基于激光掺杂与氧化层厚度调控的IBC电池背表面场区图案化技术解析

IBC太阳能电池因其背面全电极设计，可消除前表面金属遮挡损失，成为硅基光伏技术的效率标杆。然而，传统图案化技术（如光刻、激光烧蚀）存在工艺复杂或硅基损伤等问题。本研究创新性地结合激光掺杂与湿法氧化特性，通过局部高浓度磷掺杂增强氧化速率并结合美能在线膜厚测试仪实时监测SiO₂厚度，实现自对准图案化与高效钝化。

实验方法

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材料：p型CZ-Si（180 μm，4 Ω·cm），POCI₃与BBr₃液态掺杂源。关键步骤：

• PSG层沉积与激光选择性掺杂；
• 湿法热氧化（850°C，30分钟）生成厚/薄氧化层；
• HF选择性蚀刻与KOH织构化；
• BBr₃扩散形成p⁺发射极，PECVD沉积SiNₓ钝化层，丝网印刷金属化。

Deal-Grove模型模拟与氧化特性

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磷表面掺杂浓度对湿法与干法热氧化氧化层厚度的影响基于Deal-Grove硅氧化动力学模型，模拟湿法（H₂O）与干法（O₂）氧化中磷表面浓度（Ns）对氧化层厚度（dox）的影响。结果显示：

• 湿法氧化在Ns=7×1019 cm−3时dox=125 nm，是轻掺杂区（48nm）的2.6倍；
• 干法氧化速率低（dox<20 nm），无法满足选择性蚀刻需求。

实验数据与模拟值的偏差源于激光掺杂的非均匀分布（误差函数 vs. 理想矩形分布）。

激光掺杂参数调控

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激光掺杂n⁺⁺区域的电学特性上图显示激光脉冲能量密度（Hp）对薄层电阻（Rsh）及氧化层厚度（dox）的影响：

• Zone-I（Hp<1.1 J/cm2）：能量不足，无掺杂效应；
• Zone-II（1.1p<2.1 J/cm2）：Rsh线性下降（160→75 Ω/sq），Ns从4×1018 cm−3升至6×1019 cm−3，dox增至123 nm；
• Zone-III（Hp>2.1 J/cm2）：硅表面蒸发导致Ns降低，dox减少至75 nm。

优化Hp=2.1 J/cm2可实现高掺杂浓度与氧化层厚度的平衡。

IBC电池工艺流程与优化

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IBC电池结构及制造流程图a展示了IBC电池的横截面结构：n型硅基底上交替分布p⁺发射极与n⁺⁺BSF，表面覆盖SiNₓ钝化层与金属电极。图b详述了制造流程：

• 激光掺杂与氧化：POCI₃扩散生成磷硅玻璃（PSG），激光选择性掺杂后湿法氧化（850°C，30分钟），形成厚/薄氧化层分区。
• 选择性蚀刻与织构化：HF蚀刻去除非掺杂区薄氧化层（48 nm），保留BSF区厚氧化层（75 nm）作为KOH织构化的蚀刻阻挡层（蚀速比Si慢200-400倍）。

掩模SiO₂厚度对BBr₃扩散的影响

• BBr₃扩散与钝化：55 nm氧化层完全屏蔽硼扩散，形成p⁺发射极（Rsh=350 Ω/sq，基区电阻主导）。PECVD沉积SiNₓ钝化层后，丝网印刷金属电极完成电池制备。

IBC电池性能

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表1. IBC太阳能电池的电流-电压特性汇总

表1总结了概念验证电池的I-V特性：中值效率为20.09%（Voc=652.3 mV，Jsc=40.22 mA/cm2，FF = 76.79%），最高效率达20.42%。限制因素包括：

• 激光诱导体缺陷与氧化层堆垛层错；
• p⁺发射极与n⁺⁺ BSF的钝化质量差异。

研究表明，通过利用局部激光掺杂n⁺⁺背表面场（BSF）区域的增强氧化特性，可在IBC电池背面实现图案化，并屏蔽激光掺杂n⁺⁺BSF区域免受后续BBr₃扩散的影响。研究系统探究了激光脉冲能量密度（Hp）对激光掺杂n⁺⁺c-Si薄层电阻（Rsh）及湿法热氧化后SiO₂厚度（dox）的影响。

美能在线膜厚测试仪

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采用微纳米薄膜光学测量技术，能够实现超广测量范围20nm-2000nm和0.5nm超高重复性精度，可对样品进行快速、自动的5点同步扫描。

Poly膜厚测试范围20nm-2000nm

快速、自动的5点同步扫描

非接触、无损测量，零碎片率

24小时自动且不停线校准，保证生产效率

实验过程中采用美能在线膜厚测试仪对氧化层厚度进行非接触式动态监测，其0.5nm超高重复性精度和五点多维同步扫描技术，有效保障了掺杂区（125nm）与非掺杂区（48nm）氧化层的精准区分。此方法通过简化工艺质量控制环节，有望推动IBC电池的低成本产业化。

 

原文参考：Structuring Interdigitated Back Contact Solar Cells Using the Enhanced Oxidation Characteristics Under Laser-Doped Back Surface Field Regions*特别声明：「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，若有侵权，请及时联系我司进行删除。