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TOPCon 电池激光技术

来源：光伏技术发布时间：2023-01-13 10:20:48

1. 激光技术优势

TOPCon+SE电池结构

TOPCon 路线下，激光主要应用于硼扩散+SE环节。相较于传统TOPCon的单纯的硼扩散工艺，激光技术的应用可与其结合形成SE结果，从而助推转换效率提升0.3%以上。

2. 硼扩&磷扩工艺

扩散的目的是形成P-N 结。本征硅中载流子数目极少，其导电性能很差。因此，实际应用的半导体是在纯硅中加入微量的杂质元素后的材料，即掺硼的P型硅片以及掺磷的N型硅片。扩散的目的是在硅片基地上扩散一层P型半导体或N型半导体从而在交界面形成PN结。

光生伏特效应的基本原理

当阳光照在 PN 结上时，PN结吸收光能激发出电子和空穴，在内建电场的受约力下推动带有负电的电子向N区流动，带有正电的空穴向 P 区移动，从而使得 P 区电势升高，而 N 区电势降低，P 区和 N 区之间则会产生一个可测的电压，即光生伏特效应。如果此时在 P区和 N 区分别焊接上导线，接通负载后外电路便有电流通过，从而形成一个电子元件。

3. TOPCon 扩硼工艺的难点

扩硼要难于扩磷。尽管硼扩与磷扩工艺相似度极高，且设备均以扩散炉为主，但由于硼在硅中的固溶度较低，导致硼扩相较常规的磷扩较难，实际硼扩散的温度需要达到900-1100℃。

目前硼扩常见的硼源主要为三溴化硼( BBr3)以及三氯化硼(BCl3)。其中，三溴化硼扩散的副产物对石英器件损伤严重，部分厂商开始使用三氯化硼作为硼源，虽然三氯化硼的副产物对石英器件基本无损伤，但受制于B-CL键能较大，扩散均匀性又略差于三溴化硼。

4. 选择发射极-SE原理分析

选择发射极指在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂，减少前金属电极与硅片的接触电阻;而在电极以外的区域进行低浓度掺杂，可以降低扩散层的复合。通过对发射极的优化，增加太阳能电池的输出电流和电压，从而增加光电转化效率。

激光掺杂是制作PERC的SE工艺主流方式。其实现方式是以磷扩后形成的磷硅玻璃(PSG)为掺杂源，在金属栅线区域进行激光扫描掺杂，形成N++的重掺杂区域，从而实现选择发射极。这种工艺方式实现简单，仅需在传统PERC工艺上增加一道工艺即可实现能够与传统产线兼容，已成为PERC产线标配。

激光在TOPCon 流程的所在工序

5. TOPCon+SE 工艺难点

TOPCon 的SE 工艺难点主要是硼掺杂工艺难度更为复杂。根据前文所述，硼在硅的固溶度低于磷，掺杂难度更高，在推进时需求更高的能量。因此当使用激光掺杂时(即与PERC的SE方式类似)，需要采用功率更高的激光器。

但激光掺杂的“火候”较难掌握。如果激光功率过高，则容易在激光照射区域带来绒面损伤，从而影响后续的钝化工艺;

如果功率过低，则推进时的能量可能不足，激光难以将BSG(硼硅玻璃，与P型电池的磷硅玻璃对应，此处为激光的掺杂源)的硼掺杂进入P+层，会导致金属化重掺区域无法达到浓度要求。

6. TOPCon+SE 工艺实现路径

现有技术中，制备TOPCon 硼扩SE结构电池的方法很多，其核心思路均为如何在减少损伤的情况下实现高浓度的重掺硼区域，主要有以下几种工艺方式：

离子注入法(无激光);

一次硼扩+激光掺杂;

二次硼扩+激光掺杂;

激光开膜+二次硼扩;

激光开槽+硼浆印刷;

湿法刻蚀+二次硼扩(无激光)

其中，离子注入定域掺杂法，需要昂贵的离子注入机，且硼离子注入技术困难，同时硼离子注入退火温度较高且易形成硼原子簇而成为复合中心，目前已基本不作为量产工艺的实现方式。

6.1 一次硼扩+激光掺杂

a. 由于将BSG(硼硅玻璃)作为掺杂源时，激光掺杂难以将BSG的硼源掺杂进入P+层，导致重掺杂区域的P++浓度不达标，天合提出先通过扩散炉推进高硼表面浓度的P++层，但不进行氧化，以P++层作为激光掺杂源，再进行激光掺杂和氧化工艺，能够在解决硼掺浓度问题的同时，简化选择发射极的制备工艺流程。

b. 一次硼扩+激光掺杂的工艺优势为工艺简单，设备数量需求较低，仅通过扩散炉+激光掺杂设备+清洗设备即可完成。

一次硼扩+ + 激光掺杂工艺路径

一次硼扩+ + 激光掺杂结构

6.2 二次硼扩+激光掺杂

a. 采用硼扩散沉积(而不推进)形成掺杂源，再结合激光掺杂工艺实现SE。相比于一次硼扩，其第一次硼扩形成轻掺杂区域，第二次硼扩为后续激光掺杂提供足够硼扩散源，能够减少一次硼扩带来高温过程，有利于设备的稳定和减少对绒面的损伤。

b. 二次硼扩+激光掺杂对应的工艺时间会有所增长，反应在设备数量预计有所增长。

二次硼扩+ + 激光掺杂具体工艺形式

6.3 激光开膜+二次硼扩

a. 通过一次硼扩散形成轻掺杂，然后对轻掺杂区域进行激光开膜，进而对开膜后的硅片进行二次硼扩散，从而形成重掺区。重掺区不仅覆盖轻掺区，同时对开膜区进行填充，从而在开膜区形成重掺杂，轻掺区形成轻掺杂，从而形成选择发射极。

b. 激光开膜+二次硼扩对应的工艺时间会有所增长，反应在设备数量预计有所增长。在具体设备类别上，反映为激光开膜设备及硼扩散设备。.

激光开膜+ + 二次硼扩工艺路径

激光开膜+ + 二次硼扩结构

6.4 激光开槽+硼浆印刷

a. 采用一次硼扩制作轻掺杂区域，搭配激光开槽+硼浆印刷制作重掺杂区的方法，形成N型电池硼扩SE结构。由于重掺杂区的激光开槽及硼浆印刷图形与丝网印刷图形一致，降低了金属电极的接触电阻;同时非印刷区域的轻掺杂，提高了光线短波响应，从而提升转换效率。

b. 从设备端来看，不涉及二次扩散，工艺相对简单，对应设备为扩散炉、激光开槽设备、丝网印刷设备

6.5 湿法刻蚀+二次硼扩

a. 利用印刷含有HF的刻蚀浆料的方式，在N型硅片硼扩面的电极栅线区域刻蚀掉BSG，得到刻蚀图形，再进行二次硼扩散，在预设栅线区域因刻蚀去除BSG使硅片暴露在外而形成重掺杂;而电极区域由于BSG的遮挡，形成轻掺杂，得到N型太阳能电池硼扩SE结构。预设栅线区域是用网版印刷刻蚀浆料，网版图形与后期印刷电极网版栅线图形一致;浆料覆盖的区域是后期电极栅线印刷的区域。

b. 从工艺方式来看，该种工艺未采用激光设备，主要采用丝网印刷、刻蚀设备以及扩散炉完成，操作相对简单，对绒面的损伤也更小。