利用工业规模PECVD设备实现TOPCon

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本文讨论了利用工业相关的PECVD设备成功实现隧道氧化钝化接触(TOPCon)。结果表明，间歇式直接等离子体PECVD允许掺杂的a- si在超薄氧化层上无损伤沉积。利用对称实验结构，详细讨论了热化学或湿化学生长的超薄界面SiOx层的影响，以及聚硅掺杂水平对表面钝化质量的影响。实验结果表明，该方法可获得736 mV的iVoc和87.4%的iFF。此外，非对称寿命样本具有n型TOPCon在后方和p型TOPCon在前部显示720 mV Voc。

介绍

最近,钝化接触基于薄二氧化硅层和一层重掺杂硅(TOPCon)获得了关注的低复合电流密度j₀²< 10 fa /厘米。同时,他们保持接触电阻率足够低的钝化联系人成功实现到效率高lab-type太阳能电池实现这些钝化联系要求至少三个处理步骤:

增长的薄氧化硅层,沉积掺杂的硅层,和高温退火“激活”这种接触。此外，还可以加入加氢步骤，进一步提高表面钝化质量。硅层可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积。对于像Al2O3和SiNx分批式等介质薄膜的沉积，直接等离子体PECVD在光伏工业中是一种成熟的工艺。PECVD相对于LPCVD的一个固有优势是其单面沉积。例如，这简化了具有扩散前同结和钝化后接触的太阳能电池的制造，避免了额外的脱层工艺步骤。此外，用PECVD可以很容易地实现磷或硼掺杂的SiOx和SiCx薄膜。这种方法的缺点在于硅层中含有大量的氢。这增加了起泡的风险，并限制了最大薄膜厚度。

此外，还有人担心，离子轰击可能破坏薄的隧道氧化层，因此，如果在kHz范围内的低频操作批量型直接等离子体PECVD工具，可能会阻碍足够的表面钝化。近年来，研究表明，分批式直接等离子体PECVD是实现TOPCon掺杂a- si层的可靠工具，而对于离子轰击对隧道氧化物可能造成的损伤的担忧是不合理的。在此基础上，重点研究了n型TOPCon在平面和织构表面的发展，并对这些接触点进行了详细的分析。由于界面氧化物的质量对钝化触头的性能有很大的影响，本文将对湿法或管式炉中制备的两层界面氧化物进行比较。此外，我们证明了lo复合电流也可以用p-TOPCon实现。

实验的细节

对称的一生样本准备在n型悬浮区(FZ)晶圆直径100毫米和200µm厚度与电阻率的1或10Ω厘米和shiny-etched或纹理表面形态。晶圆按RCA清洗程序清洗。最后一次HF浸出后，将晶圆浸入沸腾的硝酸HNO3 (68wt%， 120℃)，或在600℃的管式炉中，在N2/O2环境中加热10分钟，通过化学方法使12- 15a的薄界面氧化层生长。随后，利用cPLASMA 2000 PECVD工具在双侧沉积了磷或硼掺杂的a- si层。随后，晶圆在管式炉(氮气/氧气气氛)中，在850和950℃的温度范围内进行10min退火，以激活样品的钝化。为了进一步改善表面钝化效果，样品在400℃下进行远程等离子体氢钝化(RPHP)处理30 min，钝化C - si / SiOx界面处的缺陷。采用Sinton WCT-120寿命仪对炉内退火后和氢钝化后的表面钝化质量进行了测定。本文给出了单太阳下的隐含开路电压(iVoc)作为评价表面钝化质量的一种方法。在此基础上，采用电化学电容电压剖面(ECV)方法对从聚硅层扩散到c-Si层的P、B原子进行了测量。在聚硅薄膜上启动的电子电压剖面(ECV)。

结果

优化a-Si(n)掺杂水平在接下来的研究中，研究了掺杂气体流量对湿化学生长HNO3隧道氧化物的TOPCon结构钝化质量的影响。以硅烷、氢和膦为原料，用PECVD沉积了一层约36纳米厚的掺磷硅层。PH3气体流量在1 ~ 3 slm范围内变化。

图1

图1所示。a) QSSPC测定的平面和织构表面在高温炉退火(开符号)和氢钝化(闭符号)后，改变PH3气体流量时的隐含Voc。b) ECV获得的湿化学生长界面氧化物和聚si (n)层平面样品的p -剖面。

图1a)分别描绘了平面(左)和纹理(右)晶圆表面的平均隐含开路电压(iVoc)。样品分别在850℃下进行10分钟的炉内退火(开启符号)和氢钝化步骤(关闭符号)后进行测量。经过高温处理后，得到了平面上的最大iVoc为713mv，织构表面的最大iVoc为699mv。然后，在PH3气体流量为1slm的情况下，通过氢钝化工艺提高表面钝化性能，使平面上的最大iVoc为728mv，织构表面的最大iVoc为718mv。较高的掺杂气体通量导致较低的iVoc值。对于有纹理的表面，这种趋势不太明显。其中一个原因可能是纹理表面的层厚减少(因子~1.4)，但还需要进一步的研究。ECV测量得到的磷扩散曲线如图1b所示)。结果表明，随着PH3气体流量的减小，多晶硅层的电活性掺杂浓度降低。因此，也有较少的扩散到c-Si衬底。在PH3 = 1 slm气体流量时，iVoc最大值处掺杂浓度ND,poly-Si≈5x1019cm-3。

利用来自PV lighthouse的免费软件EDNA评估了掺杂c-Si(n+)区域由于螺旋钻复合导致的复合电流密度，如表1所示。然而，来自J0的贡献，Auger，不能充分解释了高掺杂水平下iVoc值的降低。后者更可能归因于c-Si/SiOx界面有效表面复合速度Seff的增加，这与表面掺杂剂浓度(ND,surf)的增加有关。对于介质表面钝化层，如SiO2和Al2O3，众所周知，J0随ND、surf的增大而增大。这种效应也被观察到用于钝化接触。

表1。通过QSSPC测量得到的发射体饱和电流密度J0，利用EDNA评估了不同掺杂水平的平面晶圆表面上螺旋钻复合电流密度J0、螺旋钻和有效表面复合速度Seff。

界面氧化层的比较

TOPCon结构基于实验室建立的前处理表明,界面氧化物生长在ozonated水或ozone-ambient产生优越的表面纹理表面钝化质量比界面氧化生长在沸腾硝酸氧化物归因于他们的更高质量更高的化学计量学。在此，我们比较了形成界面氧化物的两个过程:(i)沸腾硝酸(HNO3)的湿化学生长和(ii) 600℃管式炉(TO)的热生长。在沉积了大约20纳米磷掺杂的a- si (n)之后，晶片分别在850℃和900℃的高温炉中退火，然后进行氢钝化。图2显示了氢钝化步骤后沉积过程中PH3气体流量在0.5 ~ 1.5 slm范围内的隐含开路电压iVoc的结果。

对于HNO3隧道氧化物，850℃和900℃炉退火后存在较大偏差。在PH3气体流量为1slm时，iVoc在平面上的最大值为734 mV，在织构表面的最大值为724 mV。样品在900℃退火后，iVoc最大值仅为716 mV(平面)和680 mV(织构)。TO氧化层的行为也不同:除了PH3 = 0.5 slm沉积在平面晶圆表面的A - si (n)层，不同退火温度之间没有显著差异。无论是在平面还是在织构表面，iVoc均达到了736 mV和732 mV的优异值，隐含FF为> 87%。类似的结构表现出特定的接触电阻率ρc衡量TLM大约3 mΩcm²(硝酸)或4.5 mΩcm²()这是足够低的应用程序作为全区域钝化联系人在太阳能电池。这些结果表明，热生长的界面氧化层相对于湿化学生长的HNO3隧道氧化层在温度上更稳定。此外，它还能更强地抑制掺杂剂从聚硅向c-Si衬底的扩散。这可能是由于它的密度和化学计量。

图2

含挥发性有机化合物(Voc)的各种PH3气体流量后，氢钝化热(到)或沸腾硝酸湿化学袍子(HNO3)表面隧道氧化物和纹理表面。样品在a- si (n)沉积后，在850℃或900℃下进行10分钟的炉内退火。

选择性接触TOPCon

工艺开发为了在工业规模的PECVD设备上形成高效硅太阳能电池的电子和空穴选择触点，必须确定一套适用于n型和p型掺杂a- si层的参数。 不对称一生样本准备1日Ωcm n型shiny-etched FZ晶片与200年µm厚度以n型接触结构后,在前面的p型接触结构。孔选择接触包括一堆热生长的界面氧化物、一层10纳米薄的本征硅层和一层20纳米硼掺杂硅层a- si (p)。实验结果表明，插入本构a-Si层有利于p型TOPCon的钝化质量。B2H6气体流量变化范围为0.8 ~ 1.5 slm。在背面，沉积了一层30纳米的aSi(n)层，形成电子选择性接触。另外，制备了对称n型寿命样品，作为评价n触点复合电流的参考。研究了不同炉内退火温度对退火效果的影响。所有样品都经过氢钝化处理，并在选定的样品上溅射一个75 nm-ITO叠片。有关TOPCon结构ITO溅射过程的更多细节，请参见。

图3

非对称a-Si(n)/a-Si(i/p)寿命样品在不同B2H6气体流量和对称a-Si(n)参考退火温度下氢钝化后的隐含Voc。

在B2H6气体流量上绘制的隐含开路电压iVoc的结果如图3所示。在875°c退火后，B2H6气体通量最低时，iVoc值最高。接触系统的最大值为iVoc为733 mV, iFF为85%。在聚硅层中，b掺杂剂的浓度为ND，聚硅≈3x1019cm-3。ITO溅射和热固化后，我们使用SunsVoc设置测量外部电压，得到Voc值高达720 mV。由于iVoc与作为载体选择性指标的Voc之间只有很小的偏差，我们可以假设已经开发出一种很有前途的接触系统。

结论

在本工作中，我们能够证明，工业规模的直接等离子体PECVD设备可以制备出优良的孔选择性钝化质量和电子选择性钝化质量。一生样本以n型TOPCon结构揭示了最大iVoc 736 mV和敌我识别87.4%的平面表面在接触电阻率的范围3 - 6 mΩcm²。特别是，可以表明，热生长的氧化硅界面层对高温炉退火更稳定，并导致略优的钝化质量。此外，TOPCon结构的特点是前面有一个薄的SiOx/a- si (i)/a- si (p)层叠加，后面有一个a- si (n)层，显示出良好的钝化质量和内部和外部隐含电压之间的小偏差。下一步可以实现n型和p型TOPCon结构参数的实现，开发高效硅太阳能电池。

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