一文读懂“激光增强接触优化技术”（LECO）中的当前路径和温度分布
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2023-11-01 00:00
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摘要
我们介绍了二极管网络模拟的结果，在“激光增强接触优化”（LECO）过程中对电流路径和电流密度进行建模。我们对接触界面进行建模，假设圆形接触开口以面积密度、特定接触电阻率和接触半径为特征。模拟结果表明，电流密度随着接触半径的增加而减少，但对小接触半径的最大值饱和。电流密度以几个MA/cm2的顺序排列，具体取决于应用的端子电压。在第二部分中，介绍了一个传热模型，该模型使用计算出的电流密度作为输入，并返回温度分布作为空间和时间的函数。该模型的结果表明，在接触区可以达到较高的局部温度（高于100°C，达到8000°C），而表面温度不会显著上升（高于室温低于20 K）。此外，结果表明，对于非常小的接触半径，局部温度很低，然后以约50纳米的顺序增长到接触半径的最大值，然后由于大接触半径的电流密度下降而再次下降。然而，结果表明，如果接触区域与银或硅体热接触，温度会远低于硅熔点。只有假设接触区域被低导热材料（例如玻璃层）包围时，模型才会指示温度高于硅熔点。从这些发现中，我们得出了一个描述性假设，该假设可以被视为文献中已知的“当前被解雇的联系人”假设的延伸。我们认为，LECO处理前的接触需要满足某些激活标准（接触大小和隔热环境），才能通过LECO工艺“激活”。如果被激活，触点（如文献所述）作为半球体进入材料，并且由于电流密度下降而停止生长，因此如果触点达到一定尺寸，温度会下降。我们的计算表明，这个尺寸是按照典型结深度（~300纳米）的顺序排列的。如果用LECO过度处理PERC电池，这些电池与磷发射体的分流阻力降低的观察结果是一致的。
导言
“激光增强接触优化”（LECO）流程于2019年首次推出[1]。LECO改善了用丝网印刷银浆金属化太阳能电池的金属半导体接触。在此过程中，激光扫描电池正面，局部导致非常高的电荷载体注入。同时，对电池的触点施加负偏置电压。高注入和负偏差通过接触界面导致高电流密度，这导致了接触的形成。该过程的示意图如图1所示。
LECO允许接触低掺杂的发射器[3]，它允许使用LECO特定浆料[4]，并允许在PERC加工线中应用较低的燃烧温度[5]。加工链中的这些额外自由度被证明会导致PERC太阳能电池的效率提高潜力约为0.3%abs.至0.4%abs。在我们的实验室里，我们最近可以证明iTOPCon太阳能电池的效率提升潜力甚至更高（0.6%abs）[6]，并且（令人惊讶的是）我们观察到LECO还改善了具有镀层触点的电池的效率潜力[7]。尽管该过程潜力巨大，但LECO过程触发的接触形成机制尚未被完全理解。在引入LECO之前，各种工程试图描述Ag-Si触点的形成[8-11]，指出电流可能“直接”从硅流向银体，或者“间接”通过隧道穿过玻璃内部的Ag沉淀物上的薄残留玻璃屏障。关于LECO在接触形成中的作用，在最近关于太阳能电池金属化的一本书中可以找到一个小段落（[12]第6.1.7节），其中指出，根据参考文献，LECO激发提供了还原Ag+离子所需的必要电子，这是接触形成所必需的。[13]。与此相反，Großer等人[14]提出了一个描述性模型（“当前发射接触（CFC）模型”），指出通过接触界面的高电流密度会导致高温，这些高温导致银和硅之间的相互扩散。冷却后，留下由银和硅混合相组成的大表面的半球形触点（CFC）。然后，这些氟氯化碳在Ag-Si接口上具有良好的整体接触。
在这项工作中，我们试图通过对二极管网络中的过程情况进行建模，更定量地了解LECO过程中的电流路径和电流密度。计算出的电流密度用作返回温度分布的传热模型的输入。我们调查温度是否以及在哪些条件下变得足够高，以支持氟氯化碳的假设。基于建模结果，我们扩展了CFC假设和名称要求，这些要求必须在LECO过程之前由接触结构来满足，我们提出解释为什么接触的增长会在某些接触半径停止。
DIODE网络模拟
模拟设置
正如[15]所总结的那样，许多作者都采用了电路网络模拟对光伏设备的描述。与典型的太阳能电池工作条件（强度约为1太阳的均匀照明，正向电压在0 mV至750 mV之间）相反，LECO过程中的条件从根本上不同。这里应用了短的局部照明，局部强度约为3 Megasuns，反向偏置高达-25 V。为了计算通过太阳能电池相关段的当前路径（如图1（右）所示），我们用图2所示的二极管网络表示该段。电路网络中的电压和电流密度是使用基尔霍夫的电路定律计算的。在实践中，我们使用免费软件LTspice XVII[16]的求解器。
作为模型的输入，给出了表示光照诱导产生电流的产生轮廓jgen(，y)。Jgen(x，y)被认为是位置的函数，因为激光照亮了产生电流密度最高的某个光斑(xo，yo)。在此点之后，igen(X，v)被假定为具有特征宽度o的特定形状衰变。因此，产生剖面完全由总的产生电流iGen、光斑位置到金属手指D.F的距离以及激光光斑o的特定宽度来描述。二极管的正面由欧姆电阻Rsheet连接，Rsheet表示电池的发射极薄层电阻。二极管本身的特点是暗饱和电流密度io和理想值为1。假设银指的金属是一个等电位区，它通过接触电阻连接到金属下面的二极管。金属半导体界面由一个区域来描述，该区域在主体部分是不导电的，但在某些接触开口处是导电的。这些接触开口的特征在于该区域内的密度CCO，半径RCO和特定的电阻率帕司。片电阻假定为400/平方。对于太阳能电池发射器来说，这似乎是不典型的低。然而，这种选择的薄层电阻允许匹配的模拟终端电流与实验测得的终端电流。我们认为，在此过程中的薄层电阻是-在正常的大阳能电池操作相反-不确定的发射极的掺杂密度，而是由注入的载流子本身，这是一个参数支持选择较低的薄层电阻的二极管的暗饱和电流密度被假定为100 fA/cm2代表一个典型的太阳能电池值。接触半径在1nm和500 nm之间的间隔中变化。这是相当困难的假设，对“真实的接触半径在丝网印刷硅银界面的复杂景观。然而，给定的间隔似乎代表了可能的接触半径的合理选择，可以从文献[8.14,17，18]中接触界面的SEM图像来判断。接触密度CCo的值在[14]作为硅银界面上接触密度的粗略估计。观察顶视图SEM图像(本文未显示)，我们可以确认密度值大致在10°cm2和107cm2之间，支持在[14].在文献中发现了不同的数值，银和硅页-Si之间的直接接触电阻大致分配在10-60cm 2。中给出了一个概述[19.肖特基接触热电子发射和场发射的理论表达式[20]对于依赖于表面掺杂浓度的比接触电阻，也产生约10-60cm 2的典型值。虽然描述这些接触的数值是基于粗略的估计，但我们在这项工作中观察到的有关趋势可以用表1中给出的输入参数作为“典型”情景的描述。表1列出了这项工作中用于建模的输入参数清单。
二极管网络模拟和讨论的结果
从二极管网络的观点来看，可以得出关于通过金属半导体界面可以实现的最大电流密度Jm ax的上限的个基本结论。实际上，Jm ax只依赖于端电压Vterm和银与硅之间的电阻率。-Si和作为经验法则可以用下面的表达式给出:
从一开始，这可能并不是完全直观的，但很明显，如果这个表达式被认为是欧姆定律，在命名子中有一个电压下降，在分母中有一个电阳率。电压降在图2所示的两个点之间。现在的关键思想是，伏前/暗不能大于1V。这是因为二极管的特性。如果个硅二极管被照亮一个太阳，我们习惯于VC值在700 mV左右。在LECO过程中，有几个大力神的局部照明。这可能会提高局部电压值慢慢接近一伏，但除非照明变得荒谬地高，局部电压不会增加远远超过一伏。因此，方程(1)为通过接触界面的电流密度的上限提供了一个非常简单的经验法则，并使我们能够迅速估计出我们正在处理的电流密度的数量级为几个MA/cm2。(取决于端子电压)如果我们假定直接电阻率Pag-Si为10-60·cm 2。
使用上述模拟设置，我们计算通过接触界面的电流密度为不同的接触半径和不同的端子电压。结果如图3所示。
我们观察到，电流密度随着终端电压的增加而增加，这是意料之中的。由于电流必须通过的区域减少，电流密度随着接触半径的减少而增加。但最终，电流密度饱和了非常小的接触半径，接近方程（1）给出的饱和值。图3中显示的结果用作以下讨论的传热模型的输入值。
传热模型
仿真设置
为了计算LECO过程中接触界面出现的局部温度，我们建立了一个传热模型。在那里，设备的一部分由图4（右）中可视化的几何图形表示。假设一个200x200x200 μm3的硅立方体位于银块（横截面25x25 μm2）下方。假设材料之间有500纳米高度的玻璃层。在玻璃层中，我们假设一个5x5触点阵列。接触半径从1纳米到500纳米不等。我们现在模拟两个不同的接触场景。第一个（“直接接触场景”见图4（左））假设银和硅之间有直接导电路径和热接触。第二个（“绝缘接触场景”图4（中间））假设该接触通过残留玻璃层与银和硅块部分热分离。
传热模型假设焦耳热根据表达式在接触区域消散：
这里的量ic contact是流经触点的电流密度，由上一节中解释的电路网络计算确定。我们用热导率硅银玻璃，130瓦宽，429瓦宽，1.38瓦宽 以及热容Cp;si，Agglass=703，235 kkK，700-分别用于硅，银和玻璃。这些输入允许求解热方程和计算温度分布T (x,t)作为空间和时间的函数。在实践中，我们使用商用软件Comsol Multiphysics进行计算。
传热模型和讨论的结果
图5（中）显示了图5左侧所示的平面区域的热图。热图是通过假设“直接接触场景”获得的。图5的右侧显示了接触点随时间变化的温度变化。
从模拟热图中可以得出两个基本发现。也就是说，高温只出现在电流实际流经的接触区域的附近。已经靠近接触区，温度下降到室温左右的值。这与实验结果非常一致，实验结果是通过在LECO过程中用热照相机监测太阳能电池获得的。热相机图像如图6所示，适用于不同的LECO设置（终端电压和激光功率）。据观察，电池的表面温度不会超过室温明显升高。其次，时间演化表明，触点的升温在电流密度“打开”后立即发生，触点在“关闭”电流后立即冷却。在这里，5 μs代表激光在LECO过程中“留在”一个位置的典型时间。这次进化支持了CFC理论，该理论阐述了触点的“快速冷却”。
使用模拟电流密度作为“直接接触场景”和“热绝缘接触场景”的输入，我们计算了不同接触半径和不同端子电压的接触点的最高温度。结果如图7所示。
首先，在这两种情况下都可以观察到，小接触半径的温度在开始时会升高，最高可达50纳米左右。这是因为-尽管小触点的电流密度很高-但触点体积中没有足够的热量沉积。进一步增加接触半径，我们观察到温度因电流密度下降而下降，接触半径增加。其次，我们观察到，在“直接接触场景”中，局部温度保持在硅和银的共晶温度（~835°C [21]）以下，远低于硅熔点（~1410°C），即使对于相当强的LECO参数也是如此。
这是因为热导体（银和硅）很快将热量“带走”。相比之下，在“热绝缘接触场景”中，温度达到高于硅熔点的值。这两个发现让我们得出一个假设，即LECO之前的联系人需要满足两个标准，才能被LECO“激活”，并开始成长为当前解雇的联系人：
触点需要部分隔热，才能达到硅熔点以上的温度
触点在LECO工艺之前需要有一定的尺寸，以便产生足够的热量来达到硅熔点
图8显示了一张示意图，该图应显示LECO之前和之后可能接触景观的印象。
当触点变大时，电流密度和温度降低。最终，温度下降到银硅合金共晶点以下，如图7所示(右)。我们相信，在这种接触规模，接触将停止增长。最有趣的是，根据LECO电压，图7所示的接触尺寸在200到400 nm之间。这是典型的PERC电池与磷发射器的连接深度。在我们实验室最近的一项实验中(未在本工作中展示)，我们发现与深结的PERC电池相比，浅层连接的PERC电池对LECO过度处理更敏感。因此，这些发现与实验观察到的行为是一致的。最后，应该指出，本工作中显示的绝对电流密度和温度值是基于对接触界面导电行为的非常粗略的假设。如果改变一个参数(例如，直接电阳率Pag-si)，我们就会得到不同的数字。然而，我们观察到的潜在趋势将保持不变，因此模拟结果揭示了对LECO过程中所发生的事情的有价值的洞察。
结论
通过电路网络模拟，我们发现在LECO过程中，通过接触界面的电流密度为几个MA/cm2。我们导出了在LECO过程中可能出现的最大电流密度的一个简单的经验法则(方程(1)。发现电流密度随接触半径的增大而减小。使用传热模型。我们观察到接触点局部升温很强(达到100°C到8000C之间)，但温度下降到接近这些点，从而解释了在热照相机观察到的过程中表面温度较低的原因。从温度随时间的变化来看，我们可以说触点是瞬间升温和冷却的(在一个相对于有效LECO时间5us可以忽略不计的时间内)，我们还观察到触点必须对硅和银的良好导热量进行隔热，才能达到硅熔点以上的温度。如果接触半径增大，我们观察到温度下降。根据这些发现，我们得出了一个假设，即在LECO工艺之前，触点必须满足活化标准(尺寸和保温)，如果生长相关的温度下降导致Si-Ag合金共晶温度以下，则触点停止生长。计算得到的接触尺寸在典型的磷发射极结深(~300 nm)范围内，与不同发射极深度太阳电池的实验结果一致。
