刘苗,张建军,张永等.“PERC+SE”单晶硅太阳电池氧化工艺研究[J]. 太阳能, 2022(8):70-74.
摘 要：“PERC+SE”单晶硅太阳电池制备过程中，相较于传统的酸抛工艺，在碱抛光工艺之前 ( 即氧化环节 )先要制备氧化层 SiO2 膜作为掩膜，以保护硅片正面。目前，行业内主要有 2 种制备 SiO2 膜的方式，一种是采用管式扩散炉，另一种是采用链式氧化炉。从实际应用来看，相较于管式扩散炉，链式氧化炉的生产线兼容性更好，产能也更高；而从理论上来看，管式扩散炉比链式氧化炉制备的 SiO2 膜更加致密，膜层对掺杂区域的保护也更好。对于这 2 种设备，从制备的 SiO2 膜厚度，硅片氧化前、后和碱抛光后的方块电阻变化，以及制得的“PERC+ 选择性发射极 (SE)”单晶硅太阳电池的电性能 3 个方面进行详细对比。结果显示：管式扩散炉与链式氧化炉制备的 SiO2 膜对 SE 激光重掺杂区域的保护效果略有差别，但对太阳电池电性能的影响较小，可忽略。因此，结合生产线兼容性及产能情况，链式氧化炉比管式扩散炉更具有推广优势。
关键词：单晶硅太阳电池；选择性发射极；PERC；碱抛光；SiO2 膜；掩膜
中图分类号：TK514 文献标志码：A
提升太阳电池的光电转换效率是光伏领域的重要研究方向。目前，太阳电池的 PERC 技术均已升级为“PERC+”技术，即“PERC+ 选择性发射极 (SE)”技术，采用该技术的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的制备流程如图 1 所示。
对于 SE 激光掺杂，光伏行业内通常是采用532 nm 纳秒脉冲激光器在银栅线位置对扩散后的硅片进行重掺杂，从而降低银栅线与硅片的接触电阻，避免出现非栅线区域低浓度掺杂，以及提升开路电压和短路电流的同时降低填充因子的问题。“PERC+”技术的推广使单晶硅太阳电池的光电转换效率提升了 0.2%～0.4%，但“PERC+SE”单晶硅太阳电池在采用 SE 激光掺杂工序的过程中，激光会熔融磷硅玻璃层，在高温下使磷向硅片推进、扩散，同时将部分区域的磷硅玻璃层完全破坏，尤其是金字塔塔尖区域的磷硅玻璃层很薄，因此更容易被破坏，从而露出太阳电池底部的硅基。
SE 激光掺杂工序之后，在不影响硅片正面的前提下，利用酸抛或碱抛光工艺去除硅片四周的 p-n 结，以防止硅片正面与背面导通，并通过对硅片背面进行抛光增加其长波响应，提升入射光的利用率。在酸抛或碱抛光环节，如果生产线使用常规的采用 HF/HNO3 刻蚀液的链式湿法刻蚀设备，由于硅片在刻蚀槽内是以“水上漂”的方式运行，同时有水膜保护，则裸露处的硅片不容易接触到刻蚀液，避免了出现 SE 激光掺杂区域裸露硅被腐蚀的问题。而在采用槽式机的碱抛光工艺中硅片完全浸没在刻蚀液中，强碱溶液会刻蚀整个硅片，再加上 SE 激光掺杂区域因绒面发生变化，过腐蚀现象在该区域更容易发生。为了解决此问题，需要在 SE 激光掺杂后，即在氧化环节，在硅片正面制备一层SiO2膜作为掩膜，从而保护硅片正面，防止在碱抛光过程中 SE 激光掺杂位置发生过腐蚀现象。对于 SiO2 膜的制备，行业内目前主要有 2 种技术方案：一种是采用管式扩散炉高温快速制备 SiO2 膜；另一种是采用链式氧化炉，以略低于管式扩散炉的温度快速制备 SiO2 膜。本文从制备的 SiO2 膜厚度，氧化前、后和碱抛光后的方块电阻变化，以及制得的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的电性能 3 方面对比了这 2 种设备的优劣，以期对生产线设备的选型提供一定参考。
1 试验准备
1.1 试验原材料
试验原材料采用从同一根硅棒上由金刚线切割的 p 型单晶硅片，尺寸为 158.75 mm×158.75 mm，电阻率为 0.4～1.1 Ω•cm，厚度为 165～175 μm。
1.2 试验仪器
采用纳秒激光器进行 SE 激光掺杂，采用四探针方阻测试仪测试硅片的方块电阻，采用EMPro-PV 椭偏仪测试 SiO2 膜厚度，采用 Halm高精度 I-V 测量系统测试成品太阳电池的电性能。
1.3 试验设计
试验样品分为 2 组，每组 800 片，均按照图1 所示的“PERC+SE”单晶硅太阳电池制备流程，采用相同机台、相同配方完成至 SE 激光掺杂环节，然后样品 1 采用管式扩散炉制备 SiO2 膜，样品 2 采用链式氧化炉制备 SiO2 膜，并对制备的 2 种 SiO2 膜的厚度，以及氧化环节前后和碱抛光环节后的方块电阻进行测试；最后将 2 种制备了 SiO2 膜的硅片完成“PERC+SE”单晶硅太阳电池的制备，并收集 2 种太阳电池的电性能数据。
氧化环节 2 种设备的氧化工艺参数对比如表1 所示。其中，管式扩散炉 [1] 和链式氧化炉的结构示意图如图 2 所示。
2 试验结果与分析
2.1 SiO2 膜厚度测试结果与分析
高温时 SiO2 膜的生长机理是：初期 O 原子吸附在硅片表面的活性中心，吸附态的 O 原子与 Si 原子发生界面化学反应，生成 SiO2，成为结晶核心；随着 SiO2 膜层生成过程的继续，SiO2向自由能低的方向生长，先以枝状晶的方式在二维方向生长，当枝状晶前沿彼此连接时，SiO2 在二维方向的增长减缓，产生侧向应力，随着其厚度不断增长，枝状晶层次变得模糊，最后形成致密的 SiO2 膜 [2]。2 种设备制备的 SiO2 膜厚度如表 2 所示。
制备 SiO2 膜过程中，链式氧化炉与管式扩散炉的主要区别在于氧化时间，两者均是初期在高温条件下在硅片表面快速形成一层 SiO2 膜，膜层达到一定厚度后，Si-O 反应不再由化学反应控制，而逐渐过渡到由 Si 原子和 O 原子的扩散控制。从表 2 中可以看出：链式氧化炉制备的SiO2 膜的厚度均值为 1.67 nm，比管式扩散炉制备的SiO2膜厚度均值低，SiO2膜的均匀性也较差，这可能与氧化时间有关。但延长氧化时间会影响设备的产能，增加太阳电池的非硅成本，因此在生产过程中需两者兼顾。本文在不增加氧化时间的基础上对比现有 SiO2 膜厚度对 SE 激光掺杂工序后硅片的保护效果。
2.2 方块电阻的变化
SE 激光掺杂工序后硅片正面可以分为 2 个区域，一个是重掺区域，该区域为 SE 激光掺杂工艺的工作位置，激光线宽度一般为 100～120 μm，在印刷工序会通过定位点的定位将金属栅线完全覆盖住；另一个是轻掺区域，即硅片上除重掺区域以外的区域，均为低浓度掺杂的区域。在经过 SE 激光掺杂处理后，重掺区域的金字塔塔尖会被消掉，从而裸露出硅基，并在碱抛光过程中被强碱溶液腐蚀。因此，行业内一般会在 SE 激光掺杂后在硅片正面制备一层 SiO2 膜，作为掩膜，从而保护硅片正面 [3]。
选取 SE 激光掺杂工艺后相同机台上相邻的10 片硅片作为测试片，均分为 2 组，分别测试其方块电阻；将这 2 组硅片分别由链式氧化炉和管式扩散炉镀制 SiO2 膜，并测试氧化环节后 2组硅片的方块电阻；在碱抛光环节后再次测试 2组硅片的方块电阻。具体结果如图 3 所示。需要说明的是：各个环节 2 组硅片得到的方块电阻均取平均值。
从图 3 中可以看出：在轻掺区域，相较于氧化后，碱抛光后采用链式氧化炉制备的 SiO2 膜的硅片的方块电阻升高了 12 Ω/□，而采用管式扩散炉制备的 SiO2 膜的硅片的方块电阻的升幅为 10 Ω/□，这说明链式氧化炉制备的 SiO2 膜对硅片轻掺杂区域的保护效果略弱于管式扩散炉制备的 SiO2 膜，该结论与前文测试 SiO2 膜厚度后得到的结论一致；但 SiO2 膜厚度对太阳电池电性能的影响不大，这是因为轻掺区域有扩散沉积的磷硅玻璃层的保护。而在重掺区域，从各环节的方块电阻变化来看，链式氧化炉制备的 SiO2膜的保护效果弱于管式扩散炉制备的 SiO2 膜，不过方块电阻差值为 2.2 Ω/□。由于目前印刷细栅的银浆的腐蚀性、欧姆接触性能较好，方块电阻只要低于90 Ω/□就不会损失很大的串联电阻，但后续开发新银浆料需要注意 2 种设备制备的SiO2 膜对重掺杂区域的保护程度不同的问题。
2.3 电性能测试
将分别涂有 2 种设备制备的 SiO2 膜的硅片制备成 2 种“PERC+SE”单晶硅太阳电池，并进行电性能测试，以涂有管式扩散炉设备制备的 SiO2 膜的太阳电池的电性能数据为基准，得到另一种太阳电池的电性能变化情况，具体如表 3 所示。
从表 3 中可以看出：相较于采用管式扩散炉设备制备的 SiO2 膜的“PERC+SE”单晶硅太阳电池，采用链式氧化炉制备的 SiO2 膜的“PERC+SE”单晶硅太阳电池的光电转换效率提升了 0.01%，但二者在开路电压、短路电流、串联电阻等方面的差异并不大，结果符合预期。
3 结论
本文对链式氧化炉和管式扩散炉设备制备的SiO2 膜对 SE 激光掺杂后的重掺区域的保护效果进行了研究，结果发现：2 种设备制备的掩膜对重掺区域的保护效果略有差异，但对太阳电池光电转换效率的影响较小。由于管式扩散炉的氧化温度略高、氧化时间较长，从碱抛光前后重掺区域的方块电阻差值及 2 种设备制备的 SiO2 膜厚度的测试结果发现：管式扩散炉制备的 SiO2 膜相对致密，但在现有条件下该情况对太阳电池光电转换效率的影响不大。出于产业化考虑，链式氧化炉在产能、占地空间、能耗等方面优势明显，未来可作为“PERC+SE”单晶硅太阳电池工艺路线制备掩膜 (SiO2 膜 ) 的一种备选设备。
[ 参考文献 ]
[1]李吉，孙朋涛，郑建宇 , 等 . 低压磷扩散工艺研究 [J].太阳能，2016(9)：32-35.
[2] 孙贵如，田岗忠美，李文超，等 . 干氧氧化单晶硅氧化膜形态研究 [J]. 稀有金属，1989，13(1)：57-62.
[3]张渊 . 半导体制造工艺 [M]. 北京：机械工业出版社，2015.
作者 | 刘苗,张建军,张永,许志卫,李 景
单位 | 晶澳太阳能有限公司
来源 | 《太阳能》杂志2022年第8期70-74
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20210412.01
