PECVD硼发射极与poly-Si钝化接触共退火，实现高效TOPCon电池

 

TOPCon电池凭借背面超薄SiOₓ/多晶硅叠层的优异钝化性能，成为n型硅电池主流工艺。然而传统硼扩散工艺成本较高。本研究提出创新解决方案：PECVD单侧沉积+同步退火集成工艺，正面：PECVD沉积硼掺杂氧化硅(SiOₓ:B)层；背面：N₂O等离子体处理的n型多晶硅(poly-Si(n))；单步共退火同步形成双面结构，消除BSG清洗步骤。美能PL/EL一体机测试仪为钝化层界面质量验证和损伤位置定位提供支持。

实验证实，该方法在降低制造成本的同时，可实现21%的转换效率，通过LECO优化与深结设计，效率潜力达25%，提供高性价比升级路径。

实验方法

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(a) 太阳能电池工艺流程图;(b) 硼发射极开发所用样品结构;(c) 多晶硅钝化接触开发所用样品结构

样品制备

基底：4英寸n型直拉单晶硅(FZ, 〈100〉, 2 Ω·cm)

关键工艺：

硼发射极：

HNO₃热氧化（80°C, 10 min, 1.2 nm）→ PECVD沉积SiOₓ:B（SiH₄/CO₂/TMB/H₂）退火（850–950°C, 30–60 min）→ 氢氟酸溶液湿法蚀刻残留SiOₓ:B

背面接触：

N₂O等离子体生长隧穿氧化层（1.3 nm）→ PECVD沉积磷掺杂多晶硅(poly-Si(n), 含2–3% C)管式炉退火（900°C）→ PECVD沉积氢化氮化硅(SiNₓ:H)

电池集成：

同步退火（900°C, 1 h）→ 正面原子层沉积氧化铝(AlOₓ) → 丝网印刷银铝(Ag/Al)栅线 → 背面气相氢氟酸(vapor HF)蚀刻+ITO/Ag溅射

表征技术：

硼发射极形成

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ECV测量:(a)不同退火温度和驻留时间下的硼扩散剖面(b)不同TMB流量下退火后的硼扩散剖面

利用PECVD技术在硅片正表面沉积硼掺杂SiOₓ（SiH₄/CO₂/H₂/TMB）作为扩散源。

通过调控TMB流量和退火参数，实现峰值浓度(3×10¹⁹–1×10²⁰ cm⁻³)和结深(100–600 nm)的精密调节。

优化后的发射极（TMB = 50 sccm）结合AlOₓ/SiNₓ叠层钝化，在传统丝印AgAl烧结后实现ρc < 5 mΩ cm²。

高温稳定的背钝化接触

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对称SiOₓ/多晶硅样品在两种氧化策略下开路电压随热预算的变化

多晶硅(n)对称样品经N₂O处理并在900°C退火1小时后氢化（左）及金属化TLM结构（右）后的光致发光PL图像

传统UV-O₃氧化隧穿层的n-poly-Si钝化接触在实现发射极所需的高温 ( 900°C，> 30 min )下钝化性能(iVoc)急剧下降。

创新性引入N₂O等离子体后处理，显著提升界面稳定性：

在900℃/60min严苛退火后，实现优异表面钝化（iVoc ≈ 720 mV）；

搭配溅射ITO/Ag方案，接触电阻率低至22 mΩ cm²；

光致发光PL下显示良好的均匀性和界面质量。

共退火原型电池集成与性能

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TOPCon太阳能电池的Voc、Jsc、FF和PCE参数

首次将共退火工艺整合应用到TOPCon电池原型中，在未进行接触优化(LECO)的情况下实现了21%的转换效率(PCE)，为简化的共退火工艺提供了有力概念验证。

最佳性能：20.99% PCE (TMB 50 sccm, 峰值烧结温度840°C)，对应Voc=669 mV, Jsc=40.5 mA/cm², FF=78%。

Voc损失的来源随发射极掺杂（TMB流量）和峰值烧结温度的变化

金属诱导复合（尤其浅发射极）、高掺杂浓度奥杰复合及体寿命缺陷是Voc损失主因；发射极薄层电阻和串联电阻导致FF损失。

应用不同策略后的太阳能电池效率提升模拟结果

通过降低峰值掺杂浓度、激光增强接触优化 (LECO) 、细线金属栅设计及CZ硅片应用，模拟效率可提升至25%。

本研究提出一种单步共退火工艺，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）同时形成TOPCon电池的前端硼发射极和后端多晶硅钝化接触，替代传统两步骤工艺，验证了21%转换效率的原型电池并分析了优化路径。

美能PL/EL一体机测试仪

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美能PL/EL一体机测试仪模拟太阳光照射钙钛矿太阳能电池片，均匀照亮整个样品，并用专业的镜头采集光致发光（PL）信号，获得PL成像；电致发光（EL）信号，获得EL成像。通过图像算法和软件对捕获的PL/EL成像进行处理和分析，并识别出PL/EL缺陷，根据其特征进行分析、分类、归纳等。

• EL/PL成像，500万像素，实现多种成像精度切换
• 光谱响应范围：400nm~1200nm
• PL光源：蓝光（可定制光源尺寸、波长等)
• 多种缺陷识别分析(麻点、发暗、边缘入侵等)可定制缺陷种类

美能PL/EL一体机测试仪对钝化层均匀性及金属诱导缺陷进行高精度分析——其500万像素双模成像（PL/EL）、400–1200 nm宽光谱响应及智能缺陷识别（麻点/边缘入侵等），为电池工艺优化提供核心数据支撑，加速产业化应用。

原文参考：Co-annealing of PECVD boron emitters and poly-Si passivating contacts for leaner TOPCon solar cell fabrication

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