02-效率20.7%的TOPCon高效晶体硅太阳能电池的研究-陶科
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0.01
SiOx
1E-3
1E-3
Hybird Si layer consists of two layers: 10 nm a-Si and 15 nm μc-Si
1E-4 1E14 1E15 1E-4 1E16
c-Si
poly-Si
Minority Carrier Density(cm-3)
电池性能
after anneal at 800 C
o
1E16 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Depth (µm)
混合型钝化结构解决起泡问题
0.1 0.1
TEM测试结果
Effective carrier lifetime(sec)
µc-Si(n) Hybrid α-Si(n)
0.01
τeff=960 µs τeff=3.2 ms @5x1015cm-3
1E19
1E18
n+ poly-Si
1E17 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Depth (µm)
ECV profile for p+ emitter
Formation of Tunnel oxide PECVD of Si doped films
优化前、背表面钝 化，降低复合损失 ，提高转换效率
40
20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 400 600 800 1000
0
Voltage (V)
Wavelength (nm)
电池性能的比较说明混合型硅薄膜的设计能有效改善了电池背表面的钝化效果
电池性能的提升——发射极的钝化
0.01
Effective carrier lifetime (sec)
40
Current density (mA/cm2)
20
experimental results simulated
面积：2x2
cm2
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Voltage (V)
通过优化B扩散发射极及其钝化，以及采用最新的多腔室PECVD 设备，优化硅薄膜的制备工艺，获得了转换效率20.7%的TOPCon 太阳电池 (Voc=674mV, FF=79.8%, Jsc=38.45mA/cm2） 计算机模拟仿真显示，进一步优化前表面钝化，降低复合速率，转 换效率可以提高到21.69% (Jsc=38.93 mA/cm2, Voc=694 mV, FF=80.29%)
钝化介质通常不导电，因 此在有效钝化和电流导出 之间存在矛盾；
2013年德国Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在 28th EU-PVSEC首次报道了TOPCon电池概念
1）优良的界面钝化能力 2）有效的掺杂使得硅衬底中费米能级 分离（高Voc） 3）很强的多子输运能力（高FFs）
Raman shift (cm-1)
Raman shift (cm-1)
(a) a-Si、(b) µc-Si 薄膜在不同温度退火后的拉曼谱
Implied Voc(mV)
存在的问题：a-Si薄膜在结晶过程中出现blistering现象
(a) a-Si
1E22 1E21
(b) µc-Si
Without blistering Blistering
EV
EC EF
良好的热稳定性 载流子选择性收集
n++-Si SiO 空穴 n-c-Si
EV
TOPCon电池的载流子输运机制
最新的研究对TOPCon电池的传输机制提出了新的看法： 除了doped-Si/c-Si界面的非局域带间遂穿，还发现了载流子的局域输运通道； 该通道的形成是因为氧化层在高温退火过程中减薄甚至出现局部漏洞。
TOPCon太阳电池的研究结果
背表面钝化研究
Effective carrier lifetime(µs)
4000 3500 3000 2500 2000 680 1500 1000 500 740
a-Si
µc-Si
720
700
carrier lifetime Implied Voc injection level@5x105cm-3
ALD系统 磁控濺射 系统
自制PECVD
Thank you for your attention!
提供整套高效电池测试、关键工艺 、专业模拟和测试分析服务 拥有完整研发平台，欢迎合作研究 联系方式：jiarui@ime.ac.cn
Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所 2016-11-26
报告提纲
前言 TOPCon太阳电池的研究方案 TOPCon太阳电池的研究结果
背表面的钝化研究 电池性能
结论与展望
对于TOPCon结构（c-Si/SiOx/doped poly-Si），PECVD生长的a-Si经退火 后能获得较好的钝化效果，然而非晶硅由于较高的H含量，容易出现起泡现 象； PECVD生长的µc-Si薄膜在退火过程中能够保持稳定，但是钝化效果略低。 µc-Si/a-Si混合结构能抑制起泡，并且获得较高的钝化性能，少子寿命超过 3.2ms, iVoc超过720mV； 发射极的表面钝化对电池性能至关重要，通过改善发射极的钝化，电池开路 电压显著提高，获得了转换效率20.7%的TOPCon太阳电池； 软件模拟表明，进一步优化发射极钝化性能，电池效率有望提高到21.7%。 接下来，我们将进一步对硼扩散的发射极及其表面钝化进行研究， 优化金属化工艺，提高电池性能，并进一步挖掘TOPCon电池的潜 力及思考工业化生产中可能遇到的问题
660
(a)
B-800oC B-700oC B-600oC B-as dep.
(b)
Intensity (a.u.)
100
200
300
400
500
600
700
800
Intensity (a.u.)
A-800oC A-700oC A-600oC A-as dep.
100
200
300Biblioteka Baidu
400
500
600
700
SiOx 厚度小
TOPCon VS HIT
TOPCon
SiOx 带隙宽 硅薄膜 电导大
光的寄生吸收损失降低 Si薄膜电阻降低，缺陷态密度 也较低 Si/TCO的接触电阻降低
Jsc(mA/cm2) 40.6 41.4 41.5 41.5 42.1
Voc(mV) FF(%) 698.1 703.2 715.1 719 718 81.1 82.5 82.1 83.2 83.2
electrode P doped Si n-c-Si Tunneling Oxide electrode
N doped Si
PERC电池，电流密度分布模拟
TOPCon电池的电流分布
TOPCon太阳电池的研究方案
1E21 1E20
结深： ~430nm 方阻： ~ 40 ohm/ sq
Concentration(cm-3)
R. Peibst et al. / Solar Energy Materials & Solar Cells 158 (2016) 60
租用中科院EDA中心软件和 C++结合，对TOPCon太阳 电池进行模拟：
电流分布呈现典型的一维分布， 载流子输运距离短 电子和空穴分别通过隧穿穿越氧 化层最后被电极收集
(a)
30 25 20 15 10 5 0 0.0
100
(b) EQE of solar cells: hybrid µc-Si
100
Current density (%)
EQE/Reflectance(%)
hybrid µc-Si
80
80
60
60
40
20
Reflectance of solar cells: hybrid µc-Si
Eff(%) 23 24 24.4 24.9 25.1
通过优化Ag背电极，减小背面光吸收； 优化前电极，降低遮光损失；
氧化层的作用
增加选区发射等，降低发射极串联电阻
氧化硅薄层对TOPCon钝化效果的影响
TOPCon电池的载流子输运机制
电子
EC EF
p++-Si SiOx
空穴 n-c-Si 电子
τau=2.16 ms @1x1015cm-3
1E-3
1E-4 1E13 1E14 1E15
-3
1E16
Minority carrier density (cm )
对双面B扩的单晶硅片进行双面钝化研究： 通过优化钝化层的生长工艺，双面钝化的样品少子寿命超过 了2ms（@1x1015cm-3）, iVoc @1sun达到696mV。
a-Si:H thin films after anneal at 800 C
1E19
o
1E20
c-Si
1E18
µc-Si:H thin films
1E17
出现起泡的样品，掺杂原子很 容易扩散到晶体硅衬底内部， 而没有起泡的样品，则能有效 的阻挡杂质原子进入晶体硅。
1.0
Concentration (cm-3)
结论与展望
前言
太阳能电池核心课题： 1. 提高转换效率 2. 降低生产成本
俄歇复合 电学 损失 复合 损失 SRH复合 表面复合
光学损失
解决方案：全面钝化 1.使用非晶硅作为钝化层； 非晶硅异质结钝化结构
理想的载流子选择性接触
2. 使用超薄氧化层作为钝化层； 隧穿氧化层钝化接触结构
中国科学院微电子研究所在太阳电池方面的研究
批量化制备的IBC电池
Black Silicon
光刻工艺间
B、P扩散炉
标准RCA清洗
电池工艺间
多腔室PECVD
PV2000A
量子效率综合测试仪
完 整 的 测 试 平 台
椭偏仪
SEM
拉曼-AFM综合测试系统
超高真空CVD 完 整 的 研 发 平 台
链式烧结炉
第十二届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（12thCSPV） 嘉兴，中国，2016.11.24-26
效率20.7%的TOPCon高效晶体硅太阳能电池的研究
The study on 20.7% efficient Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) N type silicon solar cells 陶科 (K. Tao), 贾锐 (R. Jia), 李强 (L. Qiang), 侯彩霞 （C. Hou）姜帅 (J. Shuai), 孙昀 (Y. Sun)
在本实验中，电池发射极采用 SiO2/SiNx进行钝化，由于钝化层的 工艺未能优化，钝化效果还比较差：
35
annealed a-Si tau(us) 317 implied Voc 660
SiO2/SiNx tau(us) 209 implied Voc 647
post-anneal tau(us) 348 implied Voc 660
SiOx
1E-3
1E-3
Hybird Si layer consists of two layers: 10 nm a-Si and 15 nm μc-Si
1E-4 1E14 1E15 1E-4 1E16
c-Si
poly-Si
Minority Carrier Density(cm-3)
电池性能
after anneal at 800 C
o
1E16 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Depth (µm)
混合型钝化结构解决起泡问题
0.1 0.1
TEM测试结果
Effective carrier lifetime(sec)
µc-Si(n) Hybrid α-Si(n)
0.01
τeff=960 µs τeff=3.2 ms @5x1015cm-3
1E19
1E18
n+ poly-Si
1E17 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Depth (µm)
ECV profile for p+ emitter
Formation of Tunnel oxide PECVD of Si doped films
优化前、背表面钝 化，降低复合损失 ，提高转换效率
40
20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 400 600 800 1000
0
Voltage (V)
Wavelength (nm)
电池性能的比较说明混合型硅薄膜的设计能有效改善了电池背表面的钝化效果
电池性能的提升——发射极的钝化
0.01
Effective carrier lifetime (sec)
40
Current density (mA/cm2)
20
experimental results simulated
面积：2x2
cm2
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Voltage (V)
通过优化B扩散发射极及其钝化，以及采用最新的多腔室PECVD 设备，优化硅薄膜的制备工艺，获得了转换效率20.7%的TOPCon 太阳电池 (Voc=674mV, FF=79.8%, Jsc=38.45mA/cm2） 计算机模拟仿真显示，进一步优化前表面钝化，降低复合速率，转 换效率可以提高到21.69% (Jsc=38.93 mA/cm2, Voc=694 mV, FF=80.29%)
钝化介质通常不导电，因 此在有效钝化和电流导出 之间存在矛盾；
2013年德国Fraunhofer 研究所的Frank Feldmann博士在 28th EU-PVSEC首次报道了TOPCon电池概念
1）优良的界面钝化能力 2）有效的掺杂使得硅衬底中费米能级 分离（高Voc） 3）很强的多子输运能力（高FFs）
Raman shift (cm-1)
Raman shift (cm-1)
(a) a-Si、(b) µc-Si 薄膜在不同温度退火后的拉曼谱
Implied Voc(mV)
存在的问题：a-Si薄膜在结晶过程中出现blistering现象
(a) a-Si
1E22 1E21
(b) µc-Si
Without blistering Blistering
EV
EC EF
良好的热稳定性 载流子选择性收集
n++-Si SiO 空穴 n-c-Si
EV
TOPCon电池的载流子输运机制
最新的研究对TOPCon电池的传输机制提出了新的看法： 除了doped-Si/c-Si界面的非局域带间遂穿，还发现了载流子的局域输运通道； 该通道的形成是因为氧化层在高温退火过程中减薄甚至出现局部漏洞。
TOPCon太阳电池的研究结果
背表面钝化研究
Effective carrier lifetime(µs)
4000 3500 3000 2500 2000 680 1500 1000 500 740
a-Si
µc-Si
720
700
carrier lifetime Implied Voc injection level@5x105cm-3
ALD系统 磁控濺射 系统
自制PECVD
Thank you for your attention!
提供整套高效电池测试、关键工艺 、专业模拟和测试分析服务 拥有完整研发平台，欢迎合作研究 联系方式：jiarui@ime.ac.cn
Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 中国科学院微电子研究所 2016-11-26
报告提纲
前言 TOPCon太阳电池的研究方案 TOPCon太阳电池的研究结果
背表面的钝化研究 电池性能
结论与展望
对于TOPCon结构（c-Si/SiOx/doped poly-Si），PECVD生长的a-Si经退火 后能获得较好的钝化效果，然而非晶硅由于较高的H含量，容易出现起泡现 象； PECVD生长的µc-Si薄膜在退火过程中能够保持稳定，但是钝化效果略低。 µc-Si/a-Si混合结构能抑制起泡，并且获得较高的钝化性能，少子寿命超过 3.2ms, iVoc超过720mV； 发射极的表面钝化对电池性能至关重要，通过改善发射极的钝化，电池开路 电压显著提高，获得了转换效率20.7%的TOPCon太阳电池； 软件模拟表明，进一步优化发射极钝化性能，电池效率有望提高到21.7%。 接下来，我们将进一步对硼扩散的发射极及其表面钝化进行研究， 优化金属化工艺，提高电池性能，并进一步挖掘TOPCon电池的潜 力及思考工业化生产中可能遇到的问题
660
(a)
B-800oC B-700oC B-600oC B-as dep.
(b)
Intensity (a.u.)
100
200
300
400
500
600
700
800
Intensity (a.u.)
A-800oC A-700oC A-600oC A-as dep.
100
200
300Biblioteka Baidu
400
500
600
700
SiOx 厚度小
TOPCon VS HIT
TOPCon
SiOx 带隙宽 硅薄膜 电导大
光的寄生吸收损失降低 Si薄膜电阻降低，缺陷态密度 也较低 Si/TCO的接触电阻降低
Jsc(mA/cm2) 40.6 41.4 41.5 41.5 42.1
Voc(mV) FF(%) 698.1 703.2 715.1 719 718 81.1 82.5 82.1 83.2 83.2
electrode P doped Si n-c-Si Tunneling Oxide electrode
N doped Si
PERC电池，电流密度分布模拟
TOPCon电池的电流分布
TOPCon太阳电池的研究方案
1E21 1E20
结深： ~430nm 方阻： ~ 40 ohm/ sq
Concentration(cm-3)
R. Peibst et al. / Solar Energy Materials & Solar Cells 158 (2016) 60
租用中科院EDA中心软件和 C++结合，对TOPCon太阳 电池进行模拟：
电流分布呈现典型的一维分布， 载流子输运距离短 电子和空穴分别通过隧穿穿越氧 化层最后被电极收集
(a)
30 25 20 15 10 5 0 0.0
100
(b) EQE of solar cells: hybrid µc-Si
100
Current density (%)
EQE/Reflectance(%)
hybrid µc-Si
80
80
60
60
40
20
Reflectance of solar cells: hybrid µc-Si
Eff(%) 23 24 24.4 24.9 25.1
通过优化Ag背电极，减小背面光吸收； 优化前电极，降低遮光损失；
氧化层的作用
增加选区发射等，降低发射极串联电阻
氧化硅薄层对TOPCon钝化效果的影响
TOPCon电池的载流子输运机制
电子
EC EF
p++-Si SiOx
空穴 n-c-Si 电子
τau=2.16 ms @1x1015cm-3
1E-3
1E-4 1E13 1E14 1E15
-3
1E16
Minority carrier density (cm )
对双面B扩的单晶硅片进行双面钝化研究： 通过优化钝化层的生长工艺，双面钝化的样品少子寿命超过 了2ms（@1x1015cm-3）, iVoc @1sun达到696mV。
a-Si:H thin films after anneal at 800 C
1E19
o
1E20
c-Si
1E18
µc-Si:H thin films
1E17
出现起泡的样品，掺杂原子很 容易扩散到晶体硅衬底内部， 而没有起泡的样品，则能有效 的阻挡杂质原子进入晶体硅。
1.0
Concentration (cm-3)
结论与展望
前言
太阳能电池核心课题： 1. 提高转换效率 2. 降低生产成本
俄歇复合 电学 损失 复合 损失 SRH复合 表面复合
光学损失
解决方案：全面钝化 1.使用非晶硅作为钝化层； 非晶硅异质结钝化结构
理想的载流子选择性接触
2. 使用超薄氧化层作为钝化层； 隧穿氧化层钝化接触结构
中国科学院微电子研究所在太阳电池方面的研究
批量化制备的IBC电池
Black Silicon
光刻工艺间
B、P扩散炉
标准RCA清洗
电池工艺间
多腔室PECVD
PV2000A
量子效率综合测试仪
完 整 的 测 试 平 台
椭偏仪
SEM
拉曼-AFM综合测试系统
超高真空CVD 完 整 的 研 发 平 台
链式烧结炉
第十二届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（12thCSPV） 嘉兴，中国，2016.11.24-26
效率20.7%的TOPCon高效晶体硅太阳能电池的研究
The study on 20.7% efficient Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) N type silicon solar cells 陶科 (K. Tao), 贾锐 (R. Jia), 李强 (L. Qiang), 侯彩霞 （C. Hou）姜帅 (J. Shuai), 孙昀 (Y. Sun)
在本实验中，电池发射极采用 SiO2/SiNx进行钝化，由于钝化层的 工艺未能优化，钝化效果还比较差：
35
annealed a-Si tau(us) 317 implied Voc 660
SiO2/SiNx tau(us) 209 implied Voc 647
post-anneal tau(us) 348 implied Voc 660