Proceso de fabricación de células solares TOPCon: paso a paso

Respuesta rápida: El proceso de fabricación de células solares TOPCon convierte una oblea de silicio monocristalino de tipo N en una célula de alta eficiencia terminada mediante una larga secuencia de pasos controlados. Comienza con el texturizado para formar la superficie de captura de luz, luego la difusión de boro para crear el emisor y el SE láser para dopar fuertemente las regiones de contacto, seguido del recocido y el pulido alcalino. A continuación vienen los pasos definitorios: limpieza RCA, crecimiento del óxido de túnel ultrafino y deposición de la capa de polisilicio dopado mediante PE-poly o LPCVD. El recubrimiento antirreflectante, la metalización por serigrafía y el firing completan la célula. Las ventanas de proceso son estrechas — la difusión de boro opera cerca de 900°C, la deposición de polisilicio por LPCVD cerca de 600°C, y el pico de firing se aproxima a 920°C — y cada paso controla parte de la eficiencia final. Las pruebas y la clasificación agrupan las células por corriente antes de que salgan para el stringing.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · por Jerry, Ooitech

Introducción

Monocristalino de tipo N TOPCon Las células solares se han convertido en una de las tecnologías de alta eficiencia más prometedoras de la industria fotovoltaica. Su producción implica una larga cadena de pasos cuidadosamente controlados, que incluyen texturizado, difusión de boro, SE láser, 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 aumente la absorción de luz. Al reducir la reflectividad superficial, se mejora la corriente de cortocircuito (Isc), lo que en última instancia eleva la eficiencia de conversión fotovoltaica 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 en ella, estos centros de recombinación reducen el tiempo de vida de los portadores minoritarios, provocando que los portadores se recombinen antes de poder ser extraídos 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 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, quedan cuatro estructuras de "pirámide" compuestas por planos (111) en la superficie de la oblea monocristalina.

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

• Plano (100): disposición atómica relativamente laxa 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 (100).

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

Papel 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 humectación 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 pirámides pequeñas. En general, las propiedades del aditivo tienen la influencia más directa sobre la superficie piramidal texturizada.

Flujo del proceso

La secuencia de texturizado típicamente incluye: pre-limpieza con NaOH y H2O2 (asistida por limpieza ultrasónica a 60°C, seguida de enjuague con agua pura) para eliminar orgánicos, impurezas metálicas y daño de sierra; texturizado alcalino usando aproximadamente 0.6% de NaOH y 0.4% de aditivo a 82°C durante 420 segundos para formar la textura piramidal; post-limpieza 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; pre-deshidratación por extracción lenta 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

A alta temperatura, los átomos de boro se difunden en la superficie de la oblea de tipo N para formar una unión PN. El campo incorporado de la unión PN separa los portadores fotogenerados para extraer corriente externamente. Las obleas de tipo P, con alta concentración de huecos, usan dopaje con fósforo para la formación de la unión; las obleas de 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 en 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). Los átomos de boro luego se difunden en la oblea para formar la unión PN. El BCl3 es un líquido o gas humeante incoloro 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 picante, y se descompone en agua para formar 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 exige mayores requisitos 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 película a menudo tarda hasta 240 minutos), lo que aumenta el costo del equipo y de producción en la etapa de formación de la unión.

Flujo del proceso

La difusión se lleva a cabo de dos maneras. La difusión por pre-deposición (el paso de deposición de BSG) utiliza una temperatura más baja y mantiene la oblea en una atmósfera saturada de impurezas, por lo que la concentración de impurezas en la superficie permanece constante; esto se conoce como difusión de fuente superficial constante. La difusión por 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 denomina difusión de fuente superficial limitada, con una distribución gaussiana de impurezas.

Los pasos típicos del proceso son: bombeo de vacío para alcanzar baja presión; calentamiento hasta 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 más uniforme la difusión de boro; difusión/deposición mediante la introducción de la fuente de boro para una predeposición activa y un drive-in pasivo; calentamiento adicional por encima de 900°C para aumentar la velocidad y la profundidad de difusión; postoxidación para formar una capa de SiO2 de más de 100nm que controle el contenido de boro, profundice la unión, forme una capa protectora y capture impurezas del sustrato; enfriamiento hasta una temperatura segura de apertura del tubo; y ruptura del vacío con N2 para restablecer la presión atmosférica.

3. Eliminación de BSG y grabado alcalino

Eliminación de BSG

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

La oblea entra primero en el equipo de limpieza HF en línea, donde aproximadamente un 60% de HF disuelve el BSG posterior en la solución mientras una película de agua protege el BSG frontal, seguido de un enjuague con agua pura de aproximadamente 0,5 minutos. La secuencia incluye: aplicación de una película de agua aprovechando la hidrofilicidad del SiO2 para proteger el BSG frontal; grabado con 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 los 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 cara posterior y los bordes para evitar fugas, y crear una morfología posterior uniforme y limpia en preparación para la pasivación posterior.

Existen 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 utiliza 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 sobregrabado, 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 túnel (TOX), la capa de Poly-Si y la máscara. La deposición tiene lugar principalmente en fase vapor al vacío y puede dividirse 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 la deposita sobre el sustrato a baja presión; la CVD genera depósitos mediante reacciones químicas sobre el sustrato; y la ALD deposita el material capa por capa como capas atómicas individuales.

Capa de óxido túnel (TOX)

La capa de óxido túnel se basa en el efecto de túnel cuántico, utilizando un óxido ultradelgado (típicamente 1-2nm) como barrera. Entre el sustrato de silicio tipo n y la capa de poly-Si dopada, permite un transporte selectivo de portadores: los electrones (portadores mayoritarios) atraviesan el óxido por efecto túnel hacia la capa de poly-Si, mientras que los huecos (portadores minoritarios) enfrentan una altura de barrera mayor (aproximadamente 4,5-4,8eV) y son bloqueados. También crea curvatura de bandas y pasivación por efecto de campo, donde la diferencia de función de trabajo entre el poly-Si dopado y el sustrato curva las bandas de energía de la interfaz y forma un campo electrostático que aumenta los portadores mayoritarios y repele los portadores 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, la PEALD ofrece la mejor pasivación pero con un mayor coste de equipo, mientras que la oxidación térmica y la PECVD ofrecen mejor economía. La ALD suele dar unos 0,7nm, la oxidación térmica unos 1,3nm, y el mecanismo de túnel se logra generalmente con espesores inferiores a 1,6nm. La LPCVD es más madura, con ventajas como control sencillo y alta calidad de película, pero tiende a formar una capa de poly-Si dopada envolvente en el borde frontal que debe limpiarse, y tiene una velocidad de película lenta. El poly-Si por PECVD es una tecnología más reciente con deposición más rápida, dopaje in situ y menor efecto envolvente, pero su madurez aún necesita mejorar y puede presentar polvo, alto contenido de hidrógeno y formación de burbujas durante el recocido a alta temperatura.

Capa de Poly-Si

El silicio policristalino (Poly) está formado 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 poly-Si suele estar dopada con fósforo para formar poly-Si tipo n altamente dopado, mejorando la conductividad, permitiendo el transporte selectivo de portadores y formando un buen contacto óhmico con el sustrato.

La preparación del Poly-Si implica tanto deposición como dopaje. La deposición utiliza principalmente LPCVD o PECVD con un espesor de aproximadamente 100-150nm; 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, la LPCVD suele depositar primero una capa de poly-Si intrínseca y luego completar el dopaje con fósforo mediante un horno de difusión o implantación iónica (dopaje ex-situ), ya que el dopaje durante la lenta deposición por LPCVD la ralentizaría aún más. La PECVD tiene mayor eficiencia de película y puede completar el dopaje con fósforo durante el recubrimiento (dopaje in-situ). La LPCVD, la tecnología dominante para el poly-Si, funciona descomponiendo térmicamente el silano (SiH4) en átomos de silicio que se depositan formando una película. Tenga en cuenta que un poly-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 10nm de espesor crecida tras la deposición de poly-Si para proteger la estructura posterior, evitando principalmente que los procesos húmedos posteriores graben la capa de poly-Si. Para garantizar que la estructura posterior no se dañe en el equipo húmedo de tipo tanque, tras el proceso de poly se crece una máscara de SiOx (aproximadamente 10nm) sobre la superficie posterior utilizando silano y óxido nitroso (nota: el silano y el oxígeno conllevan riesgo de explosión en entornos sin 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 de manera uniforme y estabilizar la presión); deposición de fuente de silicio intrínseco (RF activada, para depositar una película no dopada que bloquea y amortigua el fósforo del poli dopado); predeposición de fuente de silicio dopado (solo gas); deposición de fuente de silicio dopado (RF activada, para depositar una película de poli dopada con fósforo); formación de máscara de óxido mediante SiOx por PECVD; 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 crecido por PECVD en silicio policristalino, activar los átomos de fósforo y avanzar la profundidad de la unión, y formar pinholes. El proceso introduce BN2 (nitruro de boro) y calienta lentamente hasta 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 túnel sin cambios, elevar la temperatura de recocido produce más pinholes y difusión interna, lo que reduce la resistividad de contacto y mejora el FF mientras aún cumple con los requisitos de pasivación; a la misma temperatura de recocido, un óxido túnel más grueso produce más pinholes y difusión interna y una mayor corriente de saturación.

6. Eliminación de PSG y limpieza RCA

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

El propósito del RCA es eliminar el recubrimiento envolvente y realizar el grabado de bordes para prevenir 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 del recubrimiento envolvente utiliza pulido alcalino con álcali de alta concentración y aditivos.

Los aditivos de RCA limpian sustancias inorgánicas y productos residuales para mejorar la humectación superficial, 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 de un sobregrabado.

Los pasos del proceso son: HF en línea para eliminar el PSG formado en la cara frontal y los bordes después del recocido con 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 prevenir marcas de agua; y secado a 90°C para prevenir líquido residual en las obleas y los portadores.

7. ALD (Deposición de Capa Atómica)

La deposición de capa atómica recubre el material como capas atómicas individuales sobre el sustrato y se caracteriza por su naturaleza autolimitante, que es la base de la ALD. Mediante intervalos de tiempo o espaciales, 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. La ALD repite esta reacción para construir la película deseada.

En la cara trasera de la oblea, la pasivación con AlOx reduce la tasa de recombinación de la superficie trasera. El óxido de aluminio porta 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 libres en la superficie del silicio cristalino y reduciendo la densidad de estados de interfaz.

Los pasos del proceso son: predeposición (solo gas, sin RF, llenando el tubo de manera uniforme y estabilizando la presión, mantenida corta para evitar desperdicio de gas y riesgos de seguridad); deposición (RF activada, con TMA formando plasma que reacciona con la superficie para formar AlOx, luego purga con gas inerte, repetida 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 (SiNx) Frontal y Trasero

El recubrimiento de SiNx cumple varias funciones. Protege la superficie de la celda, ya que el nitruro de silicio tiene una resistencia muy alta que soporta hasta 1200°C, una 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 antirreflexión, con un índice de refracción óptimo de monocapa de 1.96 en aire; aumentar el contenido de silicio fortalece la pasivación superficial, y la literatura reporta una velocidad de recombinación superficial que cae por debajo de 20cm/s con un índice de refracción de 2.3, con la mejor pasivación en volumen entre 2.1 y 2.3. También previene la oxidación mediante su estructura densa. La pasivación del emisor frontal de TOPCon utiliza principalmente óxido de aluminio más película de SiNx:H, mientras que la pasivación trasera utiliza principalmente poli-Si.

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

Los pasos del proceso de SiNx son: predeposición (solo gas, sin RF, llenando el tubo y estabilizando la presión); deposición 1-2-3 (RF activada, introduciendo SiH4 y NH3 para formar tres capas de SiNx con relación Si-N decreciente gradualmente, ya que una relación Si-N más alta da un índice de refracción más alto); deposición 4 (RF activada, SiH4, O2 y NH3 formando una capa de SiONx); deposición 5 (RF activada, SiH4 y O2 formando una capa de SiO2); y purga con N2 de las líneas y el tubo para eliminar el gas reactivo y prevenir 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 celda puede generar corriente bajo la luz. Para extraer y recolectar esta corriente, se imprimen electrodos frontales y traseros en la superficie de la celda, 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 de pasta adecuado (viscosidad, capacidad de adelgazamiento por cizallamiento) es el requisito previo para la impresión en masa a gran escala, y el número de mallas 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 del patrón de la malla, y una rasqueta aplica presión mientras se desplaza por 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 FF más alto, un daño mínimo al emisor para limitar la pérdida de Voc inducida por la metalización, y la menor resistividad volumétrica posible para reducir la pérdida de corriente. Los pasos del proceso son: secado para evaporar los orgánicos de la pasta; presinterización para fundir la 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 sobre la superficie, formando un contacto óhmico entre el metal y el semiconductor.

Conclusión

El proceso de fabricación TOPCon es una secuencia precisa de pasos de texturización, 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 visión 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 superficial.

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