PECVD硼扩散技术在高效晶体硅电池的应用

张贤，蒲欢，杜浩江，周鸿凯，刘尊珂，刘伟，杨阵海，曾俞衡^*，叶继春

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

^*E-mail: yuhengzeng@nimte.ac.cn

报告摘要

隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）晶体硅太阳电池是当前产业的主流技术，累计产能已经达到1000 GW。现有的TOPCon电池均采用低压扩散法制备的正面硼发射极结构。低压硼扩散技术采用三氯化硼（BCl₃）与氧气（O₂）反应形成氧化硼（B₂O₃）作为硼源，在高温退火下硼原子扩散进入硅片从而形成硼发射极。该方法可以获得方阻灵活可调且钝化质量很高的硼发射极，是一项重要的半导体通用技术。

然而，低压硼扩散技术在实际大规模生产过程中，仍然存在一些不足，具体包括：1）B₂O₃沸点很高，中高温条件下呈液态，对石英件有粘连作用，易导致石英件在反复高低温加载下产生破裂，缩短使用寿命，导致车间需频繁更换石英件，既增加运营成本，又有安全隐患。2）具有严重的绕镀，增加工艺集成复杂度。3）BCl₃会产生HCl或Cl₂等强腐蚀性副产物，增加设备及管道维护难度。4）在高方阻条件下与激光的耦合作用效果有限。

针对上述问题，中国科学院宁波材料所团队于2020年开始重新研究基于PECVD路线的硼发射极制备技术^[4][5]，该方法采用PECVD沉积硼硅玻璃（BSG）作为硼源，结合后继高温退火实现硼扩散，具有克服低压扩散法上述问题的潜力，其优势包括：1）无材料沉积于石英管，避免石英管损坏；2）单面性沉积效果好，绕镀轻微，易于清洗，显著简化工艺；3）具有更好的技术拓展性。然而，在宁波材料所前期的工作中，PECVD硼扩法制备的硼发射极的饱和电流密度（J_0e）较大（最小仅~18 fA/cm²），显著高于现有产业硼发射极J_0e约6-10 fA/cm²的技术水平，缺乏产业应用价值。

近期，宁波材料所近期继续优化PECVD沉积的BSG层材料与退火处理方式，在硼发射极关键技术指标方面取得进步：1）硼发射极的J_0e显著降低；2）方阻在较大范围可调（200-800 Ω/sq）；3）硼扩温度可以降低（960^oC-1000^oC）；4）结深满足激光诱导烧结技术需求；5）可以较好地兼容激光SE工艺。最终，在方阻400-600 Ω/sq的方阻条件下，我们在绒面上获得的最优J_0e为8-9 fA/cm²，对应双面钝化片的最高隐含开路电压（iV_oc）≥715 mV；且在平面上获得的最优技术指标略优于绒面。如果PECVD硼扩发射极的关键钝化指标能够进一步赶上或超越其它竞争技术（包括低压硼扩散、基于掺硼多晶硅的p型TOPCon），或有望在TOPCon电池或下一代背结TOPCon（TBJ）电池获得应用。

综上所述，PECVD沉积硼源结合高温退火实现硼掺杂是一种通用型半导体技术，具有很好的研究价值。特别值得指出的是，PECVD硼扩散法可以避免低压扩硼法存在的部分缺点，尤其是避免石英管更换问题，显著避免资源浪费，是一种生产友好型技术。现有工作表明，PECVD硼扩技术获得的关键技术参数已有所进步，展现出一定应用潜力，值得产业进一步关注。

关键词：硼发射极；PECVD沉积BSG硼源；TOPCon电池 

图1 PECVD硼扩散技术制备TOPCon电池的主要工艺流程。

图2 PECVD硼扩散技术制备的硼发射极（a）在不同退火温度下的方阻值及（b）钝化水平。

参考文献：

1. CHENG H, LIU W, LIU Z, et al. Emitter formation with boron diffusion from PECVD deposited boron-doped silicon oxide for high-efficiency TOPCon solar cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2022, 240: 111713.
2. DU H, LIU Z, LIU W, et al. Concurrently Preparing Front Emitter and Rear Passivating Contact via Continuous PECVD Deposition Plus One‐Step Annealing for High‐Efficiency Tunnel Oxide Passivating Contact Solar Cells[J]. Solar RRL, 2023: 2201082.