上海交通大学，Topcon 太阳电池中背面形貌的影响 (1)-solarbe文库

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丁东 1,2 ，刘荣林 3 ，展士飞 3 ，陈嘉 3 ，沈文忠 1,2 背面形貌对接触电阻的影响 Effect of rear surface roughness on contact resistance 1 上海交通大学太阳能研究所 2 上海交通大学物理与天文学院上海 200240 3 中来光电科技有限公司泰州江苏 225500目录 ➢ 金属- 半导体接触原理肖特基接触 ➢ 金属- 半导体接触原理欧姆接触 ➢ 背面形貌实验结果分析 ➢ 接触电阻测试 ➢ 接触电阻的影响因素 ➢ 研究成果小结⚫ 孤立金属及n型半导体能带图 ⚫ 金属功函数qϕ m ；半导体功函数qϕ s ；电子亲和能qχ ⚫ 金属与半导体紧密接触 ⚫ 热平衡时，费米能级必须相同，真空能级必须连续，理想金属- 半导体接触具有唯一能带图 ⚫ N 型半导体势垒高度qϕ Bn qϕ m -qχ ，P 型半导体势垒高度qϕ Bp E g -qϕ m -qχ ，其中q ϕ Bn ϕ Bp E g ⚫ 电子由半导体导带进入金属时所遇到内建电势，V bi ϕ Bn -V n ，其中V n 是导带底与费米能级间距金属- 半导体接触基本原理⚫ 肖特基势垒（ϕ Bn 或 ϕ Bp kT ） ⚫ 载流子运输机制①半导体中多数载流子热离化发射越过势垒进入金属（见左图1 ） ⚫ I-V 特性 ⚫ ②少数载流子热离化发射 ⚫ I-V 特性 ⚫ 少子电流J po 比多子电流J s 小数个量级 1 肖特基接触⚫ 比接触电阻定义低R c 实现方法①降低势垒高度；②减小势垒宽度 ⚫ 高掺杂浓度下比接触电阻所以，在隧穿范围内R c 强烈依赖于掺杂浓度，并以ϕ Bn /N D 1/2 为因子呈指数变化（见左图2 ） ⚫ N D ≥ 10 19 cm -3 时，R c 由隧穿过程主导并随杂质浓度上升而迅速下降； N D ≤ 10 17 cm -3 时，电流由热离化发射主导，此时R c 与掺杂浓度无关 2 欧姆接触电池结构设计 ⚫ 背面形貌设计在光学上的优势是首要考虑因素θ 48.9 ° 26.5° 12.8° 51.3° 0° ⚫ 反射角θ 减小，绒面宽度越大，绒面高度降低 ⚫ 反射角θ很小的硅片绒面呈平坦的台阶形状不同形貌SEM界面680 690 700 710 720 730 740 750 760 734 734 720 724 719 718 0° Implied-V OC mV 54.7° Pyramid q decreasing 711 钝化测试 ⚫ 反射角θ 的减小有利于钝化0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 3.8 4.0 6.5 8.4 9.1 9.5 15.4 Pyramid q decreasing 0° 54.7° J 0 fA/cm 2 钝化测试 ⚫ 反射角θ 的减小可以降低复合电流J 0680 685 690 695 700 705 48.9° V OC mV 0° Pyramid q decreasing 40.2 40.4 40.6 40.8 41.0 41.2 41.4 0° J SC mA/cm 2 48.9° Pyramid q decreasing 70 72 74 76 78 80 82 84 0° FF 48.9° Pyramid q decreasing 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 0° Eff 48.9° Pyramid q decreasing ⚫ θ 为12.8 ° 时，平均效率23.33 ，主要源于V OC 的提高，最高效率23.59 ⚫ θ接近0 时，平均效率只有20.15 ，主要由接触电阻过大造成电学性能测试金属电极与硅的接触SEM 2μm 500nm 2μm 500nm接触电阻 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0° 61 10.1 15.9 6.4 6.4 9.1 R c m Wcm 2 9.6 54.7° Pyramid q decreasing ⚫ 当反射角θ减小到一定程度，接触电阻值开始极剧增大 ⚫ 在反射角θ 很小时，缩短反应时间有利于降低接触电阻接触电阻优化 0 30 60 90 120 150 180 210 240 高掺杂 23.5 32.6 26 54.7 60 67.5 26.3 67.2 99.1 R c m Wcm 2 2.92 低掺杂退火温度升高退火温度升高退火温度升高中掺杂 ⚫ 优化掺杂分布的方式虽然能部分程度降低接触电阻，但是效果不明显，需要进一步分析原因三、原因分析①Ag栅线烧结后的SEM 图 M. Ju, Materials Science in Semiconductor Processing, 2018, 85, 68. ⚫ 印刷Ag 电极的宽度受到硅片表面形貌的影响Ag 栅线烧结过程模型图 ⚫ Ag 颗粒尺寸1.13.72μm ，抛光面和小金字塔尺寸小于0.12μm ，大金字塔尺寸大于10μm ⚫ 采用50μm 的patterned masks 印刷，多晶硅绒面宽度64 μm ，单晶硅71μm ，多晶绒面更平坦 ⚫ 单晶硅前电极印刷中，大绒面印刷电极更宽，遮光损失比小绒面高0.7mA/cm 2②金属- 半导体接触基本原理 ⚫ 慢冷却，Ag 在硅表面容易形成大块的倒金字塔 ⚫ 快冷却，Ag 颗粒容易分散在玻璃料中，很难形成大块倒金字塔 ⚫ PbO 含量的提升会增加Ag 的溶解度，从而加强Ag 对硅表面的Etching 深度金属- 半导体接触基本原理 ⚫ 烧结开始，Ag 和Glass frit随机混合 ⚫ 熔融Ag 与氧反应，形成Ag 和O 2- ⚫ 倒金字塔形成，Ag 原子开始富集在Si 表面的倒金字塔附近 ⚫ 富集的Ag 原子逐渐超过溶解度，沉淀开始析出 ⚫ 冷却时，倒金字塔中的Ag 优先成核形成Ag晶体 K. Hong, Met. Mater. Int., 2009, 15, 307. ③SiNx折射率优化降低ρ c SiN x Si Ag ⚫ SiN x 钝化膜存在最佳折射率，使得ρ c 最低 X.Y . Chen, Solar Energy, 2016, 126, 105. SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ 从a 到d ，SiH 4 /NH 3 气流比例逐渐增大 ⚫ 在d 图观察到金属覆盖面积最小， ρ c 高SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ c 图金属颗粒数量最大，覆盖面最大，Ρ c 低SiN x 折射率优化SEM 图 ⚫ c 金属块体电极与Si 衬底之间，存在融于界面SiO 2 玻璃体之间的 Ag 颗粒，能起到载流子隧穿的载体作用研究成果小结 ➢ 减小绒面角度θ能获得优异的硅片钝化性能，implied-V OC 可以在常规样品的基础上进一步提升16mV，达到734mV ； ➢ 角度θ 在12.8-48.9 °范围的硅片， θ的减小可以提高电池平均转换效率，在参考组电池平均效率23.21 的基础上进一步提升0.12 （绝对值）； ➢ 角度θ过小的硅片在初始实验中，接触电阻不具有优势，可以通过优选金属浆料、调节烧结温度和烧结时间以及匹配掺杂条件等方式进行改善，目前高钝化硅片的接触电阻可以在20mΩcm 2 的基础上进一步减小4/5 以上； ➢ 本实验中，电池最高转换效率23.6 ，开路电压703mVThank you very much Contact e-mail wzshensjtu.edu.cn