第51卷第3期2022年3月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.51㊀No.3March,2022
超薄多晶硅的掺杂、钝化及光伏特性研究
宋志成1,2，杨㊀露2，张春福1，刘大伟2，倪玉凤2，张㊀婷2，魏凯峰2
(1.西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安㊀710071;2.青海黄河上游水电开发有限责任公司西安太阳能电力分公司，西安㊀710000)
摘要：本文对70nm 超薄多晶硅的掺杂工艺㊁钝化性能及光伏特性进行了研究㊂确定了70nm 超薄多晶硅的掺杂工艺，研究表明当离子注入剂量为3.2ˑ1015cm -3，在855ħ退火20min 时,70nm 超薄多晶硅的钝化性能可以达到与常规120nm 多晶硅相当的水平，且70nm 多晶硅的表面掺杂浓度达到5.6ˑ1020atoms /cm 3，远高于120nm 掺杂多晶硅的表面掺杂浓度(2.5ˑ1020atoms /cm 3)㊂基于70nm 超薄多晶硅厚度减薄和高表面浓度掺杂的特点，较低的寄生吸收和强场钝化效应使得在大尺寸(6英寸)直拉单晶硅片上加工的N 型TOPCon 太阳能电池的光电转换效率得到明显提升，主要电性能参数表现为：电流I sc 升高20mA，串联电阻R s 降低，填充因子FF 增加0.3%，光电转换效率升高0.13%㊂关键词:TOPCon 太阳能电池；多晶硅；掺杂；离子注入；钝化接触；寄生吸收；光电转换效率
中图分类号:TM914.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2022)03-0434-07Doping ,Passivation and Photovoltaic Properties of Ultra-Thin Poly-Silicon SONG Zhicheng 1,2,YANG Lu 2,ZHANG Chunfu 1,LIU Dawei 2,NI Yufeng 2,ZHANG Ting 2,WEI Kaifeng 2
(1.Key Laboratory of Wide Bandgap Semiconductor Materials and Devices,Ministry of Education,School of Microelectronics,Xidian University,Xi an 710071,China;2.Xi an Solar Power Branch of Qinghai Huanghe Hydropower Development Co.,Ltd.,Xi an 710000,China)
Abstract :The doping process,passivation and photovoltaic properties of 70nm ultra-thin poly-silicon were studied in this paper.The optimal doping process for 70nm ultra-thin poly-silicon was identified,the results show that when the ion implantation do is 3.2ˑ1015cm -3and annealed at 855ħfor 20min,the passivation properties of 70nm ultra-thin poly-silicon is comparable to that of conventional 120nm poly-silicon,and the surface doping concentration value of 5.6ˑ1020atoms /cm 3for 70nm ultra-thin poly-silicon is achieved,which is much higher than that of 120nm doped poly-silicon (2.5ˑ1020atoms /cm 3).Bad on the characteristic of reduced thickness and heavy doping for 70nm ultra-thin poly-silicon,the conversion efficiency of TOPCon solar cells procesd on large area (6inch)Cz wafers significantly improves due to the low parasitic absorption and excellent filed passivation effect.The I sc is incread by 20mA and 0.3%improvement of FF ,leading to an absolut
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e efficiency gain of 0.13%for the champion conversion efficiency,as well as low ries resistance.
Key words :TOPCon solar cell;poly-silicon;doping;ion implantation;passivation contact;parasitic absorption;photoelectric conversion efficiency㊀㊀㊀收稿日期:2021-12-16㊀㊀作者简介：宋志成(1985 )，男，湖北省人，硕士研究生㊂E-mail: ㊀㊀通信作者：杨㊀露㊂E-mail:yanglu2468@mail.nwpu.edu
0㊀引㊀㊀言
近年来，载流子选择性钝化接触的应用使晶硅太阳能电池的光电转换效率得到很大的提升[1-2]㊂据报道，德国Fraunhofer ISE 研究所开发的N 型背面全金属接触的隧穿氧化物钝化接触(tunnel oxide passivated contact,TOPCon)电池效率达到了25.8%的世界纪录[3-4]，并且在P 型单晶氧化物多晶硅(Poly-Si)钝化接触叉指背接触(interdigital back contact,IBC)电池上实现高达26.1%的效率[5]㊂此外，由于TOPCon 电池与行业内现有产线的钝化发射结及背表面接触电池(passivated emitter and rear cell,PERC)具有高度的工艺和设
㊀第3期宋志成等：超薄多晶硅的掺杂㊁钝化及光伏特性研究435㊀
图1㊀TOPCon 电池结构图
Fig.1㊀Structure of TOPCon solar cells 备兼容性，使其成为下一代晶硅电池技术升级的主
要方向,TOPCon 电池的结构图如图1所示㊂TOPCon 电池较高的效率优势主要来源电池背面的钝化接触结构，该钝化接触结构由一层超薄的
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隧穿氧化层二氧化硅和掺杂多晶硅层组成，不仅具
有优异的钝化性能和良好的接触性能，而且可以将
金属接触与硅基体分离开，从而显著降低金属接触
区域的复合，可以极大提升太阳能电池的转换效率㊂
产业化多晶硅钝化接触太阳能电池设计中的一
个关键因素是多晶硅层的厚度㊂多晶硅层，通常是高浓度掺杂[6-7]，厚度为100~300nm [8-9]，由于多晶硅寄生吸收的影响，会导致太阳能电池的短路电流(J sc )有显著的降低[10-11]㊂新加坡SERIS 研究所开发的双面monoPoly 6英寸大面积太阳能电池获得了23.4%[12-13]的转换效率，同时天合光能研发的大面积钝化接触太阳能电池的转换效率进一步提升至24.58%[14]㊂但至今为止，关于多晶硅的大部分工作都应用于太阳能电池的背面，并且使用了较厚的多晶硅层(至少大于70nm)[13-15]㊂而光学模拟结果表明多晶硅层厚度应该尽可能地减少[16-17]㊂但是，在不影响界面化学钝化的前提下，超薄多晶硅层的精准掺杂仍然是一项具有挑战性和关键的任务㊂同时，基于离子注入技术对小于
100nm 厚度的多晶硅进行磷掺杂，并将其应用于产业化电池中的研究甚少㊂本文不仅对70nm 超薄多晶硅的掺杂特性㊁钝化性能进行了研究，并将磷掺杂超薄多晶硅应用于产业化6英寸(1英寸=2.54cm)
大面积钝化接触电池中，所制备的钝化接触电池的电流和光电转换效率得到了明显提升㊂1㊀实㊀㊀验家长作风
本实验采用158.75mm ˑ158.75mm 规格的N 型Cz 硅片，电阻率范围为0.3~2.1Ω㊃cm，少子寿命ȡ500μs㊂隧穿氧化层的生长和本征多晶硅的沉积由Tempress 公司生产的5管式量产设备完成，采用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)法生长隧穿氧化层和本征多晶硅㊂此设备可一次性直接完成隧穿氧化层的生长和多晶硅的沉积，且在低压下完成生长工艺，具有成膜致密㊁整舟均匀性好㊁产量大㊁生长速度快㊁工艺成熟等优点㊂采用凯世通ipv-3000机台实现不同离子注入剂量的掺杂㊂实验过程使用到的测试仪器有：电化学电容-电压(electrochemical capacitance-voltage profiler,ECV)测试仪测试样品表面掺杂浓度和掺杂结深,WCT-120Sinton 模块测试对称结构的钝化性能,SENTECH 800激光椭偏仪测试多晶硅的沉积厚度,IV 测试仪测试电池的电性能参数㊂
钝化性能监控结构的制备过程：双面制绒后的硅片经过双面刻蚀，再沉积隧穿氧化层和本征多晶硅，然后经过离子注入㊁退火和双面镀膜工艺完成钝化结构的制作，最后经过烧结炉高温烧结完成制作，其结构如图2所示㊂表征钝化性能的参数有隐开路电压i V oc ㊁J 0和寿命，当测试结构钝化性能越好时,i V oc 值越高，寿命越高,J 0值越低
㊂图2㊀Poly-Si(N +)钝化性能测试结构
Fig.2㊀Poly-Si(N +)passivation performance test structure TOPCon 电池的制备工艺流程如图3所示，首先将原始硅片经过碱制绒形成金字塔陷光结构，再将制绒
后的硅片在850~1000ħ进行低压硼扩散，完成前表
面发射结掺杂工艺㊂然后进行刻蚀工艺去除硼扩散过
程中硅片侧面形成的横向PN 结和正面的硼硅玻璃，并
对非扩散面进行抛光处理㊂采用LPCVD 在硅片背面
沉积1.5nm 的二氧化硅层和本征多晶硅层㊂通过离
子注入磷和高温热处理实现多晶硅层的重掺杂和非晶
相到多晶相的转变㊂再通过优化的清洗技术去除正面
绕镀的多晶硅层，并在正面沉积钝化叠层薄膜，起到钝化和减少反射的作用㊂最后在电池正反面印刷金属电极收集光生载流子㊂
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图3㊀TOPCon电池的制备工艺流程
Fig.3㊀Preparation process of TOPCon solar cell
2㊀结果与讨论
2.1㊀120nm Poly-Si(N+)掺杂曲线与钝化性能
常规120nm厚度的多晶硅匹配的离子注入剂量为2.6ˑ1015cm-3，退火条件为875ħ热处理20min，其掺杂曲线和钝化性能如图4所示㊂从图中可看出,120nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度为2.5ˑ1020atoms/cm3，掺杂结深为0.35μm，此时钝化性能达到最优，隐开路电压i V oc为736mV,J0为2fA/cm2㊂危险流浪者号
图4㊀120nm Poly-Si(N+)上(a)掺杂分布与(b)钝化性能测试
快乐的熊猫
Fig.4㊀Doping concentration distribution(a)and passivation performance(b)of120nm Poly-Si(N+)
2.2㊀70nm薄Poly-Si的掺杂工艺优化与钝化性能
多晶硅沉积的反应气体为高纯硅烷(SiH4)，采用炉口和炉尾两个进气口的设计，在高温环境下热分解形成多晶硅薄膜沉积在硅片表面，反应式如下所示:
SiH4ʏңSiˌ+2H2ʏ(1)当沉积温度㊁反应压力和气体流量一定时，沉积时间对多晶硅生长厚度有重要影响㊂基于前期实验数据，在沉积时间分别为1300s㊁1700s㊁2100s的工艺条件下可制备厚度90nm㊁120nm和150nm的多晶硅薄膜㊂采用片内测试5点求平均值的方式获得实验数据，并绘制沉积时间与薄膜厚度的散点图，线性拟合得出图5(a)㊂
图5㊀(a)多晶硅厚度与沉积时间线性拟合曲线;(b)沉积时间1050s时多晶硅厚度的实际测试值Fig.5㊀(a)Liner fitting curve of poly-silicon thickness and deposition time;(b)value of poly-silicon thickness under
deposition time of1050s
㊀第3期宋志成等：超薄多晶硅的掺杂㊁钝化及光伏特性研究437㊀从图5(a)可以看出，沉积时间与多晶硅厚度基本呈线性关系，且对时间变化敏感㊂当沉积时间为
2100s时，多晶硅测试厚度为150nm，当沉积时间为1700s时，多晶硅测试厚度为120nm，因此可以通过该曲线预测沉积特定厚度的多晶硅所需要的沉积时间㊂从图中延长线上可以预测，当沉积时间小于1400s 时，可以沉积100nm以下的多晶硅，而当设定沉积时间为1050s时，可生长70nm的本征多晶硅㊂图5(b)为沉积时间1050s时多晶硅厚度的实际测试值，其中取炉口㊁炉中和炉尾三个位置各一片，每片测试5个点，共15个测试点，可以看出实际测试的多晶硅厚度为(70ʃ2)nm，与图5(a)拟合曲线预测的数值基本一致㊂图6为120nm和70nm厚度多晶硅的监控片外观图，可以看出不同厚度的多晶硅对应不同的颜色，可直接从监控片外观进行辨别，这对电池生产过程中多晶硅膜层厚度的监控具有重要指导意义㊂
图6㊀沉积120nm和70nm厚度多晶硅的监控片外观图
Fig.6㊀Appearance of monitoring wafers deposited with thickness of120nm and70nm deposited poly-silicon 此处研究离子注入剂量和退火温度对70nm多晶硅掺杂和钝化性能的影响㊂当离子注入设
备稳定运行时，主要通过控制离子注入剂量来调整掺杂浓度，而改变离子注入剂量本质上就是改变离子注入机反应腔体内传输皮带的运行速度㊂当基于产线现有设备进行工艺，多晶硅厚度的减薄会对离子注入剂量要求较高，导致传输带的运行速度太慢，这将不利于设备的稳定运行，产生粘片或卡片的情况㊂故本文同时对70nm薄多晶硅的隧穿氧化层生长工艺进行了优化㊂
2.2.1㊀离子注入剂量的影响
王安娜图7为不同离子注入剂量下多晶硅磷掺杂分布和钝化性能的曲线，样品1至样品3采用的离子注入剂量分别为2.4ˑ1015/cm3㊁2.8ˑ1015/cm3和3.2ˑ1015/cm3㊂其中3.2ˑ1015/cm3为离子注入机台所能实现的最高注入剂量，得到的掺杂曲线如图7(a)所示㊂
图7㊀不同条件下Poly-Si(N+)的掺杂分布与钝化性能
Fig.7㊀Doping concentration distribution and passivation performance of poly-Si(N+)in different conditions 从图中可以看出，离子注入剂量的增加对多晶硅的掺杂分布和钝化性能影响较小㊂在相同的退火条件下，随离子注入剂量增加，表面掺杂浓度有微弱升高，即当离子注入剂量由2.4ˑ1015cm-3升高到3.2ˑ1015cm-3时，表面掺杂浓度由5.44ˑ1020atoms/cm3升高至6.49ˑ1020atoms/cm3㊂而钝化性能随离子注入剂量的升高呈现先微弱升高后不变的趋势，其中2.4ˑ1015cm-3注入剂量的隐开路电压均值为735mV,2.8ˑ1015cm-3和3.2ˑ1015cm-3注入剂量的隐开路电压均值为737mV㊂此时磷掺杂多晶硅与硅基底形成了良好的隧穿
438㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷效应㊂
当离子注入剂量为2.8ˑ1015cm-3和3.2ˑ1015cm-3时，隐开路电压均值保持在737mV，表明磷掺杂多晶硅的钝化性能已达到最优，故制作电池确定离子注入的最佳剂量㊂电池电性能测试结果如表1所示㊂从表1可以看出，随离子注入剂量升高，电池的开路电压升高，电流升高，串联电阻R s降低，填充因子FF升高，电池的光电转换效率升高㊂当离子注入剂量为3.2ˑ1015cm-3时，电池开路电压最高为689mV，接触性能好，光电转换效率最高㊂同时，在同一退火条件下，低离子注入剂量对应的多晶硅层表面激活的磷原子较少，影响电池的接触性能，导致串联电阻R s升高，填充因子FF降低㊂而对于
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较高的离子注入剂量，掺杂多晶硅层的场钝化效果提升较明显，且表面激活的磷原子多，电池的表面钝化和接触性能均得到较大改善，使电池的转换效率得到提高㊂
表1㊀基于不同离子注入剂量掺杂的TOPCon电池的I-V参数
Table1㊀I-V parameters of TOPCon solar cells doped with different ion implantation dos Group V oc/V I sc/A R s FF/%E ta/%
2.4ˑ10150.68510.390.002080.0622.61
2.8ˑ10150.68610.400.001980.5322.80
3.2ˑ10150.68910.420.001780.7823.01 2.2.2㊀退火时间的影响
固定隧穿氧化层生长温度和多晶硅的沉积时间，采用相同的离子注入剂量3.2ˑ1015cm-3，相同的退火温度855ħ，研究退火时间对磷掺杂特性的影响，退火时间分别为15min㊁20min㊁25min㊂
图8㊀不同退火时间下Poly-Si(N+)的掺杂分布和钝化性能
Fig.8㊀Doping concentration distribution and passivation performance of Poly-Si(N+)annealing for different time 图8为不同退火时间的磷掺杂多晶硅掺杂曲线和钝化性能测试结果，由图中可以看出，当氧化层厚度和退火温度一定时，随退火时间延长，掺杂结深增加，即当退火时间从15min增加至20min和25min时，掺杂结深由0.2μm增加至0.25μm和0.3μm㊂表面浓度稍有下降，但均保持在5.2ˑ1020atoms/cm3以上，而隐开路电压均值i V oc呈现先升高后降低的现象，在退火时间为20min时达到最高值736mV，钝化性能达到最优㊂英国绅士
综合以上得出70nm多晶硅的最优掺杂条件为：离子注入剂量3.2ˑ1015/cm3，在855ħ退火20min时，其钝化性能可与120nm poly-Si(N+)的钝化性能相媲美，此时70nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度为5.6ˑ1020atoms/cm3，高于120nm掺杂多晶硅的表面掺杂浓度(2.7ˑ1020atoms/cm3)，而高表面浓度更有利于电池的金属接触特性㊂
2.3㊀基于70nm Poly-Si(N+)电池的电性能研究
基于以上最优实验结果，制备70nm掺杂多晶硅的TOPCon电池，实验同时制作120nm掺杂多晶硅的TOPCon电池作为对比组，图9为不同厚度多晶硅的掺杂曲线，电池电性能测试结果如表2所示㊂
