光伏技术 | LPCVD-薄膜沉积技术

TOPCon 电池技术，即隧穿氧化层钝化接触技术，由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所于 2013 年提出，是一种基于选择z性载流子原理的隧穿氧化层钝化接触太阳能电池，其电池结构为 N 型硅衬底电池，在电池背面制备一层超薄氧化硅，然后再沉积一层掺杂硅薄层，二者共同形成了钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合，提升了电池的开路电压和短路电流，提高电池效率。

隧穿氧化层是一层厚度1～2nm的SiOx，通常SiOx作为绝缘层出现在半导体器件中，但由于SiOx介电层非常薄，不会阻碍多子的传输但会阻碍少子达到界面。多子通过隧穿原理实现输运，少子则由于重掺杂Poly－Si和Si之间的势垒难以通过该氧化层，因此可以显著降低界面复合，隧穿效应如上图所示。钝化接触结构中SiOx通过化学钝化降低Si基底与Poly之间的界面态密度，减少界面缺陷复合。可实现复合电流密度J0＜10fA／cm2，开路电压接近甚至超过700mV。

因为SiOx非常薄，在制备过程中非常容易生成针孔。载流子通过SiOx输运是量子隧穿效应，但通过针孔可以直接穿过。针孔的数量和SiOx的厚度对最终的效率都有直接的影响。

载流子通过针孔输运时，Rs下降，FF升高，效率随着针孔数量的变化可达到一个最高值。但在高密度针孔区域进一步增强针孔输运，所有的性能参数（Voc，Jsc，FF）开始下降，导致效率降低。

这个现象可以这样解释：在纯隧穿的条件下，非线性的J－V特性显示出高的衍生电阻，因此会导致FF的降低。当有针孔时，载流子也可以通过直接穿过SiOx，这可以降低Rs，因此会提高FF和效率直到达到最大值。然而，进一步提高针孔输运将会增加载流子的一个分流路径，减小结的势垒高度，降低Voc。针孔数量增加也会降低钝化性能，提高表面复合，降低电池性能。

因此在超薄氧化硅钝化层中一定合适数量的针孔对于足够厚的SiOx（例如1.5nm）是必须的，这对于提高FF很有必要。实际太阳电池中如果Voc很低，表明输运通道可能有太多针孔，这会导致钝化性能很差。所以，选择SiOx厚度和控制针孔密度是一个技术难点。

2.2 Poly-Si-掺杂多晶硅层

① 重掺杂多晶硅层对电池的钝化性能至关重要。首先，Poly层对超薄氧化层起保护作用，避免其遭到破坏。其次，对Poly层进行重掺杂形成高低结（n／n＋－Si），能够有效降低载流子在背面的复合速率，进一步提高太阳能电池转换效率。

② 重掺杂多晶硅工艺的参数对钝化性能十分关键，过高的扩散温度或者退火温度会使内扩散严重造成iVoc衰减，并且Poly层膜厚的降低也会导致磷原子内扩散到晶体硅中，降低iVoc。

③ 掺杂浓度对钝化性能有较大影响，杂质浓度较低范围内，钝化性能随着掺杂浓度升高而升高，但到峰值后开始随着掺杂浓度升高钝化性能急速下降。这反应了iVoc随着掺杂浓度的提高而下降是因为磷原子向晶体硅内扩散随着掺杂浓度的提高而提高，另一方面是由于磷原子在层中的扩散浓度高于固溶度而造成死层。

④ 隧穿电流是输运系数的函数，这由Si／SiOx之间的势垒高度决定，SiOx层界面的载流子浓度会决定势垒高度。所以，可以得出结论当poly层中掺杂浓度改变会导致隧穿电流改变。

3.1 LPCVD定义：

低压化学气相沉积法(Low-pressure CVD，LPCVD)的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力，降低到大约133Pa以下的一种CVD反应。

3.2 PECVD定义：

等离子体增强型化学气相沉积（简称PECVD），是一种在较低的压力下，利用电磁场产生放电，通过电子碰撞使通入气体分解成高活性的粒子，从而在气相和基板表面发生化学反应而沉积薄膜的方法。PECVD技术可用于沉积非晶硅、微晶硅、硅锗、氮化硅等薄膜。

3.3 CVD定义：

化学气相沉积（CVD）就是通过气体混合的化学反应在晶圆表面淀积一层固体膜的工艺，这是常在半导体制程中使用的技术。CVD技术具有淀积温度低（500℃~1100℃）、薄膜成分与厚度易控、膜厚遇淀积时间成正比、均匀性与重复性较好、台阶覆盖优良、操作简便、使用范围广泛等一系列特点。

4.
LPCVD工艺优点

4.1 在常压下，气体分子运动速率快于化学反应速率，成膜时会因为反应不完全形成孔洞，影响成膜质量，通过真空泵将炉腔内抽成低压，使得在适当温度下，分子的运动速率慢于化学反应速率，提高了成膜质量。

4.2 LPCVD是目前TOPCon薄膜沉积的主要技术，具备较佳的阶梯覆盖能力，成膜质量好，可以控制膜的组成成份和结构，气体用量小，依靠加热设备作为热源来维持反应的进行，降低了颗粒污染源。

4.3 设备投资少，占地面积小。

4.4 LPCVD设备可一站式完成隧穿氧化层和poly层的制备。热氧和淀积poly层两个工艺二合一能够大幅提高产能，降低设备成本，相对于其他设备有较大优势。

4.5 热氧工艺完成后在低压状态下进行淀积poly层，除节约时间外，更重要的是能够对超薄氧化硅层起到保护作用，一方面使氧化层不会在出舟过程中被进一步氧化，失去隧穿效应；另一方面氧化层也不会在空气中被污染。

5.
LPCVD工艺流程

5.1 隧穿氧化层可通过热氧法得到，降低氧气分压后，氧化速率缓慢，可得到厚度和均匀性可控的氧化硅膜层，poly层可通过高温下硅烷的热分解实现。

5.2 LPCVD能同时实现氧化层、本征非晶硅层，工业应用技术非常成熟。LPCVD法均适用于氧化层SiO2、本征非晶硅层的制备，且两者反应温度相近，均在600℃左右。以LPCVD法制备氧化层SiO2，以及本征非晶硅层a-Si工艺为例，实践中仅需要在两者反应中间，加入N2清洗、捡漏、抽真空等操作，即可在同一工步完成SiO2/本征非晶硅膜的制备。

5.3 LPCVD沉积膜不具备方向性，因电池片立于石英舟之上，氧化层及本征多晶硅层也同样会附着在电池片的侧面及正面，形成包裹，即“绕镀”现象。多余的隧穿层、掺杂多晶硅层必须被去除，因此后续需要引入“去绕镀”工艺，但LPCVD绕镀成为痛点的根本原因在于去绕镀较难控制，影响电池良率。

6.
LPCVD设备优势

6.1 该设备是针对TOPCon电池研发的卧式LPCVD，能够完成TOPCon电池背面隧穿氧化层和Poly层的制备，具有以下优势：

① 产能大。该机型为量产型LPCVD，每台设备5根炉管，单管1200／1600片两种可选； ② 工艺效果优异，具体数据见下文：

poly膜厚160nm整舟和不同温区硅片镀膜情况（在带有氧化层法的硅衬底上淀积poly，通过颜色反映膜厚均匀性）,整舟硅片淀积poly后颜色一致，六个温区各取一片测试，外观颜色基本无差别，可初步判断poly层膜厚均匀性良好。

采用SEM观察淀积poly层后的硅片截面，可以清晰分辨出由氧化层隔开的poly层。

c. 使用椭偏仪对poly层厚度进行精确测量，膜厚和均匀性见上表，膜厚均值158.8nm，片内均匀性＜2％，片间均匀性＜4％，该工艺已实现TOPCon电池产线稳定量产。