SiNx Terlalu Nipis dan Pes Perak Menembus Lapisan Poli, Terlalu Tebal dan Rintangan Sentuhan Melonjak 600x: ISFH Menunjuk kepada Penyelesaian
Pengenalan Produk
Sesiapa yang menjalankan barisan proses TOPCon pasti pernah menghadapi masalah ini. Salut SiNx terlalu nipis dan anda bimbang pes perak akan membakar lapisan pasivasi, menurunkan Voc. Salut terlalu tebal dan rintangan sesentuh melonjak, dan FF tidak dapat bertahan. Nipis menakutkan, tebal juga menakutkan — jadi berapa tebal yang "cukup tepat"?
Pada tahun 2022, pasukan Min Byungsul di ISFH (Institut Penyelidikan Tenaga Suria Hamelin, Jerman) menerbitkan kajian dalam Prosiding Persidangan AIP yang mengupas masalah ini. Mereka menggunakan sesentuh pasivasi POLO — nama akademik untuk apa yang industri panggil TOPCon, pada asasnya struktur oksida ultra-nipis ditambah polisilikon terdop Si/SiOx — untuk mengasingkan apa yang sebenarnya berlaku.
Kesimpulan utama tidak rumit: ketebalan SiNx dan suhu pembakaran adalah pasangan yang sepadan. Ubah ketebalan dan anda perlu menyesuaikan suhu. Gerakkan satu tanpa menggerakkan yang lain dan sama ada Voc menurun atau FF runtuh.
Parameter Teknikal
Bagaimana eksperimen disediakan
ISFH menggunakan wafer CZ jenis-p, dengan sesentuh POLO n⁺ di belakang sel (oksida terowong ditambah polisilikon terdop fosforus).
Dua pembolehubah utama:
Ketebalan lapisan penutup SiNx belakang — antara 40nm hingga 80nm
Suhu pembakaran puncak — dilaraskan antara 790°C dan 810°C
Mereka kemudian mengukur dua perkara: kerintangan sesentuh ρc (oleh TLM) dan parameter sel IV.
Terdahulu kita melihat kertas JA Solar 2016 tentang bagaimana komposisi kimia (nisbah Si/N) filem anti-pantulan SiNx bahagian hadapan mempengaruhi sentuhan pes perak. Kerja ISFH 2022 ini adalah tentang bagaimana ketebalan fizikal lapisan penutup SiNx bahagian belakang mempengaruhi sentuhan pes perak. Gabungkan kedua-duanya dan anda merangkumi kedua-dua dimensi — "komposisi kimia" dan "ketebalan fizikal," filem depan dan filem belakang.
Semua sampel dibakar pada 800°C, hanya ketebalan SiNx belakang yang diubah
| Ketebalan SiNx | Median ρc (800°C) | Status |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | Sangat rendah |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | Mula meningkat |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | Jelas meningkat |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | Zon peralihan, kenaikan curam |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | Hampir 600x lebih tinggi daripada pada 40nm |
Imbasan suhu pembakaran pada sampel 55nm dan 60nm
| Keadaan | Median 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 |
Kelebihan Teknikal
Penemuan pertama: terlalu tebal dan pes tidak dapat menembusi semasa pembakaran
Semua sampel dibakar pada suhu puncak 800°C , hanya mengubah ketebalan lapisan penutup SiNx belakang. Coraknya jelas dari jadual di atas — jumlah SiNx yang boleh dibakar oleh pes semasa pembakaran adalah terhad. Melebihi had itu dan pes tidak pernah mencapai polisilikon di bawahnya, jadi rintangan sentuhan melonjak.
Imej SEM memberikan bukti langsung:
40nm SiNx: pes melecur sepenuhnya melalui SiNx dan polisilikon, meninggalkan banyak lubang etsa berskala mikron pada poli. Polisilikon telah dikeluarkan sepenuhnya secara setempat — sentuhan baik, tetapi lapisan pasivasi rosak.
80nm SiNx: hanya sebilangan kecil lubang etsa yang sangat kecil, tiada kawasan di mana poli dikeluarkan sepenuhnya — pasivasi kekal, tetapi rintangan sentuhan hampir 600x lebih tinggi (kira-kira 2.8 urutan magnitud), dan FF pada dasarnya musnah.
Kesimpulan ISFH adalah jelas: terdapat tetingkap SiNx yang optimum — antara 50 dan 60nm. Terlalu nipis, pes menembusi pasivasi dan Voc menjunam. Terlalu tebal, pes tidak dapat menembusi dan rintangan sentuhan melambung.
Penemuan kedua: ketebalan dan suhu adalah berpasangan
ISFH tidak berhenti pada "50-60nm adalah terbaik." Mereka mengemukakan soalan praktikal di lantai kilang: jika ketebalan SiNx berubah, adakah suhu pembakaran perlu berubah juga?
Mereka memilih 55nm dan 60nm kumpulan dan menjalankan imbasan suhu dari 790°C hingga 810°C.
Hasilnya sangat bersih:
55nm SiNx: FF memuncak pada 800°C, kecekapan terbaik di sana. Pergi lebih rendah dan sentuhan tidak cukup baik; pergi lebih tinggi dan pasivasi mula terjejas.
60nm SiNx: FF memuncak pada 805-810°C. Kerana SiNx lebih tebal, ia memerlukan suhu yang lebih tinggi untuk pes menembusi.
Dalam istilah barisan pengeluaran: di bawah keadaan ujian ini, pergi dari 55nm ke 60nm mengalihkan suhu pembakaran optimum ke atas kira-kira 5-10°C. Kecerunan itu hanya rujukan untuk sistem pes yang sama — tukar pes dan anda perlu menentukur semula.
Data kerintangan sentuhan juga menyokong ini: suhu lebih tinggi, sentuhan lebih baik — selagi anda tidak melepasi garisan di mana anda mula membakar pasivasi.
Mekanisme: saiz lubang etsa adalah kunci
ISFH menggunakan SEM untuk menetapkan kriteria yang sangat jelas:
Lubang lebih besar daripada diameter 1μm: poli dikeluarkan sepenuhnya, pasivasi rosak → Voc menurun
Lubang lebih kecil daripada diameter 1μm: polimer tidak dikeluarkan sepenuhnya, pasivasi utuh → rintangan sentuhan menurun, Voc tidak berubah
ISFH menyatakannya secara langsung: "sebilangan kecil lubang etsa bersaiz kecil diperlukan untuk membentuk sentuhan yang baik. Lubang etsa berdiameter di bawah 1μm nampaknya tidak memberi kesan terhadap kualiti pasivasi."
Kriteria garisan: lubang etsa tidak semestinya lebih sedikit, dan tidak semestinya lebih banyak — sasaran adalah saiz kecil, taburan sederhana. Jika anda melihat banyak lubang >1μm di bawah mikroskop, suhu terlalu tinggi atau SiNx terlalu nipis, dan pasivasi sudah mengalami kerosakan.
Aplikasi Produk
Apa yang boleh digunakan oleh barisan pengeluaran?
1. Ketebalan SiNx tidak semestinya nipis, dan tidak semestinya tebal. Di bawah 40nm, pes menembusi pasivasi dan Voc menjunam; di atas 80nm, pes tidak dapat menembusi dan rintangan sentuhan meningkat hampir 600 kali ganda.
2. Ketebalan dan suhu adalah berpasangan. Tukar ketebalan SiNx dan suhu pembakaran mesti mengikut. Data ISFH memberikan rujukan — dalam keadaan ini, setiap tambahan 5nm SiNx menaikkan suhu puncak kira-kira 5-10°C — tetapi kalibrasi semula selepas menukar pes.
3. Lubang etsa adalah penunjuk "tetingkap". Lihat saiz dan ketumpatan lubang etsa dengan SEM dan anda boleh menilai sama ada gabungan ketebalan-suhu semasa berada dalam tetingkap. Banyak lubang >1μm → terlalu panas atau filem terlalu nipis; hampir tiada lubang → terlalu sejuk atau filem terlalu tebal, sentuhan mungkin bermasalah.
4. Ketebalan filem belakang juga mempengaruhi hasil kosmetik dan pemilihan pes. Tiga perkara di atas semuanya tentang bagaimana ketebalan mempengaruhi rintangan sentuhan dan FF melalui pes yang menembusi atau tidak. Tetapi di barisan, ketebalan SiNx belakang mengawal lebih daripada prestasi elektrik.
Dalam pengeluaran besar-besaran sebenar, SiNx belakang biasanya dikawal dalam julat 70-85nm — lebih tebal daripada julat "optimum sentuhan" 50-60nm dalam kertas ISFH. Sebabnya mudah: kertas tersebut mengukur optimum sentuhan tulen untuk struktur POLO spesifiknya dan pes tertentu, manakala barisan pengeluaran perlu mengimbangi pasivasi, sentuhan dan keseragaman warna serentak, dan memilih julat yang lebih tebal dan lebih stabil. Lebih penting lagi, pes komersial menggunakan sistem kaca-frit yang berbeza daripada pes makmal ISFH, jadi tetingkap ketebalan SiNx yang boleh dibakar juga berbeza.
Ubah ketebalan dan indeks biasan berubah, dan warna interferens filem beralih dengannya. Terlalu nipis atau terlalu tebal dan wafer menunjukkan variasi warna, warna luar dan penurunan kosmetik serupa yang secara langsung mengurangkan hasil kosmetik. Ini seterusnya meletakkan keperluan ketat kepada pengeluar pes: pes mesti sepadan dengan tetingkap proses filem belakang, bukan memaksa filem belakang menampung satu pes tertentu. Ketebalan dan suhu mesti berpasangan, dan ketebalan pes dan filem juga mesti berpasangan — talian adalah sistem, bukan pelarasan satu titik.
Tiga perkara yang tidak dinyatakan dalam kertas
Hubungan antara POLO dan TOPCon. Hubungan POLO yang digunakan ISFH pada dasarnya adalah oksida ultra-nipis ditambah polisilikon terdop (poly-Si/SiOx), pada asasnya sama dengan struktur belakang TOPCon hari ini, jadi kesimpulan boleh dipindahkan secara langsung. POLO adalah nama akademik yang dicadangkan ISFH; TOPCon adalah istilah standard industri; struktur yang sama pada intinya.
Model pes mempengaruhi kedalaman penembusan. Pes yang berbeza mempunyai komposisi kaca-frit yang berbeza dan boleh menembusi ketebalan SiNx yang berbeza. 50-60nm ISFH adalah berdasarkan satu pes tertentu — tukar pes dan anda mungkin perlu menentukur semula.
Kebolehpercayaan jangka panjang tidak diliputi. Adakah lubang etsa kecil akan menjadi besar selepas 25 tahun penuaan luar? Adakah antara muka akan merosot lebih lanjut di bawah haba lembap? Kertas tidak menjawab.
Membacanya bersama JA Solar 2016
| Dimensi | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| Aplikasi | Filem anti-pantulan SiNx hadapan (ARC) | Lapisan penutup SiNx belakang |
| Fokus | Komposisi kimia SiNx (nisbah Si/N) | Ketebalan fizikal SiNx |
| Pembolehubah teras | Nisbah gas SiH₄/NH₃ | Ketebalan SiNx + suhu pembakaran |
| Mod kegagalan | Nisbah Si/N tidak sepadan → ketidakseimbangan kelikatan frit → rintangan sentuhan tinggi | Ketebalan salah → terbakar tembus atau gagal terbakar tembus |
| Betulkan arah | Laraskan nisbah gas ke tetingkap optimum | Pasangan ketebalan dan suhu |
| Mekanisme bersama | Kinetik tindak balas Frit-SiNx menentukan kualiti sentuhan | Kedalaman penembusan Frit-SiNx menentukan kualiti sentuhan |
Letakkan kedua-dua kertas bersebelahan dan anda mendapat gambaran penuh proses filem depan dan filem belakang: komposisi kimia menentukan sama ada anda boleh membuat sentuhan yang baik, ketebalan fizikal menentukan sama ada anda merosakkan apa yang di bawah semasa membuat sentuhan.
Tolak nisbah Si/N salutan dan lonjakan Rs, FF runtuh, kecekapan menjunam
Peringatan untuk barisan: jangan hanya tumpu pada poly semasa memburu kehilangan kecekapan
Setelah kedua-dua kertas selesai, kembali ke barisan kita sendiri. Semasa memburu kehilangan kecekapan, refleks jurutera adalah untuk memeriksa ketebalan poly belakang, tahap doping, ketebalan oksida terowong — kesannya terhadap FF dan Voc difahami dengan baik dan ini adalah item pemeriksaan standard. Tetapi lapisan penutup SiNx belakang sering dianggap sebagai "lapisan pasif/kosmetik," dan jarang orang memikirkannya dari segi rintangan sentuhan.
Nilai kertas ISFH ini adalah tepat kerana ia menarik balik pembolehubah yang diabaikan ini ke meja: ketebalan filem belakang yang salah, pes tidak menembak melalui atau terbakar melalui, dan FF runtuh sama sahaja. Lain kali anda menghadapi situasi "parameter poly tidak disentuh, namun FF jatuh secara misteri", jangan hanya mengelilingi poly — kembali dan periksa sama ada ketebalan filem belakang dan suhu pembakaran masih berpadanan.
Perlu dicatat: eksperimen ISFH adalah berdasarkan pembakaran konvensional. Teknologi LECO yang kini digunakan secara meluas pada barisan boleh mengoptimumkan sentuhan melalui langkah laser/arus seterusnya, yang sedikit sebanyak mengurangkan kepekaan terhadap padanan suhu-ketebalan pembakaran — tetapi ketebalan filem belakang masih merupakan tetingkap asas dan tidak boleh diabaikan.
Pandangan Ooitech
Kami melihat perkara yang sama pada setiap barisan TOPCon yang kami pentauliahan — lapisan penutup SiNx belakang dianggap hanya filem warna, dan kemudian FF senyap-senyap merosot tanpa sesiapa memeriksa padanan suhu-ketebalan. Data ISFH sejajar dengan apa yang mendorong orang ke arah LECO, kerana memisahkan pembentukan sentuhan dari langkah pembakaran memberikan margin sebenar apabila kimia frit pes dan tetingkap filem belakang anda tidak bersetuju sepenuhnya. Jika anda ingin melihat bagaimana langkah-langkah ini berlaku pada barisan modul sebenar — salutan, pembakaran, penyambungan dan semua — saluran YouTube Ooitech di www.youtube.com/ooitech patut diikuti. Dan perlu diingat ini adalah kajian di peringkat sel; barisan modul mewarisi sel-sel ini tetapi nasib sentuhan sudah ditentukan di peringkat hulu.
Rujukan
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)
