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n-TOPCon 電池 B 摻雜影響

Published:

2023-11-02 00:00

Source:

/ n-TOPCon 電池 B 摻雜影響 /

整理時間：2023-02-13 13:14
來源：Impact of boron doping on electrical performance and efficiency of n-TOPCon solar cell, [https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.075]
關(guān)鍵詞：B擴散，結(jié)深，峰值濃度，鈍化影響，接觸電阻率

問題

B擴摻雜曲線對n-TOPCon電池影響

I-V參數(shù): Voc/FF/Rser/Jsc
峰值濃度 peak concentration
結(jié)深 junction depth
飽和電流密度
接觸電阻率

關(guān)鍵結(jié)論

飽和暗電流影響

隨著結(jié)深和峰值濃度的增大，鈍化區(qū) 變大。原因是表面復(fù)合及體復(fù)合加劇
降低鈍化區(qū)飽和電流密度，方向是低表面濃度+淺結(jié)
結(jié)深0.5~0.85 μm范圍內(nèi)，隨著結(jié)深增加，峰值濃度增大，金半接觸區(qū) 變小。可用“傳輸受限發(fā)射極”（對體復(fù)合不敏感）概念解釋：發(fā)射區(qū)重摻區(qū)域空穴濃度非常高，空穴壽命較低，因此空穴復(fù)合速率也較低。提升摻雜濃度，可降低金半接觸區(qū)飽和暗電流密度。結(jié)深大于1.0 μm時，金半接觸區(qū)飽和電流密度反而變大，主要是體復(fù)合加劇影響。
降低金半接觸區(qū)飽和暗電流，可以提高重摻區(qū)提高摻雜濃度和適當?shù)慕Y(jié)深~0.8um
SE技術(shù)綜合輕擴區(qū)（鈍化區(qū)）和重擴區(qū)（金半接觸區(qū)域）優(yōu)勢
Ag/Al漿腐蝕深度 0.45~0.63 μm，比耗盡區(qū)寬度高5倍以上，可不考率耗盡區(qū)對接觸電阻的影響
B摻雜濃度大于以上時，會顯著增加金半接觸區(qū)復(fù)合。表明在深度0.63 μm處B摻雜濃度臨界點要低于E+18量級

接觸電阻率

隨著峰值摻雜濃度增加，結(jié)深增加，接觸電阻率減小
結(jié)深不變，可通過提升摻雜濃度，接觸電阻率可由4.5降至1.1 mΩ/cm²
摻雜峰值濃度不變，可通過提高結(jié)深，將接觸電阻率降至1.1 mΩ/cm²

iVoc影響

QSSPC方式，取值1E15 cm-3過剩載流子濃度，1-sun光照條件下iVoc值
結(jié)深相同，隨著峰值濃度的增加，iVoc降低
峰值摻雜濃度相同，隨著結(jié)深的增加，iVoc降低
相比峰值摻雜濃度，結(jié)深對iVoc影響更大，絨面片雙面硼擴+AlOx/SiNx鈍化，iVoc可達到710+ mV

討論

文獻報道，n+ poly-Si發(fā)射極最低復(fù)合電流密度：

鈍化層之下， ~ 1.4 fA/cm²，拋光片
金半接觸區(qū)， ~ 35 fA/cm²

文獻報道，n+ poly-Si發(fā)射極最低復(fù)合電流密度：

B摻雜p+層發(fā)射區(qū)復(fù)合:

非金半接觸區(qū)：可降低至 11 fA/cm2 150Ω/sqr
Ag-Al柵接觸區(qū)優(yōu)化前高達 1000 fA/cm2，優(yōu)化后可將至 ~300fA/cm2

B摻雜發(fā)射極制備方法：

BBr3/BCl3管式擴散
硼酸Boric acid擴散
B離子注入

目標：降低發(fā)射極飽和暗電流密度，提升iVoc。實現(xiàn)方式：

前表面B擴發(fā)射極p+層，低表面濃度+淺結(jié)
金半接觸電阻率要足夠低，保證接觸性能
Ag/Al漿特性，金半接觸區(qū)域高復(fù)合如何優(yōu)化？
- 深結(jié)摻雜降低金半接觸區(qū)域復(fù)合損失
- 高表面濃度-->低接觸電阻率

前人文獻總結(jié)：

Al2O3介質(zhì)膜帶固定負電荷，對B擴發(fā)射極有很好的鈍化效果
濕化學(xué)處理后SE方式，可提升Jsc ~0.3 mA/cm2
APCVD方式SE，Jsc提升0.4 mA/cm2，效率提升0.4%（abs）
雙面擴散后，硅片少子壽命可提升至1.2~1.5 ms
漿料中添加Te可改善低接觸電阻率實現(xiàn)溫度區(qū)間
BCl3可用于B擴發(fā)射極的擴散實現(xiàn)
較低的峰值摻雜濃度，可能會使金半接觸區(qū)域的飽和電流密度變大，接觸電阻率升高
激光摻雜可實現(xiàn)B擴SE
ALD Al2O3/PECVD SiNx對B擴發(fā)射極可實現(xiàn)良好鈍化效果
BBr3擴散過程原位氧化，可提升鈍化效果
用鋁Al漿取代Ag-Al漿，可獲得更高的iVoc和更低的
AlOx capping層厚度對B擴發(fā)射極鈍化效果有影響
Ag/Al柵線下金半接觸區(qū)復(fù)合，低B摻雜發(fā)射極復(fù)合更嚴重
B RVD方式摻雜
B擴發(fā)射極深結(jié)可有效降低金半接觸區(qū)域復(fù)合
BSG厚度、B擴方阻受O2流量影響
推進溫度、氧化溫度是B擴最敏感的兩個影響因素
摻雜濃度低于時，作為電流傳輸機制，需要考慮熱聲子發(fā)射及熱聲子場發(fā)射效應(yīng)
結(jié)深越深，接觸電阻率越低
耗散區(qū)對接觸電阻率的影響可以忽略
B摻雜過程中的表面污染會限制效率
B在SiOx中的溶解度高于在晶硅c-Si中的溶解度

B擴發(fā)射極鈍化后飽和暗電流密度

隨著結(jié)深和峰值濃度的增大，鈍化區(qū) 變大。原因是表面復(fù)合及體復(fù)合加劇
降低鈍化區(qū)飽和電流密度，方向是低表面濃度+淺結(jié)
結(jié)深0.5~0.85 μm范圍內(nèi)，隨著結(jié)深增加，峰值濃度增大，金半接觸區(qū) 變小?？捎?ldquo;傳輸受限發(fā)射極”（對體復(fù)合不敏感）概念解釋：發(fā)射區(qū)重摻區(qū)域空穴濃度非常高，空穴壽命較低，因此空穴復(fù)合速率也較低。提升摻雜濃度，可降低金半接觸區(qū)飽和暗電流密度。結(jié)深大于1.0 μm時，金半接觸區(qū)飽和電流密度反而變大，主要是體復(fù)合加劇影響。
降低金半接觸區(qū)飽和暗電流，可以提高重摻區(qū)提高摻雜濃度和適當?shù)慕Y(jié)深~0.8um
SE技術(shù)綜合輕擴區(qū)（鈍化區(qū)）和重擴區(qū)（金半接觸區(qū)域）優(yōu)勢

Fig. 2. ECV profiles of the change in the peak concentrations under one constant junction depth (a) Emitter D1 (d1≈0.5 μm), (b) Emitter D2 (d2≈0.63 μm), (c) Emitter D3 (d3≈0.8 μm); the change in junction depths under one constant peak concentration (d) Emitter N1(N1≈3E19 atoms/cm3 ) and (e) Emitter N2 (N2≈ 2.6E19 atoms/cm3 ).

Fig. 3. Emitter dark saturation current densities in the passivated regions of (a) emitter D1, (b) emitter D2, (c) emitter D3, (d) emitter N1 and (e) emitter N2. And (f)the J0e, passivated as a function of the junction depth and the peak concentration of B-doped profile.

Fig. 4. The photograph of the screen-printing pattern of the sample with different metallization fraction from 2% to 8% (a) and Photoluminescence (PL) image (b) of the symmetrical samples were boron-diffused and passivated by Al2O3/SiNx films with our different metallization fractions on the front side. The metal was etched away before the PL measurement. The numbers in percentage indicate the metallization fractions.

Fig. 5. The plots of emitter dark saturation current densities in the passivation on the contact regions of (a) emitter D1, (b) emitter D2, (c) emitter D3, (d) emitter N1, (e) emitter N2 and (f) the 3D-plot of J0e, metal as a function of the junction depth and the peak concentration of B-doped profile.

金半接觸界面微結(jié)構(gòu)

Ag/Al漿腐蝕深度 0.45~0.63 μm，比耗盡區(qū)寬度高5倍以上，可不考率耗盡區(qū)對接觸電阻的影響
B摻雜濃度大于以上時，會顯著增加金半接觸區(qū)復(fù)合。表明在深度0.63 μm處B摻雜濃度臨界點要低于E18量級

Fig. 6. (a) Scanning electron microscopy (SEM) image of emitter D3 sample (1.94 × 1019 atoms/cm3 ) surface after etching away the Ag–Al contact, the glass layer, the passivation layer, and all spikes. Remaining spikes imprints in red circles; (b)/(c) SEM cross section of contact spot. The shape of a corroded pyramid can be clearly seen.

接觸電阻

隨著峰值摻雜濃度增加，結(jié)深增加，接觸電阻率減小
結(jié)深不變，可通過提升摻雜濃度，接觸電阻率可由4.5降至1.1 mΩ/cm2
摻雜峰值濃度不變，可通過提高結(jié)深，將接觸電阻率降至1.1 mΩ/cm2

Precursor iVoc

QSSPC方式，取值1E15 cm-3過剩載流子濃度，1-sun光照條件下iVoc值
結(jié)深相同，隨著峰值濃度的增加，iVoc降低
峰值摻雜濃度相同，隨著結(jié)深的增加，iVoc降低
相比峰值摻雜濃度，結(jié)深對iVoc影響更大

Fig. 8. iVoc and Lifetime of the precursor structure wafers obtained from (a) emitter D1, (b) emitter D2, (c) emitter D3, (d) emitter N1 and (e) emitter N2.

I-V參數(shù)影響

B摻雜曲線可以調(diào)整實際Voc與iVoc之間的差異，差異為柵線接觸影響
結(jié)深對Voc的影響大于峰值摻雜濃度影響
飽和電流密度

Fig. S1 Measured total J0 vs. the metallization fraction f of the symmetrically the p+np+ samples for the extraction of J0 at the contact regions.

失效分析

Yablonovitch極限電流密度 46.43 mA/cm2

三種電流損失

藍光損失
基體收集損失
不均勻?qū)е碌膿p失，硅片片內(nèi)質(zhì)量不均勻?qū)е碌碾娏鲹p失
復(fù)合導(dǎo)致的電流損失
- 發(fā)射區(qū)和基區(qū)擴散長度不足
- 受峰值摻雜濃度和結(jié)深影響
- NIR寄生吸収損失，繞鍍影響
結(jié)深越深，藍光損失越高

Fig. 10. The curve for internal quantum efficiency (IQE) and the dashed line curve for optical reflection for (a) emitter D1, (b) emitter D2, (c) emitter D3, (d) emitter N1 and (e) emitter N2.