TOPCon电池poly-Si层的沉积掺杂工序提效优化

TOPCon技术通过超薄SiOₓ和磷掺杂多晶硅（n⁺-poly-Si）层实现载流子选择性传输，理论效率可达28.7%。然而，poly-Si层厚度存在矛盾：过厚层（>100 nm）增加寄生吸收损失，过薄层（<50 nm）则无法抵抗银浆腐蚀，导致金属化接触失效。本文通过美能在线Poly膜厚测试仪对poly-Si层膜厚的测量制备30–100 nm厚度梯度的n⁺-poly-Si层，系统研究厚度对接触电阻率（ρc）、复合电流密度（J₀,metal）及电池效率的影响，为工业化薄层化工艺提供依据。

n-TOPCon制备工艺

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采用n型Cz-Si晶圆（330.15 cm²），经碱液制绒后，通过LPCVD沉积1.6±0.2 nm SiOₓ层和30~100 nm本征非晶硅（a-Si）层。a-Si层在850°C下结晶为poly-Si，并原位掺磷（POCl₃/O₂/N₂气氛）。随后用5% HF溶液去除磷硅酸盐玻璃（PSG），通过电化学电容-电压（ECV）剖面分析确定掺杂浓度。最后，采用丝网印刷技术在H型栅格上印刷Ag浆料，经730°C烧结形成金属接触。(a) n-TOPCon太阳能电池结构示意图(b) 四探针方阻测试仪原理图

poly-Si层厚度对钝化性能影响

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不同厚度n⁺-poly-Si/SiOₓ层的ECV浓度分布（a）及方阻（b）

 

不同厚度n⁺-poly-Si层的ECV剖面显示，表面浓度均高于5×10²⁰ atoms/cm³，但总掺杂量随厚度增加而上升。当厚度从100 nm降至30 nm时，方阻（R□）从45 Ω/□增至57 Ω/□，表明薄层总掺杂量不足导致电阻升高。

电池的J₀（a）和PL强度（b）

 

J₀值随厚度变化较小（约0.5 fA/cm²），但30 nm时因磷扩散深度较浅（~15~20 nm），奥格复合增强，J₀略高于100 nm样品。光致发光（PL）测试表明，30 nm层仍能有效钝化，印证SiOₓ层的场效应钝化作用。

金属接触复合机制

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不同厚度n⁺-poly-Si层的J₀,measured与金属化比例关系：(a) 30 nm, (b) 50 nm, (c) 70 nm, (d) 100 nm；(e) J₀,metal随厚度变化

 

J₀,metal随poly-Si层减薄显著增加：70~30 nm时，J₀,metal从304 fA/cm²升至545 fA/cm²。

Ag/poly-Si界面截面SEM图：(a) Ag栅线与n⁺-poly-Si接触界面；(b) Ag块状结构与非均匀界面；(c) poly-Si表面白色Ag析出颗粒

 

SEM分析显示，Ag浆料腐蚀导致薄poly-Si层（<70 nm）界面不均匀，局部区域被穿透，Ag颗粒沉淀加剧复合。厚层（100 nm）因掺杂浓度高且抗腐蚀能力强，J₀,metal最低（26 fA/cm²）。

太阳能电池接触电阻率（ρc）随poly-Si厚度变化

 

此外，ρc随厚度增加先降后升，70 nm时达最优值（3.9 Ω·cm²），表明厚度需平衡掺杂浓度与Ag腐蚀深度。

I-V 参数优化

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n-TOPCon太阳能电池的I-V参数

 

70 nm 厚层电池实现了 25.47% 的转换效率，Voc 为 723.5 mV，Jsc 为 42.01 mA/cm²，FF 达 83.8%。尽管 J₀,metal（304 fA/cm²）高于 100 nm 层，但电流增益补偿了 Voc 损失。值得注意的是，厚度小于 40 nm 时，Jsc 未因寄生吸收降低而提升，反而因 Ag 腐蚀导致光生电子收集效率下降。

光学与量子效率对比

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(a) 70 nm与100 nm样品的量子效率（IQE，实线）和光学反射（虚线）；(b) 电流损失机制分析

 

70 nm 厚层的内部量子效率在 < 550 nm 短波长处显著高于 100 nm 层，归因于低总磷掺杂浓度减少了蓝光吸收。同时，薄层的近红外寄生吸收损失降低，使 Jsc 增加 0.14 mA/cm²，但需平衡前表面织构损伤导致的反射率增加。本文研究了n+poly-Si层厚度对n-TOPCon太阳能电池金属化接触性能的影响。结果表明，n+poly-Si层厚度对J₀值影响较小，但对J₀,metal值和接触电阻率有显著影响。最佳的poly-Si层厚度为70 nm，可以在保持低J0,metal值的同时，实现低接触电阻率，从而提高电池转换效率至25.65%。该优化工艺可在光伏行业中广泛应用，以减少加工时间和降低成本。

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