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n-TOPCon 电池 B 掺杂影响

Published:

2023-11-02 00:00

Source:

/ n-TOPCon 电池 B 掺杂影响 /

整理时间：2023-02-13 13:14
来源：Impact of boron doping on electrical performance and efficiency of n-TOPCon solar cell, [https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.075]
关键词：B扩散，结深，峰值浓度，钝化影响，接触电阻率

问题

B扩掺杂曲线对n-TOPCon电池影响

I-V参数: Voc/FF/Rser/Jsc
峰值浓度 peak concentration
结深 junction depth
饱和电流密度
接触电阻率

关键结论

饱和暗电流影响

随着结深和峰值浓度的增大，钝化区变大。原因是表面复合及体复合加剧
降低钝化区饱和电流密度，方向是低表面浓度+浅结
结深0.5~0.85 μm范围内，随着结深增加，峰值浓度增大，金半接触区变小。可用“传输受限发射极”（对体复合不敏感）概念解释：发射区重掺区域空穴浓度非常高，空穴寿命较低，因此空穴复合速率也较低。提升掺杂浓度，可降低金半接触区饱和暗电流密度。结深大于1.0 μm时，金半接触区饱和电流密度反而变大，主要是体复合加剧影响。
降低金半接触区饱和暗电流，可以提高重掺区提高掺杂浓度和适当的结深~0.8um
SE技术综合轻扩区（钝化区）和重扩区（金半接触区域）优势
Ag/Al浆腐蚀深度 0.45~0.63 μm，比耗尽区宽度高5倍以上，可不考率耗尽区对接触电阻的影响
B掺杂浓度大于以上时，会显著增加金半接触区复合。表明在深度0.63 μm处B掺杂浓度临界点要低于E+18量级

接触电阻率

随着峰值掺杂浓度增加，结深增加，接触电阻率减小
结深不变，可通过提升掺杂浓度，接触电阻率可由4.5降至1.1 mΩ/cm²
掺杂峰值浓度不变，可通过提高结深，将接触电阻率降至1.1 mΩ/cm²

iVoc影响

QSSPC方式，取值1E15 cm-3过剩载流子浓度，1-sun光照条件下iVoc值
结深相同，随着峰值浓度的增加，iVoc降低
峰值掺杂浓度相同，随着结深的增加，iVoc降低
相比峰值掺杂浓度，结深对iVoc影响更大，绒面片双面硼扩+AlOx/SiNx钝化，iVoc可达到710+ mV

讨论

文献报道，n+ poly-Si发射极最低复合电流密度：

钝化层之下， ~ 1.4 fA/cm²，抛光片
金半接触区， ~ 35 fA/cm²

文献报道，n+ poly-Si发射极最低复合电流密度：

B掺杂p+层发射区复合:

非金半接触区：可降低至 11 fA/cm2 150Ω/sqr
Ag-Al栅接触区优化前高达 1000 fA/cm2，优化后可将至 ~300fA/cm2

B掺杂发射极制备方法：

BBr3/BCl3管式扩散
硼酸Boric acid扩散
B离子注入

目标：降低发射极饱和暗电流密度，提升iVoc。实现方式：

前表面B扩发射极p+层，低表面浓度+浅结
金半接触电阻率要足够低，保证接触性能
Ag/Al浆特性，金半接触区域高复合如何优化？
- 深结掺杂降低金半接触区域复合损失
- 高表面浓度-->低接触电阻率

前人文献总结：

Al2O3介质膜带固定负电荷，对B扩发射极有很好的钝化效果
湿化学处理后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）
双面扩散后，硅片少子寿命可提升至1.2~1.5 ms
浆料中添加Te可改善低接触电阻率实现温度区间
BCl3可用于B扩发射极的扩散实现
较低的峰值掺杂浓度，可能会使金半接触区域的饱和电流密度变大，接触电阻率升高
激光掺杂可实现B扩SE
ALD Al2O3/PECVD SiNx对B扩发射极可实现良好钝化效果
BBr3扩散过程原位氧化，可提升钝化效果
用铝Al浆取代Ag-Al浆，可获得更高的iVoc和更低的
AlOx capping层厚度对B扩发射极钝化效果有影响
Ag/Al栅线下金半接触区复合，低B掺杂发射极复合更严重
B RVD方式掺杂
B扩发射极深结可有效降低金半接触区域复合
BSG厚度、B扩方阻受O2流量影响
推进温度、氧化温度是B扩最敏感的两个影响因素
掺杂浓度低于时，作为电流传输机制，需要考虑热声子发射及热声子场发射效应
结深越深，接触电阻率越低
耗散区对接触电阻率的影响可以忽略
B掺杂过程中的表面污染会限制效率
B在SiOx中的溶解度高于在晶硅c-Si中的溶解度

B扩发射极钝化后饱和暗电流密度

随着结深和峰值浓度的增大，钝化区变大。原因是表面复合及体复合加剧
降低钝化区饱和电流密度，方向是低表面浓度+浅结
结深0.5~0.85 μm范围内，随着结深增加，峰值浓度增大，金半接触区变小。可用“传输受限发射极”（对体复合不敏感）概念解释：发射区重掺区域空穴浓度非常高，空穴寿命较低，因此空穴复合速率也较低。提升掺杂浓度，可降低金半接触区饱和暗电流密度。结深大于1.0 μm时，金半接触区饱和电流密度反而变大，主要是体复合加剧影响。
降低金半接触区饱和暗电流，可以提高重掺区提高掺杂浓度和适当的结深~0.8um
SE技术综合轻扩区（钝化区）和重扩区（金半接触区域）优势

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.

金半接触界面微结构

Ag/Al浆腐蚀深度 0.45~0.63 μm，比耗尽区宽度高5倍以上，可不考率耗尽区对接触电阻的影响
B掺杂浓度大于以上时，会显著增加金半接触区复合。表明在深度0.63 μm处B掺杂浓度临界点要低于E18量级

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.

接触电阻

随着峰值掺杂浓度增加，结深增加，接触电阻率减小
结深不变，可通过提升掺杂浓度，接触电阻率可由4.5降至1.1 mΩ/cm2
掺杂峰值浓度不变，可通过提高结深，将接触电阻率降至1.1 mΩ/cm2

Precursor iVoc

QSSPC方式，取值1E15 cm-3过剩载流子浓度，1-sun光照条件下iVoc值
结深相同，随着峰值浓度的增加，iVoc降低
峰值掺杂浓度相同，随着结深的增加，iVoc降低
相比峰值掺杂浓度，结深对iVoc影响更大

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参数影响

B掺杂曲线可以调整实际Voc与iVoc之间的差异，差异为栅线接触影响
结深对Voc的影响大于峰值掺杂浓度影响
饱和电流密度

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极限电流密度 46.43 mA/cm2

三种电流损失

蓝光损失
基体收集损失
不均匀导致的损失，硅片片内质量不均匀导致的电流损失
复合导致的电流损失
- 发射区和基区扩散长度不足
- 受峰值掺杂浓度和结深影响
- NIR寄生吸収损失，绕镀影响
结深越深，蓝光损失越高

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.