīng)觸點(diǎn)的電流密度，由上一節(jié)中解釋的電路網(wǎng)絡(luò)計(jì)算確定。我們用熱導(dǎo)率硅銀玻璃，130瓦寬，429瓦寬，1.38瓦寬 以及熱容Cp;si，Agglass=703，235 kkK，700-分別用于硅，銀和玻璃。這些輸入允許求解熱方程和計(jì)算溫度分布T (x,t)作為空間和時(shí)間的函數(shù)。在實(shí)踐中，我們使用商用軟件Comsol Multiphysics進(jìn)行計(jì)算。
傳熱模型和討論的結(jié)果
圖5（中）顯示了圖5左側(cè)所示的平面區(qū)域的熱圖。熱圖是通過(guò)假設(shè)“直接接觸場(chǎng)景”獲得的。圖5的右側(cè)顯示了接觸點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度變化。
從模擬熱圖中可以得出兩個(gè)基本發(fā)現(xiàn)。也就是說(shuō)，高溫只出現(xiàn)在電流實(shí)際流經(jīng)的接觸區(qū)域的附近。已經(jīng)靠近接觸區(qū)，溫度下降到室溫左右的值。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)在LECO過(guò)程中用熱照相機(jī)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池獲得的。熱相機(jī)圖像如圖6所示，適用于不同的LECO設(shè)置（終端電壓和激光功率）。據(jù)觀察，電池的表面溫度不會(huì)超過(guò)室溫明顯升高。其次，時(shí)間演化表明，觸點(diǎn)的升溫在電流密度“打開”后立即發(fā)生，觸點(diǎn)在“關(guān)閉”電流后立即冷卻。在這里，5 μs代表激光在LECO過(guò)程中“留在”一個(gè)位置的典型時(shí)間。這次進(jìn)化支持了CFC理論，該理論闡述了觸點(diǎn)的“快速冷卻”。
使用模擬電流密度作為“直接接觸場(chǎng)景”和“熱絕緣接觸場(chǎng)景”的輸入，我們計(jì)算了不同接觸半徑和不同端子電壓的接觸點(diǎn)的最高溫度。結(jié)果如圖7所示。
首先，在這兩種情況下都可以觀察到，小接觸半徑的溫度在開始時(shí)會(huì)升高，最高可達(dá)50納米左右。這是因?yàn)?盡管小觸點(diǎn)的電流密度很高-但觸點(diǎn)體積中沒(méi)有足夠的熱量沉積。進(jìn)一步增加接觸半徑，我們觀察到溫度因電流密度下降而下降，接觸半徑增加。其次，我們觀察到，在“直接接觸場(chǎng)景”中，局部溫度保持在硅和銀的共晶溫度（~835°C [21]）以下，遠(yuǎn)低于硅熔點(diǎn)（~1410°C），即使對(duì)于相當(dāng)強(qiáng)的LECO參數(shù)也是如此。
這是因?yàn)闊釋?dǎo)體（銀和硅）很快將熱量“帶走”。相比之下，在“熱絕緣接觸場(chǎng)景”中，溫度達(dá)到高于硅熔點(diǎn)的值。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)讓我們得出一個(gè)假設(shè)，即LECO之前的聯(lián)系人需要滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，才能被LECO“激活”，并開始成長(zhǎng)為當(dāng)前解雇的聯(lián)系人：
觸點(diǎn)需要部分隔熱，才能達(dá)到硅熔點(diǎn)以上的溫度
觸點(diǎn)在LECO工藝之前需要有一定的尺寸，以便產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)達(dá)到硅熔點(diǎn)
圖8顯示了一張示意圖，該圖應(yīng)顯示LECO之前和之后可能接觸景觀的印象。
當(dāng)觸點(diǎn)變大時(shí)，電流密度和溫度降低。最終，溫度下降到銀硅合金共晶點(diǎn)以下，如圖7所示(右)。我們相信，在這種接觸規(guī)模，接觸將停止增長(zhǎng)。最有趣的是，根據(jù)LECO電壓，圖7所示的接觸尺寸在200到400 nm之間。這是典型的PERC電池與磷發(fā)射器的連接深度。在我們實(shí)驗(yàn)室最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中(未在本工作中展示)，我們發(fā)現(xiàn)與深結(jié)的PERC電池相比，淺層連接的PERC電池對(duì)LECO過(guò)度處理更敏感。因此，這些發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)觀察到的行為是一致的。最后，應(yīng)該指出，本工作中顯示的絕對(duì)電流密度和溫度值是基于對(duì)接觸界面導(dǎo)電行為的非常粗略的假設(shè)。如果改變一個(gè)參數(shù)(例如，直接電陽(yáng)率Pag-si)，我們就會(huì)得到不同的數(shù)字。然而，我們觀察到的潛在趨勢(shì)將保持不變，因此模擬結(jié)果揭示了對(duì)LECO過(guò)程中所發(fā)生的事情的有價(jià)值的洞察。
結(jié)論
通過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)模擬，我們發(fā)現(xiàn)在LECO過(guò)程中，通過(guò)接觸界面的電流密度為幾個(gè)MA/cm2。我們導(dǎo)出了在LECO過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大電流密度的一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則(方程(1)。發(fā)現(xiàn)電流密度隨接觸半徑的增大而減小。使用傳熱模型。我們觀察到接觸點(diǎn)局部升溫很強(qiáng)(達(dá)到100°C到8000C之間)，但溫度下降到接近這些點(diǎn)，從而解釋了在熱照相機(jī)觀察到的過(guò)程中表面溫度較低的原因。從溫度隨時(shí)間的變化來(lái)看，我們可以說(shuō)觸點(diǎn)是瞬間升溫和冷卻的(在一個(gè)相對(duì)于有效LECO時(shí)間5us可以忽略不計(jì)的時(shí)間內(nèi))，我們還觀察到觸點(diǎn)必須對(duì)硅和銀的良好導(dǎo)熱量進(jìn)行隔熱，才能達(dá)到硅熔點(diǎn)以上的溫度。如果接觸半徑增大，我們觀察到溫度下降。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們得出了一個(gè)假設(shè)，即在LECO工藝之前，觸點(diǎn)必須滿足活化標(biāo)準(zhǔn)(尺寸和保溫)，如果生長(zhǎng)相關(guān)的溫度下降導(dǎo)致Si-Ag合金共晶溫度以下，則觸點(diǎn)停止生長(zhǎng)。計(jì)算得到的接觸尺寸在典型的磷發(fā)射極結(jié)深(~300 nm)范圍內(nèi)，與不同發(fā)射極深度太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
