SiNx บางเกินไปและซิลเวอร์เพสต์ทะลุผ่านชั้นโพลี หนาเกินไปและความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้น 600 เท่า: ISFH ชี้ทางแก้
แนะนำผลิตภัณฑ์
ใครก็ตามที่ดำเนินการสายการผลิต TOPCon จะต้องเจอปัญหานี้ เคลือบ SiNx บางเกินไปก็กลัวว่าซิลเวอร์เพสต์จะไหม้ทะลุชั้นพาสซิเวชัน ทำให้ Voc ลดลง เคลือบหนาเกินไปความต้านทานการสัมผัสก็พุ่งสูง และ FF ก็ไม่สามารถคงอยู่ได้ บางก็กลัว หนาก็กลัว แล้วความหนาเท่าไหร่ถึงจะ "พอดี"?
ในปี 2022 ทีมของ Min Byungsul ที่ ISFH (สถาบันวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ Hamelin ประเทศเยอรมนี) ได้ตีพิมพ์การศึกษาใน AIP Conference Proceedings ที่แยกแยะปัญหานี้ พวกเขาใช้ หน้าสัมผัสพาสซิเวต POLO — ชื่อทางวิชาการของสิ่งที่อุตสาหกรรมเรียกว่า TOPCon โดยพื้นฐานแล้วเป็นโครงสร้างออกไซด์บางพิเศษบวกกับโพลีซิลิคอนเจือสาร SiOx/poly-Si — เพื่อแยกสิ่งที่เกิดขึ้นจริง
ข้อสรุปหลักไม่ซับซ้อน: ความหนาของ SiNx และอุณหภูมิการเผาเป็นคู่ที่ต้องจับคู่กัน เปลี่ยนความหนาต้องปรับอุณหภูมิ ขยับอย่างใดอย่างหนึ่งโดยไม่ขยับอีกอย่างหนึ่ง Voc จะลดลงหรือ FF จะพัง
พารามิเตอร์ทางเทคนิค
การตั้งค่าการทดลอง
ISFH ใช้ เวเฟอร์ CZ ชนิด pโดยมี หน้าสัมผัส POLO n⁺ ที่ด้านหลังเซลล์ (ออกไซด์อุโมงค์บวกโพลีซิลิคอนเจือฟอสฟอรัส)
ตัวแปรสำคัญสองตัว:
ความหนาของ SiNx ด้านหลัง — ตั้งแต่ 40nm ถึง 80nm
อุณหภูมิการเผาสูงสุด — ปรับระหว่าง 790°C ถึง 810°C
จากนั้นพวกเขาวัดสองสิ่ง: ความต้านทานการสัมผัส ρc (โดย TLM) และ พารามิเตอร์ IV ของเซลล์.
ก่อนหน้านี้เราดูงานวิจัยของ JA Solar ปี 2016 เกี่ยวกับว่า องค์ประกอบทางเคมี (อัตราส่วน Si/N) ของ ด้านหน้า ฟิล์มกันแสงสะท้อน SiNx ส่งผลต่อการสัมผัสของซิลเวอร์เพสต์ งานของ ISFH ปี 2022 นี้เกี่ยวกับว่า ความหนาทางกายภาพ ของ ด้านหลัง SiNx capping ส่งผลต่อการสัมผัสของซิลเวอร์เพสต์ เมื่อรวมทั้งสองเข้าด้วยกัน คุณจะครอบคลุมทั้งสองมิติ — "องค์ประกอบทางเคมี" และ "ความหนาทางกายภาพ" ฟิล์มหน้าและฟิล์มหลัง
ตัวอย่างทั้งหมดถูกเผาที่ 800°C โดยเปลี่ยนเฉพาะความหนาของ SiNx ด้านหลัง
| ความหนา SiNx | ค่ามัธยฐาน ρc (800°C) | สถานะ |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | ต่ำมาก |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | เริ่มสูงขึ้น |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | สูงขึ้นอย่างชัดเจน |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | โซนเปลี่ยนผ่าน, เพิ่มขึ้นชัน |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | สูงกว่า 40nm เกือบ 600 เท่า |
การสแกนอุณหภูมิการเผาบนตัวอย่าง 55nm และ 60nm
| เงื่อนไข | ค่ามัธยฐาน ρc |
|---|---|
| 55nm SiNx + 800°C | 3.2 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 805°C | 2.8 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 810°C | 2.0 mΩ·cm² |
ข้อได้เปรียบทางเทคนิค
ข้อค้นพบแรก: หนาเกินไป เพสต์จะไม่สามารถเผาทะลุได้
ตัวอย่างทั้งหมดถูกเผาที่อุณหภูมิสูงสุด 800°C โดยเปลี่ยนเฉพาะความหนาของ SiNx capping ด้านหลัง รูปแบบชัดเจนจากตารางด้านบน — ปริมาณ SiNx ที่เพสต์สามารถเผาทะลุได้ระหว่างการเผามีจำกัด เมื่อเกินขีดจำกัดนั้น เพสต์จะไม่สามารถไปถึงโพลีซิลิคอนด้านล่างได้ ดังนั้นความต้านทานการสัมผัสจึงเพิ่มสูงขึ้น
ภาพ SEM ให้หลักฐานโดยตรง:
40nm SiNx: แผ่นแปะไหม้ทะลุทั้งชั้น SiNx และโพลีซิลิคอน เหลือไว้มากมาย หลุมกัดขนาดไมครอน บนโพลี โพลีซิลิคอนถูกกำจัดออกทั้งหมดเฉพาะที่ — การสัมผัสดี แต่ชั้นพาสซิเวชันเสียหาย
80nm SiNx: มีหลุมกัดขนาดเล็กมากจำนวนน้อยมาก ไม่มีบริเวณที่โพลีถูกกำจัดออกทั้งหมด — พาสซิเวชันคงอยู่ แต่ความต้านทานการสัมผัสสูงขึ้นเกือบ 600 เท่า (ประมาณ 2.8 อันดับของขนาด) และ FF เสียหายโดยสิ้นเชิง
ข้อสรุปของ ISFH คือตรงไปตรงมา: มีช่วงความหนา SiNx ที่เหมาะสม — ระหว่าง 50 ถึง 60nm บางเกินไป แผ่นแปะทะลุผ่านพาสซิเวชันและ Voc ลดลงอย่างรุนแรง หนาเกินไป แผ่นแปะไม่สามารถทะลุผ่านได้และความต้านทานการสัมผัสพุ่งสูง
ข้อค้นพบที่สอง: ความหนาและอุณหภูมิเป็นคู่กัน
ISFH ไม่ได้หยุดแค่ "50-60nm ดีที่สุด" พวกเขาถามคำถามเชิงปฏิบัติในโรงงาน: ถ้าความหนา SiNx เปลี่ยนไป อุณหภูมิการเผาจำเป็นต้องเปลี่ยนตามหรือไม่?
พวกเขาเลือก 55nm และ 60nm กลุ่มและทำการสแกนอุณหภูมิตั้งแต่ 790°C ถึง 810°C.
ผลลัพธ์ชัดเจนมาก:
55nm SiNx: FF สูงสุดที่ 800°C, ประสิทธิภาพดีที่สุดที่นั่น ต่ำกว่านั้นการสัมผัสไม่ดีพอ สูงกว่านั้นพาสซิเวชันเริ่มเสียหาย
60nm SiNx: FF สูงสุดที่ 805-810°C. เนื่องจาก SiNx หนาขึ้น จึงต้องใช้อุณหภูมิสูงขึ้นเพื่อให้แผ่นแปะเผาทะลุ
ในแง่ของสายการผลิต: ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเหล่านี้ การเปลี่ยนจาก 55nm เป็น 60nm จะเลื่อนอุณหภูมิการเผาที่เหมาะสมขึ้นประมาณ 5-10°C ความชันนั้นเป็นเพียงข้อมูลอ้างอิงสำหรับระบบแผ่นแปะเดียวกัน — เปลี่ยนแผ่นแปะต้องปรับเทียบใหม่
ข้อมูลความต้านทานการสัมผัสก็สนับสนุนเช่นกัน: อุณหภูมิสูงขึ้น การสัมผัสดีขึ้น — ตราบใดที่คุณไม่ข้ามเส้นที่เริ่มเผาทำลายพาสซิเวชัน
กลไก: ขนาดหลุมกัดเป็นกุญแจสำคัญ
ISFH ใช้ SEM เพื่อวางเกณฑ์ที่ชัดเจนมาก:
หลุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 1μm: โพลีถูกกำจัดออกทั้งหมด พาสซิเวชันเสียหาย → Voc ลดลง
หลุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 1μm: poly ไม่ได้ถูกกำจัดออกทั้งหมด, passivation ยังคงสภาพเดิม → ความต้านทานสัมผัสลดลง, Voc ไม่เปลี่ยนแปลง
ISFH กล่าวโดยตรง: "จำเป็นต้องมีหลุมกัดขนาดเล็กจำนวนหนึ่งเพื่อสร้างสัมผัสที่ดี หลุมกัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 1μm ดูเหมือนจะไม่มีผลต่อคุณภาพของ passivation"
เกณฑ์เส้น: หลุมกัดไม่ได้ดีขึ้นเมื่อมีน้อยลง และไม่ได้ดีขึ้นเมื่อมีมากขึ้น — เป้าหมายคือ ขนาดเล็ก, การกระจายตัวปานกลาง. หากคุณเห็นหลุม >1μm จำนวนมากภายใต้กล้องจุลทรรศน์ แสดงว่าอุณหภูมิสูงเกินไปหรือ SiNx บางเกินไป และ passivation กำลังได้รับความเสียหาย
การประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์
สายการผลิตสามารถใช้อะไรได้จริง?
1. ความหนาของ SiNx ไม่ได้ดีขึ้นเมื่อบาง และไม่ได้ดีขึ้นเมื่อหนา ต่ำกว่า 40nm, สารละลายจะไหม้ทะลุ passivation และ Voc ลดลงอย่างรุนแรง; สูงกว่า 80nm, สารละลายไม่สามารถยิงทะลุได้และความต้านทานสัมผัสเพิ่มขึ้นเกือบ 600 เท่า
2. ความหนาและอุณหภูมิเป็นคู่กัน เปลี่ยนความหนาของ SiNx และอุณหภูมิการยิงต้องปรับตาม ข้อมูลของ ISFH ให้ข้อมูลอ้างอิง — ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ทุกๆ 5nm ที่เพิ่มขึ้นของ SiNx จะทำให้อุณหภูมิสูงสุดเพิ่มขึ้นประมาณ 5-10°C — แต่ต้องปรับเทียบใหม่หลังจากเปลี่ยนสารละลาย
3. หลุมกัดเป็นตัวบ่งชี้ "หน้าต่าง" ดู ขนาดและความหนาแน่น ของหลุมด้วย SEM และคุณสามารถตัดสินได้ว่าชุดค่าผสมความหนา-อุณหภูมิปัจจุบันของคุณอยู่ในหน้าต่างหรือไม่ หลุม >1μm จำนวนมาก → ร้อนเกินไปหรือฟิล์มบางเกินไป; แทบไม่มีหลุม → เย็นเกินไปหรือฟิล์มหนาเกินไป สัมผัสอาจมีปัญหา
4. ความหนาของฟิล์มด้านหลังยังควบคุมผลผลิตด้านความสวยงามและการเลือกสารละลาย สามประเด็นข้างต้นทั้งหมดเกี่ยวกับว่าความหนาส่งผลต่อความต้านทานสัมผัสและ FF ผ่านการยิงทะลุของสารละลายหรือไม่ แต่ในสายการผลิต ความหนาของ SiNx ด้านหลังควบคุมมากกว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้า
ในการผลิตจำนวนมากจริง SiNx ด้านหลังมักถูกควบคุมในช่วง 70-85nm — หนากว่าช่วง "จุดเหมาะสมที่สุดในการสัมผัส" 50-60nm ในเอกสารของ ISFH เหตุผลง่ายๆ: เอกสารวัดจุดเหมาะสมที่สุดในการสัมผัสบริสุทธิ์สำหรับโครงสร้าง POLO เฉพาะและสารละลายเฉพาะ ในขณะที่สายการผลิตต้องสมดุลระหว่าง passivation, สัมผัส และความสม่ำเสมอของสีพร้อมกัน และเลือกช่วงที่หนาและเสถียรกว่า ที่สำคัญกว่านั้นคือ เพสต์สำหรับสายการผลิตเชิงพาณิชย์ใช้ระบบแก้วฟริตที่แตกต่างจากเพสต์ในห้องปฏิบัติการของ ISFH ดังนั้น ช่วงความหนาของ SiNx ที่สามารถเผาทะลุได้จึงแตกต่างกันด้วย
เมื่อเปลี่ยนความหนา ดัชนีหักเหก็เปลี่ยนไป และสีแทรกสอดของฟิล์มก็เปลี่ยนตามไปด้วย หากบางหรือหนาเกินไป เวเฟอร์จะแสดง ความแปรผันของสี, สีที่ผิดเพี้ยน และการลดระดับด้านความสวยงามที่คล้ายกัน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตด้านความสวยงาม ซึ่งทำให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดต่อผู้ผลิตเพสต์: เพสต์ต้องเข้ากับช่วงกระบวนการทำงานของฟิล์มด้านหลังไม่ใช่บังคับให้ฟิล์มด้านหลังปรับให้เข้ากับเพสต์เฉพาะตัวใดตัวหนึ่ง ความหนาและอุณหภูมิต้องจับคู่กัน และเพสต์กับความหนาของฟิล์มก็ต้องจับคู่กันด้วย — สายการผลิตคือระบบ ไม่ใช่การปรับแต่งจุดเดียว
สามสิ่งที่บทความไม่ได้กล่าว
ความสัมพันธ์ระหว่าง POLO และ TOPCon หน้าสัมผัส POLO ที่ ISFH ใช้โดยพื้นฐานแล้วคือออกไซด์บางพิเศษบวกกับโพลีซิลิคอนเจือ (poly-Si/SiOx) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับโครงสร้างด้านหลังของ TOPCon ในปัจจุบัน ดังนั้นข้อสรุปจึงสามารถถ่ายโอนได้โดยตรง POLO คือชื่อทางวิชาการที่ ISFH เสนอ TOPCon คือคำศัพท์มาตรฐานในอุตสาหกรรม โครงสร้างเดียวกันโดยแก่นแท้
รุ่นของเพสต์มีผลต่อความลึกในการเจาะ เพสต์ที่แตกต่างกันมีองค์ประกอบของแก้วฟริตที่แตกต่างกัน และสามารถเผาทะลุความหนาของ SiNx ที่แตกต่างกันได้ ค่า 50-60nm ของ ISFH อ้างอิงจากเพสต์เฉพาะตัวหนึ่ง — หากเปลี่ยนเพสต์ คุณอาจต้องปรับเทียบใหม่
ความน่าเชื่อถือในระยะยาวไม่ครอบคลุม หลุมกัดขนาดเล็กจะเติบโตเป็นหลุมขนาดใหญ่ตลอด 25 ปีของการเสื่อมสภาพกลางแจ้งหรือไม่? ส่วนเชื่อมต่อจะเสื่อมสภาพเพิ่มเติมภายใต้ความร้อนชื้นหรือไม่? บทความไม่ได้ให้คำตอบ
การอ่านร่วมกับ JA Solar 2016
| ขนาด | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| การประยุกต์ใช้งาน | ฟิล์มกันสะท้อน SiNx ด้านหน้า (ARC) | ชั้นปิดทับ SiNx ด้านหลัง |
| จุดเน้น | องค์ประกอบทางเคมีของ SiNx (อัตราส่วน Si/N) | ความหนาทางกายภาพของ SiNx |
| ตัวแปรหลัก | อัตราส่วนก๊าซ SiH₄/NH₃ | ความหนาของ SiNx + อุณหภูมิการเผา |
| โหมดความล้มเหลว | อัตราส่วน Si/N ไม่เหมาะสม → ความหนืดของฟริตไม่สมดุล → ความต้านทานหน้าสัมผัสสูง | ความหนาผิด → เผาทะลุหรือไม่สามารถเผาทะลุได้ |
| แก้ไขทิศทาง | ปรับอัตราส่วนแก๊สให้อยู่ในหน้าต่างที่เหมาะสมที่สุด | ความหนาของคู่และอุณหภูมิ |
| กลไกที่ใช้ร่วมกัน | จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา Frit-SiNx เป็นตัวกำหนดคุณภาพการสัมผัส | ความลึกของการเจาะทะลุของ Frit-SiNx เป็นตัวกำหนดคุณภาพการสัมผัส |
วางเอกสารทั้งสองฉบับเคียงข้างกัน คุณจะได้ภาพรวมที่สมบูรณ์ของกระบวนการฟิล์มหน้าและฟิล์มหลัง: องค์ประกอบทางเคมีเป็นตัวกำหนดว่าคุณสามารถสัมผัสได้ดีหรือไม่ ความหนาทางกายภาพเป็นตัวกำหนดว่าคุณจะทำลายสิ่งที่อยู่ด้านล่างขณะสัมผัสหรือไม่
ปรับอัตราส่วน Si/N ของสารเคลือบเล็กน้อย Rs จะพุ่งสูง FF จะลดลง ประสิทธิภาพจะตกต่ำ
ข้อเตือนใจสำหรับสายการผลิต: อย่าจ้องแต่ที่ poly เมื่อตามหาการสูญเสียประสิทธิภาพ
เมื่อมีเอกสารทั้งสองฉบับแล้ว กลับมาที่สายการผลิตของเรา เมื่อตามหาการสูญเสียประสิทธิภาพ ปฏิกิริยาสะท้อนของวิศวกรคือการตรวจสอบความหนาของ poly ด้านหลัง ระดับการโด๊ป ความหนาของ tunnel oxide ก่อน — ผลกระทบต่อ FF และ Voc เป็นที่เข้าใจดี และสิ่งเหล่านี้เป็นรายการตรวจสอบมาตรฐาน แต่ ชั้น SiNx capping ด้านหลัง มักถูกมองข้ามว่าเป็น "ชั้นพาสซีเวชัน/ชั้นตกแต่ง" และมีคนไม่กี่คนที่คิดถึงมันในแง่ของความต้านทานการสัมผัส
คุณค่าของเอกสาร ISFH นี้คือการดึงตัวแปรที่ถูกมองข้ามนี้กลับมาสู่โต๊ะ: ความหนาของฟิล์มหลังผิด เพสต์ไม่ทะลุผ่านหรือไหม้ทะลุ และ FF ก็ลดลงเช่นกัน ครั้งต่อไปที่คุณเจอสถานการณ์ "พารามิเตอร์ poly ไม่ได้ถูกแตะต้อง แต่ FF ลดลงอย่างลึกลับ" อย่าแค่วนรอบ poly — กลับไปตรวจสอบว่าความหนาของฟิล์มหลังและอุณหภูมิการเผายังจับคู่กันอยู่หรือไม่
น่าสังเกต: การทดลองของ ISFH ใช้การเผาแบบดั้งเดิม เทคโนโลยี LECO ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสายการผลิตในปัจจุบันสามารถปรับปรุงการสัมผัสผ่านขั้นตอนเลเซอร์/กระแสไฟฟ้าที่ตามมา ซึ่งช่วยลดความไวต่อการจับคู่ระหว่างอุณหภูมิการเผาและความหนาได้ในระดับหนึ่ง — แต่ความหนาของฟิล์มหลังยังคงเป็นหน้าต่างพื้นฐานและไม่สามารถละเลยได้
มุมมองของ Ooitech
เราเห็นสิ่งเดียวกันในทุกสายการผลิต TOPCon ที่เราติดตั้ง — ชั้น SiNx capping ด้านหลังถูกปฏิบัติเหมือนเป็นฟิล์มสีเท่านั้น และ FF ก็ลดลงอย่างเงียบๆ โดยไม่มีใครตรวจสอบการจับคู่ระหว่างความหนาและอุณหภูมิ ข้อมูลของ ISFH สอดคล้องกับสิ่งที่ผลักดันให้ผู้คนหันไปใช้ LECO เนื่องจากการแยกขั้นตอนการสร้างสัมผัสออกจากขั้นตอนการเผาช่วยเพิ่มระยะปลอดภัยเมื่อเคมี frit ของเพสต์และหน้าต่างฟิล์มหลังของคุณไม่สอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ หากคุณต้องการดูว่าขั้นตอนเหล่านี้ทำงานอย่างไรในสายการผลิตโมดูลจริง — การเคลือบ การเผา การต่อสาย และอื่นๆ — ช่อง YouTube ของ Ooitech ที่ www.youtube.com/ooitech คุ้มค่าที่จะติดตาม และโปรดจำไว้ว่านี่คือการศึกษาในระดับเซลล์ สายการผลิตโมดูลจะสืบทอดเซลล์เหล่านี้ แต่ชะตากรรมของการสัมผัสถูกกำหนดไว้แล้วในขั้นตอนก่อนหน้า
เอกสารอ้างอิง
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
