Introducción

Las células solares TOPCon de tipo N monocristalino se han convertido en una de las tecnologías de alta eficiencia más prometedoras en la industria fotovoltaica. Su producción implica una larga cadena de pasos cuidadosamente controlados, que incluyen texturizado, difusión de boro, láser SE, recocido, pulido alcalino, PE-poly, recocido, limpieza RCA, recubrimiento, metalización y pruebas y clasificación finales. En este artículo, recorremos cada paso principal del proceso y explicamos por qué es importante.

1. Texturizado (TEX)

Propósito del Texturizado

El objetivo del texturizado es eliminar la capa de daño mecánico en la superficie de la oblea y formar una superficie texturizada en forma de pirámide que aumenta la absorción de luz. Al reducir la reflectividad superficial, se mejora la corriente de cortocircuito (Isc), lo que finalmente aumenta la eficiencia de conversión fotoeléctrica de la célula.

El grabado húmedo es el proceso de texturizado predominante en la actualidad. Los iones metálicos, las capas de daño y otras contaminaciones en la superficie de la oblea actúan como centros de recombinación. Dado que los electrones y huecos separados deben viajar a través de la superficie de la oblea y ser recolectados allí, estos centros de recombinación reducen la vida útil de los portadores minoritarios, provocando que los portadores se recombinen antes de que puedan ser emitidos como corriente externa. Las capas de óxido superficial y la contaminación orgánica también afectan la calidad de deposición y pasivación de las capas de AlOx y SiNx, por lo que una limpieza superficial exhaustiva es crítica e impacta directamente en la eficiencia de la célula.

Principio de reacción

El texturizado se basa en la propiedad de grabado anisotrópico del silicio cristalino, donde el álcali de baja concentración y los aditivos graban diferentes orientaciones cristalinas a diferentes velocidades. La velocidad de grabado en los planos (110) y (100) es mucho mayor que en el plano (111). Después de un cierto tiempo de grabado, en la superficie de la oblea monocristalina quedan cuatro estructuras de "pirámide" compuestas por planos (111).

La disposición atómica difiere entre los planos cristalinos, lo que lleva a diferentes velocidades de grabado:

• Plano (100): disposición atómica relativamente suelta con más enlaces químicos expuestos, lo que da la velocidad de grabado más rápida.

• Plano (110): densidad atómica entre (100) y (111), con una velocidad de grabado más rápida pero ligeramente menor que la del (100).

• Plano (111): disposición atómica más compacta, con enlaces químicos difíciles de atacar, lo que da la velocidad de grabado más lenta.

Función de los aditivos de texturizado

Los aditivos reducen la tensión superficial del silicio, promueven la liberación de burbujas de hidrógeno formadas durante la reacción y hacen que las pirámides sean más uniformes. Mejoran la mojabilidad entre la superficie de la oblea y la solución de reacción, debilitan la fuerza de grabado de la solución de NaOH, aumentan los puntos de nucleación y la densidad de nucleación, y promueven la formación de grandes cantidades de pequeñas pirámides. En general, las propiedades del aditivo tienen la influencia más directa en la superficie piramidal texturizada.

Flujo del proceso

La secuencia de texturizado típicamente incluye: limpieza previa con NaOH y H2O2 (asistida por limpieza ultrasónica a 60°C, seguida de enjuague con agua pura) para eliminar orgánicos, impurezas metálicas y daños por aserrado; texturizado alcalino usando aproximadamente 0.6% de NaOH y 0.4% de aditivo a 82°C durante 420 segundos para formar la textura piramidal; limpieza posterior para eliminar orgánicos residuales; limpieza ácida usando ácido diluido (3.15% HCl + 7.1% HF) para neutralizar el álcali residual y eliminar la capa de óxido; extracción lenta para deshidratación previa para eliminar la película de agua por tensión superficial; y finalmente secado con aire caliente a 90°C.

2. Difusión de Boro (B Diff)

Propósito

Bajo alta temperatura, los átomos de boro se difunden en la superficie de la oblea tipo N para formar una unión PN. El campo incorporado de la unión PN separa los portadores fotogenerados para generar corriente externa. Las obleas tipo P, con alta concentración de huecos, usan dopaje con fósforo para la formación de la unión; las obleas tipo N, con alta concentración de electrones, usan dopaje con boro.

Principio del proceso

El tricloruro de boro (BCl3) pasa a través de un tubo de cuarzo a 800-900°C y reacciona con oxígeno para formar B2O3, que se deposita sobre la superficie de la oblea con gas portador de nitrógeno y reacciona con Si para generar átomos de boro, formando una capa de vidrio de borosilicato (BSG). Luego, los átomos de boro se difunden en la oblea para formar la unión PN. El BCl3 es un líquido o gas incoloro humeante con una densidad de 1.35 kg/m3, un punto de fusión de -107.3°C y un punto de ebullición de 12.5°C. No es inflamable, es irritante y de olor penetrante, se descompone en agua formando cloruro de hidrógeno y ácido bórico con una liberación significativa de calor. El producto intermedio B2O3, con un punto de fusión de 450°C y punto de ebullición de 1860°C, permanece líquido durante todo el proceso y es fuertemente corrosivo para los componentes de cuarzo.

La difusión de boro es más difícil que la difusión de fósforo, por lo que la ruta TOPCon impone mayores exigencias al equipo, incluyendo mayor uniformidad, temperaturas de difusión más altas (generalmente por encima de 1000°C) y tiempos de difusión más largos (la formación de la película a menudo toma hasta 240 minutos), lo que aumenta el costo del equipo y la producción en la etapa de formación de la unión.

Flujo del proceso

La difusión se realiza de dos maneras. La difusión de predepósito (el paso de deposición de BSG) utiliza una temperatura más baja y mantiene la oblea en una atmósfera de impurezas saturada, por lo que la concentración de impurezas en la superficie permanece constante; esto se conoce como difusión de fuente superficial constante. La difusión de redistribución empuja el boro desde el BSG hacia la oblea a una temperatura más alta en una atmósfera rica en oxígeno sin impurezas externas; aquí la concentración superficial cambia con el tiempo, lo que se llama difusión de fuente superficial limitada, con una distribución de impurezas gaussiana.

Los pasos típicos del proceso son: bombeo de vacío para alcanzar baja presión; calentamiento a la temperatura de difusión (800-900°C); mantenimiento de la temperatura mientras se reduce aún más la presión; detección de fugas a baja presión; preoxidación para formar una capa de SiO2 de 1nm que ralentice el siguiente paso de difusión y haga la difusión de boro más uniforme; difusión/deposición mediante la introducción de la fuente de boro para predepósito activo y difusión pasiva; calentamiento adicional por encima de 900°C para aumentar la velocidad y profundidad de difusión; postoxidación para formar una capa de SiO2 de más de 100nm para controlar el contenido de boro, profundizar la unión, formar una capa protectora y atrapar impurezas del sustrato; enfriamiento a una temperatura segura de apertura del tubo; y ruptura del vacío con N2 para restaurar la presión atmosférica.

3. Eliminación de BSG y Grabado Alcalino

Eliminación de BSG

Después de la difusión de boro, la parte posterior y los bordes de la oblea tienen una capa gruesa de BSG (40-100 nm de óxido). Esta capa de vidrio borosilicatado afecta negativamente los procesos posteriores y puede causar fugas en la unión PN, por lo que se requiere un grabado químico y limpieza después del dopaje. Antes del grabado alcalino, un proceso HF de un solo lado en línea elimina el BSG de la parte posterior y los bordes, mientras que el BSG frontal se conserva como máscara durante el grabado alcalino para proteger la estructura frontal.

La oblea ingresa primero al equipo de limpieza HF en línea, donde aproximadamente un 60% de HF disuelve el BSG posterior en solución mientras que una película de agua protege el BSG frontal, seguido de aproximadamente 0.5 minutos de enjuague con agua pura. La secuencia incluye: aplicar una película de agua usando la hidrofilicidad del SiO2 para proteger el BSG frontal; grabado HF del BSG posterior y de los bordes; un paso de pistola de agua para renovar la película de agua posiblemente contaminada; lavado con agua para eliminar el HF residual; limpieza ácida para eliminar iones de impurezas residuales; y secado de la película de agua frontal.

Grabado alcalino

El propósito del grabado alcalino es eliminar la unión PN en la parte posterior y los bordes para evitar fugas, y crear una morfología posterior uniforme y limpia en preparación para la pasivación posterior.

Hay dos enfoques principales. El texturizado secundario es similar en principio al primer texturizado, pero el aditivo debe reducir la velocidad de reacción entre el BSG y el álcali. El pulido alcalino usa álcali de alta concentración y aditivos para acelerar la reacción álcali-silicio, debilitar la característica de grabado anisotrópico y formar una morfología pulida altamente reflectante. El aditivo de grabado alcalino protege el BSG frontal, reduce su velocidad de reacción con el álcali para evitar el sobre-grabado, mantiene el BSG como máscara para pasos posteriores, reduce la tensión superficial para liberar burbujas de hidrógeno, mejora la humectación y aumenta la densidad de nucleación.

4. Deposición y Recubrimiento

Esta etapa deposita el Óxido de Túnel (TOX), la capa de Poli-Si y la Máscara. La deposición tiene lugar principalmente en fase de vapor al vacío y se puede dividir en Deposición Física de Vapor (PVD), Deposición Química de Vapor (CVD) y Deposición de Capa Atómica (ALD). La PVD vaporiza una fuente de material en átomos, moléculas o iones y lo deposita sobre el sustrato a baja presión; la CVD genera depósitos a través de reacciones químicas en el sustrato; y la ALD deposita material capa por capa como capas atómicas individuales.

Capa de Óxido de Túnel (TOX)

La capa de óxido de túnel se basa en el efecto de túnel cuántico, utilizando un óxido ultrafino (típicamente de 1-2 nm) como barrera. Entre el sustrato de silicio tipo n y la capa de polisilicio dopado, permite el transporte selectivo de portadores: los electrones (portadores mayoritarios) tunelizan a través del óxido hacia la capa de polisilicio, mientras que los huecos (portadores minoritarios) enfrentan una barrera de mayor altura (alrededor de 4.5-4.8 eV) y son bloqueados. También crea curvatura de bandas y pasivación por efecto de campo, donde la diferencia de función de trabajo entre el polisilicio dopado y el sustrato curva las bandas de energía en la interfaz y forma un campo electrostático que aumenta los portadores mayoritarios y repele los minoritarios, reduciendo aún más la recombinación en la interfaz.

El óxido puede prepararse mediante oxidación térmica (compatible con LPCVD) o mediante PECVD, PEALD y oxidación térmica (compatible con PECVD). En términos de densidad de película, PEALD proporciona la mejor pasivación pero a un mayor costo de equipo, mientras que la oxidación térmica y PECVD ofrecen una mejor economía. ALD típicamente da alrededor de 0.7 nm, la oxidación térmica alrededor de 1.3 nm, y el mecanismo de túnel generalmente se logra con espesores por debajo de 1.6 nm. LPCVD es más maduro, con ventajas como control simple y alta calidad de película, pero tiende a formar una capa de polisilicio dopado envolvente en el borde frontal que debe limpiarse, y tiene una tasa de deposición lenta. El polisilicio por PECVD es una tecnología más nueva con deposición más rápida, dopaje in situ y menor envolvente, pero su madurez aún necesita mejora y puede sufrir de polvo, alto contenido de hidrógeno y formación de burbujas durante el recocido a alta temperatura.

Capa de polisilicio

El silicio policristalino (poli) está compuesto por innumerables granos diminutos de silicio, con tamaños de grano típicamente de decenas a cientos de nanómetros y límites de grano entre ellos. La capa de polisilicio generalmente está dopada con fósforo para formar polisilicio tipo n altamente dopado, mejorando la conductividad, permitiendo el transporte selectivo de portadores y formando un buen contacto óhmico con el sustrato.

La preparación de poli-Si implica tanto la deposición como el dopaje. La deposición utiliza principalmente LPCVD o PECVD con un espesor de aproximadamente 100-150 nm; la película amorfa cambia su cristalinidad durante el recocido, transformándose de una fase mixta microcristalina-amorfa a policristalina y activando la pasivación. Para el dopaje, LPCVD generalmente deposita primero una capa de poli-Si intrínseco y luego completa el dopaje con fósforo mediante un horno de difusión o implantación iónica (dopaje ex situ), ya que el dopaje durante la deposición lenta de LPCVD la ralentizaría aún más. PECVD tiene una mayor eficiencia de película y puede completar el dopaje con fósforo durante el recubrimiento (dopaje in situ). LPCVD, la tecnología principal para poli-Si, funciona descomponiendo térmicamente silano (SiH4) en átomos de silicio que se depositan formando una película. Tenga en cuenta que un poli-Si más grueso causa una pérdida FCA (parásita) más grave y una mayor pérdida de corriente de cortocircuito, y un mayor dopaje con fósforo aumenta la absorción FCA y la pérdida de corriente.

Capa de Máscara

La capa de máscara suele ser una película de SiO2 de aproximadamente 10 nm de espesor depositada después de la deposición de poli-Si para proteger la estructura trasera, principalmente para evitar que los procesos húmedos posteriores graben la capa de poli-Si. Para garantizar que la estructura trasera no se dañe en el equipo húmedo de tipo tanque, después del proceso de poli se deposita una máscara de SiOx (aproximadamente 10 nm) en la superficie trasera usando silano y óxido nitroso (nota: el silano y el oxígeno conllevan riesgo de explosión en entornos no al vacío).

Los pasos del proceso son: precalentamiento al vacío para llevar la oblea a la temperatura requerida; predeposición de fuente de silicio intrínseco (solo gas, sin RF, para llenar el tubo uniformemente y estabilizar la presión); deposición de fuente de silicio intrínseco (RF encendida, para depositar una película no dopada que bloquee y amortigüe el fósforo del poli dopado); predeposición de fuente de silicio dopado (solo gas); deposición de fuente de silicio dopado (RF encendida, para depositar una película de poli dopada con fósforo); formación de máscara de óxido mediante PECVD SiOx; y purga con N2/Ar para expulsar SiH4 y N2O del tubo y evitar la combustión al abrir la puerta del horno.

5. Recocido

El propósito del recocido es convertir el silicio amorfo depositado por PECVD en silicio policristalino, activar los átomos de fósforo y avanzar la profundidad de la unión, y formar agujeros de alfiler. El proceso introduce BN2 (nitruro de boro) y calienta lentamente a 890-920°C, donde el BN2 se difunde a alta temperatura para activar los átomos de fósforo en la película de poli y formar un dopaje efectivo.

Existe una relación entre el recocido y el TOX: con el óxido de túnel sin cambios, aumentar la temperatura de recocido produce más agujeros y difusión interna, reduciendo la resistividad de contacto y mejorando el FF mientras se cumplen los requisitos de pasivación; a la misma temperatura de recocido, un óxido de túnel más grueso produce más agujeros y difusión interna y una corriente de saturación más alta.

6. Eliminación de PSG y Limpieza RCA

Durante la deposición PEALD de la película n+-poly-Si, se forma una capa n+-poly local en la parte frontal de la oblea, cubierta por una película delgada de máscara (SiOx). El HF de un solo lado elimina el SiOx, luego un baño alcalino elimina el n+-poly-Si frontal. La oblea pasa secuencialmente a través del tanque de grabado, tanque alcalino y tanque de limpieza para reacciones químicas antes del secado.

El propósito de RCA es eliminar el enchapado envolvente y realizar el grabado de bordes para evitar fugas en los bordes, y limpiar la oblea eliminando el BSG frontal y trasero y la máscara y deshidratándola en preparación para las películas de pasivación frontal y trasera. Dado que el poli es silicio policristalino, la eliminación envolvente utiliza pulido alcalino con álcali de alta concentración y aditivos.

Los aditivos RCA limpian sustancias inorgánicas y productos residuales para mejorar la humectación de la superficie, actúan como catalizadores de reacción para acelerar la unión de OH- con el silicio y acelerar el grabado envolvente y de bordes, y reducen la velocidad de grabado alcalino del dióxido de silicio para proteger el BSG frontal y la máscara trasera del sobre-grabado.

Los pasos del proceso son: HF en línea para eliminar el PSG formado en la parte frontal y los bordes después del recocido N2 mientras se mantiene el PSG trasero para proteger el poli trasero; pulido alcalino con NaOH y aditivo para eliminar el exceso de poli frontal y de bordes; lavado alcalino para eliminar aditivos residuales e impurezas; limpieza ácida para neutralizar el álcali residual y eliminar iones metálicos; extracción lenta usando agua desionizada a temperatura ambiente con un robot para evitar marcas de agua; y secado a 90°C para evitar líquido residual en obleas y portadores.

7. ALD (Deposición de Capa Atómica)

La deposición de capas atómicas recubre el material como capas atómicas individuales sobre el sustrato y se caracteriza por su naturaleza autolimitante, que es la base de ALD. A través de intervalos de tiempo o espacio, el sustrato se expone alternativamente a diferentes precursores. Cuando el sustrato está en la atmósfera del precursor A, A se adsorbe químicamente en la superficie hasta la saturación, luego se detiene; cuando se expone al precursor B, B reacciona con el A ya adsorbido, produciendo subproductos hasta que el primer precursor se consume por completo y la reacción se detiene automáticamente, formando la capa atómica requerida. ALD repite esta reacción para construir la película deseada.

En la parte posterior de la oblea, la pasivación con AlOx reduce la tasa de recombinación en la superficie posterior. El óxido de aluminio tiene cargas negativas fijas ubicadas justo en la interfaz entre el óxido de aluminio y el óxido de silicio en la superficie de la oblea; esta carga negativa de alta densidad asegura una pasivación de campo efectiva. El óxido de aluminio también proporciona una excelente pasivación química, saturando los enlaces colgantes en la superficie del silicio cristalino y reduciendo la densidad de estados de interfaz.

Los pasos del proceso son: pre-deposición (solo gas, sin RF, llenando el tubo de manera uniforme y estabilizando la presión, mantenido corto para evitar desperdicio de gas y riesgos de seguridad); deposición (RF encendida, con TMA formando plasma que reacciona con la superficie para formar AlOx, luego purga con gas inerte, repetido durante 40 ciclos); y purga con Ar para expulsar TMA y O2 del tubo y evitar la combustión de TMA al abrir la puerta del horno.

8. Nitruro de silicio frontal y posterior (SiNx)

El recubrimiento de SiNx tiene varios propósitos. Protege la superficie de la celda, ya que el nitruro de silicio tiene una resistencia muy alta que soporta hasta 1200°C, excelente resistencia a la corrosión química contra casi todos los ácidos inorgánicos y NaOH por debajo del 30%, y es un aislante eléctrico de alto rendimiento. Proporciona anti-reflexión, con un índice de refracción óptimo de capa única de 1.96 en aire; aumentar el contenido de silicio fortalece la pasivación de la superficie, y la literatura reporta que la velocidad de recombinación superficial cae por debajo de 20 cm/s con un índice de refracción de 2.3, con la mejor pasivación del volumen entre 2.1 y 2.3. También previene la oxidación a través de su estructura densa. La pasivación del emisor frontal de TOPCon utiliza principalmente óxido de aluminio más película de SiNx:H, mientras que la pasivación posterior utiliza principalmente poli-Si.

El mecanismo de pasivación de SiNx funciona de dos maneras. La pasivación química reduce la densidad de defectos en la interfaz al disminuir los enlaces colgantes, ya sea cultivando una capa superficial que da a los átomos suficiente tiempo y energía para saturar los enlaces colgantes, o depositando una película dieléctrica rica en hidrógeno y liberando hidrógeno durante la sinterización para que se enlace con los enlaces colgantes. La pasivación por efecto de campo reduce el número de portadores minoritarios que alcanzan la superficie generando un campo eléctrico cerca de la superficie que repele los portadores de la misma polaridad, logrado mediante la reducción de la alta concentración de dopaje superficial o añadiendo una capa dieléctrica con alta carga fija.

Los pasos del proceso de SiNx son: pre-deposición (solo gas, sin RF, llenando el tubo y estabilizando la presión); deposición 1-2-3 (RF encendida, introduciendo SiH4 y NH3 para formar tres capas de SiNx con una relación Si-N decreciente gradualmente, ya que una relación Si-N más alta da un índice de refracción más alto); deposición 4 (RF encendida, SiH4, O2 y NH3 formando una capa de SiONx); deposición 5 (RF encendida, SiH4 y O2 formando una capa de SiO2); y purga con N2 de las líneas y el tubo para eliminar el gas reactivo y evitar la explosión de SiH4 al abrir la puerta del horno.

9. Serigrafía (Metalización)

Después de que el texturizado, la difusión y el recubrimiento completan la unión PN y la pasivación, la célula puede generar corriente bajo luz. Para extraer y recolectar esta corriente, se imprimen electrodos frontal y posterior en la superficie de la célula, generalmente mediante serigrafía, secado y sinterización.

El sistema de serigrafía consta de cinco elementos: rasqueta, tinta (pasta), pantalla, sustrato (oblea) y plataforma de impresión. Un rendimiento de impresión adecuado de la pasta (viscosidad, capacidad de adelgazamiento por cizallamiento) es el requisito previo para la impresión masiva a gran escala, y el número de malla de la pantalla, el diámetro del alambre y el ancho de línea diseñado determinan en gran medida la morfología impresa. En funcionamiento, la pasta pasa a través de las aberturas de malla patrón, y una rasqueta aplica presión mientras se mueve a través de la pantalla, presionando la pasta desde las aberturas del patrón sobre la oblea. La viscosidad de la pasta la mantiene adherida dentro del rango, y la rasqueta mantiene un contacto lineal con la pantalla y el sustrato, moviéndose la línea de contacto con la rasqueta para completar la carrera de impresión.

La pasta debe ofrecer una excelente imprimibilidad para la producción en masa, un buen contacto óhmico con el emisor para una baja resistividad de contacto y un mayor FF, un daño mínimo al emisor para limitar la pérdida de Voc inducida por la metalización, y la resistividad volumétrica más baja posible para reducir la pérdida de corriente. Los pasos del proceso son: secado para evaporar los orgánicos en la pasta; presinterización para fundir el frita de vidrio, disolver las partículas de plata y abrir la capa de pasivación; sinterización para disolver más metal en el vidrio y unirlo; y enfriamiento para que el metal disuelto en el vidrio precipite en la superficie, formando un contacto óhmico entre el metal y el semiconductor.

Conclusión

El proceso de fabricación de TOPCon es una secuencia precisa de pasos de texturizado, dopaje, pasivación, deposición, recocido y metalización, cada uno diseñado para maximizar la selectividad de portadores y minimizar la recombinación para una mayor eficiencia de conversión.

La opinión de ooitech: ooitech cree que la alta eficiencia de TOPCon proviene de la sinergia de la tecnología de óxido de túnel y contacto pasivado, donde cada paso de limpieza, deposición y recocido trabaja en conjunto para llevar al límite la selectividad de portadores y la pasivación de superficie.