Der PN-Übergang ist das „Herz“ von Photovoltaikzellen. Je nach Art des PN-Übergangs können Photovoltaikzellen in Homojunction-Zellen und Heterojunction-Zellen unterteilt werden. Unter diesen erreicht die Homojunction-Zelle hauptsächlich eine Dotierung auf dem gleichen Siliziumwafertyp (P-Typ oder N-Typ) mittels Diffusion, wodurch ein PN-Übergang erhalten wird. Der P-Typ-Bereich und der N-Typ-Bereich der Heteroübergangszelle bestehen aus verschiedenen Arten von Halbleitermaterialien, die in dotierte und nicht dotierte Typen unterteilt werden können.

Wenn ein Halbleiter vom P-Typ und ein Halbleiter vom N-Typ kombiniert werden, kommt es aufgrund der hohen Konzentration von Löchern im Halbleiter vom P-Typ und der hohen Konzentration von Elektronen im Halbleiter vom N-Typ zu einer thermischen Diffusion. Das heißt, Löcher im P-Typ-Halbleiter diffundieren in den N-Typ-Bereich und Elektronen im N-Typ-Halbleiter diffundieren in den P-Typ-Bereich. Dann werden im P-Typ-Bereich negative Ladungen gebildet, während im N-Typ-Bereich positive Ladungen gebildet werden, wodurch ein eingebautes elektrisches Feld zwischen beiden entsteht. Unter Lichtbedingungen werden Photonen mit einer Energie größer als die verbotene Bandbreite absorbiert und auf beiden Seiten des PN-Übergangs werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, die durch die Wirkung des eingebauten elektrischen Feldes voneinander getrennt werden Erzeugen eines photoinduzierten Stroms.

„Sammelwahrscheinlichkeit“ beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass die durch Lichteinstrahlung auf einem bestimmten Bereich der Batterie erzeugten Ladungsträger vom PN-Übergang gesammelt werden und am Stromfluss teilnehmen. Seine Größe hängt von der Entfernung ab, die fotogenerierte Träger zurücklegen müssen, und von den Oberflächeneigenschaften der Batterie. Je weiter vom dissipativen Bereich entfernt, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträger gesammelt werden, und eine Oberflächenpassivierung kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sich Ladungsträger am selben Ort ansammeln.

Was ist Diffusion? Diffusion beschreibt die Bewegung eines Stoffes innerhalb eines anderen. Die Essenz liegt in der Brownschen Bewegung von Atomen, Molekülen und Ionen, die eine Diffusion von Orten mit hoher Konzentration zu Orten mit niedriger Konzentration bewirkt. Bei der Herstellung kristalliner Siliziumsolarzellen wird die Methode der chemischen Hochtemperaturdiffusion eingesetzt, um eine Dotierungsverbindung zu erreichen. Die thermische Diffusion nutzt hohe Temperaturen, um Verunreinigungen durch die Siliziumgitterstruktur zu treiben. Diese Methode wird von Zeit und Temperatur beeinflusst und erfordert drei Schritte: Vorabscheidung, Einschieben und Aktivierung.

Drei Diffusionsindikatoren: Quadratwiderstand, Verbindungstiefe und Oberflächenkonzentration

Der quadratische Widerstandswert ist hauptsächlich eine umfassende Charakterisierung der Oberflächenkonzentration und der Verbindungstiefe und sein Einfluss auf die Zellparameter umfasst hauptsächlich die folgenden drei Punkte: 1) Die Tiefe des Diffusions-PN-Übergangs wirkt sich direkt auf seine Absorption von kurzwelligem Licht aus. also die Diffusion innerhalb eines bestimmten Bereichs. Je flacher der PN-Übergang (je höher der quadratische Widerstandswert), desto höher ist der Stromwert; 2) Die Dotierungskonzentration des diffundierten Phosphorelements beeinflusst die Leitfähigkeit seines Siliziumteils vom N-Typ in gewissem Maße. Je höher die Dotierungskonzentration (der quadratische Widerstandswert) ist, desto kleiner ist der Wert, desto höher ist der Füllfaktor. 3 ) Im Allgemeinen steigt die Leerlaufspannung innerhalb eines bestimmten Bereichs mit zunehmender Diffusionskonzentration.

2.1. Homojunction: Phosphor-Expansion und Bor-Expansion

In einer Homojunction-Batterie sind die P-Typ-Region und die N-Typ-Region dieselbe Art von Halbleitermaterial, und ein PN-Übergang wird im Allgemeinen durch Dotierung gebildet. Zu den gängigen Dotierungsmethoden gehören: 1) röhrenförmige Diffusion (Niederdruck, Normaldruck); 2) Ionenimplantation + Ausheilen; 3) Diffusion der Beschichtungsquelle (Siebdruck, Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung, Walzendruck). Derzeit nutzen die meisten von ihnen die röhrenförmige Niederdruckdiffusion.

Phosphordiffusion: P2O5, das durch die Zersetzung von POCl3 entsteht, lagert sich auf der Oberfläche des Siliziumwafers ab, P2O5 reagiert mit Silizium unter Bildung von SiO2 und Phosphoratomen und bildet eine Schicht aus Phosphosilikatglas auf der Oberfläche des Siliziumwafers und dann den Phosphor Atome diffundieren in das Silizium. Bordiffusion: B2O3, das durch die Zersetzung von BBr3/BCl3 entsteht, lagert sich auf der Oberfläche des Siliziumwafers ab, B2O3 reagiert mit Silizium unter Bildung von SiO2 und Boratomen und bildet dann eine Schicht aus Borosilikatglas auf der Oberfläche des Siliziumwafers die Boratome diffundieren in das Silizium. Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, dass unabhängig davon, ob es sich um eine Bordiffusion oder eine Phosphordiffusion handelt, Boratome oder Phosphoratome gebildet werden müssen, um in das Siliziumsubstrat zu diffundieren. Die Bordiffusion ist schwieriger als die Phosphordiffusion. Der Grund dafür ist, dass die feste Löslichkeit von Boratomen in der Siliziummatrix gering ist, sodass die Temperatur der Borausdehnung über 1000 °C liegen muss. Und wenn die Oberflächendotierung hoch ist, kommt es leicht zur Bildung von Boransammlungen auf der Oberfläche, d. h. einer borreichen Schicht (BRL), was eine Herausforderung für die anschließende Reinigung darstellt.

Für die Borexpansion gibt es derzeit zwei Wege von BBr3/BCl3. BBr3 ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit und seine Sicherheit ist relativ gut, aber das erzeugte B2O3 ist viskos und erfordert eine DCE-Reinigung, was zu hohen Wartungskosten führt. BCl3 ist bei Raumtemperatur ein Gas und seine Sicherheit ist relativ gering, aber das erzeugte B2O3 ist körnig und leicht zu reinigen. Der Nachteil besteht darin, dass die B-Cl-Bindungsenergie größer ist und sich nicht leicht zersetzen lässt, was zu einer geringen Ausnutzung bei der Diffusionstemperatur führt.

Laut ITRPV-Prognose wird die BBr3-Route auch in Zukunft den Großteil des Marktes einnehmen, der Anteil der BCl3-Route wird jedoch schrittweise zunehmen und bis 2032 etwa 40 % des Marktanteils erreichen. 2.2

. Homoübergang: SE

Warum wird SE (Selective Emitter) benötigt? Der Grund dafür ist, dass herkömmliche Solarzellen aus kristallinem Silizium gleichmäßig hochkonzentrierte dotierte Emitter verwenden. Eine höhere Dotierungskonzentration kann den ohmschen Kontakt zwischen dem Siliziumwafer und der Elektrode verbessern und den Serienwiderstand verringern, führt aber auch leicht zu einer stärkeren Oberflächenrekombination. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die Technologie des selektiven Emitters (SE) zu verwenden, um eine tiefe Diffusion mit hochkonzentrierter Dotierung am und in der Nähe des Kontakts zwischen der Metall-Gate-Leitung (Elektrode) und dem Siliziumwafer und eine flache Diffusion mit niedrig konzentrierter Dotierung durchzuführen anderen Bereich als der Elektrode. .

Die Vorteile der SE-Struktur: 1) Durch die starke Dotierung unter den Elektroden ist der Kontaktwiderstand geringer als bei herkömmlichen Batterien und dadurch der Füllfaktor verbessert; 2) Die Lichtdotierung zwischen den Elektroden kann die Rekombination von Ladungsträgern wirksam reduzieren, wenn diese seitlich in der Diffusionsschicht fließen. 3) Das kurzwellige Band des Sonnenlichts wird grundsätzlich auf der Vorderseite des Siliziumwafers absorbiert, und eine flache Diffusion kann dies verbessern Anregungseffizienz des Sonnenlichts im Kurzwellenband, wodurch der Kurzschlussstrom erhöht wird; 4) Bilden Sie einen n++-n+/ p++. Der High-Low-Übergang von -p+ kann die Rekombination von Minoritätsträgern unter den Elektroden reduzieren und die Leerlaufspannung erhöhen. In Summe, SE gleicht den Widerspruch zwischen dem Kontaktwiderstand zwischen Metall und Halbleiter und der Photonensammlung besser aus als herkömmliche Batterien. Aufgrund der technischen Schwierigkeit der Borexpansion ist es schwieriger, SE auf Basis der Borexpansion herzustellen als SE auf Basis der Phosphorexpansion. Derzeit werden hauptsächlich zwei technische Wege der primären Borexpansion und der sekundären Borexpansion entwickelt.

Laut Tongweis „Preparation of Ultra-thin Tunneling Oxide Layer Based on PECVD Technology and Application of Poly-Si in TOPCon Batteries“ gibt es derzeit fünf gängige borexpandierte SE-Lösungen in der Branche, darunter derzeit die Laserfilmöffnungsroute am reifsten. planen. Aus Sicht der Massenproduktionsaussichten sind die Route des Rückätzens und die Route der Laser-Direktdotierung die wahrscheinlichsten Wege, um eine Massenproduktion zu erreichen. Unter den fünf Schemata erfordern die Ätzaufschlämmungsroute, die Boraufschlämmungsroute und die Rückätzroute alle die externe Entwicklung unterschiedlicher Aufschlämmungen.

2.3. Heteroübergang: dotiert und undotiert

Im Wesentlichen handelt es sich bei der thermischen Diffusion um eine Methode zur Dotierung zur Bildung eines PN-Übergangs auf demselben Halbleiter. Andere Methoden umfassen Ionenimplantation, Dampfabscheidung usw. Beispielsweise durch Abscheiden von intrinsischem amorphem Silizium und dotiertem amorphem Silizium auf der Oberfläche von kristallinem Silizium durch Dampfabscheidung, da kristallines Silizium und amorphes Silizium nicht zum selben Halbleitermaterial gehören, das gebildet wird Der PN-Übergang wird als Heteroübergang bezeichnet.

Heterojunction-Zellen werden durch Aufdampfen statt durch Diffusion dotiert. Ein dadurch verursachtes Problem besteht darin, dass die Bandlücke des amorphen Siliziums auf der Vorderseite klein ist, was zu einer starken optischen parasitären Absorption führt, die den Anstieg des Sättigungsstroms begrenzt; und die geringe Dotierungseffizienz der amorphen Siliziumschicht führt zu einer geringen Zellausbeute. Dies hat die Anwendung und Erforschung dopingfreier Heterojunction-Zellen ausgelöst. Als Lochtransportschichten wurden Übergangsmetalloxidmaterialien (TMO) vom N-Typ erprobt. Relevanten Daten der Sun Yat-Sen-Universität zufolge wird in HJT-Zellen MoOx anstelle von p-dotiertem amorphem Silizium verwendet, und die höchste Umwandlungseffizienz hat 23,5 % erreicht.

2.4. Nicht-Junction-Doping

Zusätzlich zur Bildung von PN-Übergängen wird der Dotierungsprozess auch zur Bildung von Hoch-Tief-Übergängen verwendet. Der sogenannte High-Low-Übergang bezieht sich auf die Einrichtung eines Konzentrationsgradienten derselben Verunreinigung zwischen dem Batteriesubstrat und der unteren Elektrode, um einen P-P+- oder N-N+-High-Low-Übergang herzustellen und ein elektrisches Gegenfeld zu bilden kann die effektive Sammlung von Trägern verbessern und die Solarenergieeffizienz verbessern. Durch das langwellige Verhalten der Batterie erhöhen sich der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung, weshalb diese Batterie als „Back-Field-Batterie“ bezeichnet wird. Ein typischer Fall ist, dass in TOPCon-Zellen auf der Vorderseite Bor-Dotierung verwendet wird, um einen PN-Übergang auf dem N-Typ-Siliziumwafer zu bilden, und auf der Rückseite N-Typ-Polysilizium aus Phosphor-Dotierung verwendet wird, um die Rolle von High- und niedrige Kreuzungen. In der HJT-Batterie

Im weitesten Sinne kann man von einem Hoch-Tief-Übergang sprechen, solange das elektrische Feld durch den Konzentrationsgradienten derselben Verunreinigung aufgebaut wird und dadurch die Struktur der Ladungsträgersammlung beeinflusst. Wie der selektive Emitter bei der Borexpansion/Phosphorexpansion, das Aluminium-Rückfeld in BSF-Zellen, das lokale Aluminium-Rückfeld in PERC-Zellen und das feine Silber-Aluminium-Paste-Gitter auf der Vorderseite von TOPCon-Zellen.

2.5. Diffusionsofen

Inländische Phosphordiffusionsgeräte für das elektrische PERC-Feld wurden vollständig lokalisiert und Geräte entwickelt, die für große Siliziumwafer und große Produktionskapazitäten geeignet sind. In Anbetracht der Gleichmäßigkeit des Wärmefelds und des Gasfelds können Siliziumwafer horizontal, vertikal und ähnlich platziert werden. PE-Typ vertikal und viele andere Modi. Für Bor-Diffusionsgeräte gelten höhere Anforderungen als für Phosphor-Diffusionsgeräte, die sich hauptsächlich in Gleichmäßigkeit, langer Diffusionszeit, hoher Diffusionstemperatur und parasitärer OSF-Versetzung des Siliziumwafers widerspiegeln.

Gleichmäßigkeitsproblem: Der Kern ist die Gleichmäßigkeit von Gasfeld und Wärmefeld. Vertikale und horizontale Platzierung haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die vertikale Platzierung begünstigt die Übertragung der Wärmestrahlung, nicht jedoch die Übertragung des Luftstroms. Die horizontale Platzierung begünstigt die Luftstromübertragung, schirmt jedoch die Wärmestrahlung ab. Da Siliziumwafer immer größer und dünner werden, wird die Gleichmäßigkeit der vertikalen Platzierung immer schwieriger. Einerseits führen große Siliziumwafer zu einer längeren Gasbewegungsstrecke zwischen zwei Siliziumwafern und der Widerstand steigt; Andererseits wird die Krümmung dünner Siliziumwafer bei vertikaler Platzierung größer. Der Laplace wird horizontal Rücken an Rücken platziert und der Luftstrom tritt von der Öffnung und der Seite ein, was nicht nur die Gleichmäßigkeit des Luftstroms erhöht, sondern auch

Wenn andererseits die Produktionskapazität eines einzelnen Ofens weiter zunimmt, nimmt die Länge des Ofenrohrs zu, was zu einer Gleichmäßigkeit des Luftstroms und des Wärmefelds in der ultralangen Temperaturzone führt. Derzeit wird meist eine mehrstufige Luftansaugung eingesetzt, um die Gleichmäßigkeit des Luftstroms im Ofenrohr zu erhöhen.