SiNx quá mỏng và bạc paste xuyên qua lớp poly, quá dày và điện trở tiếp xúc tăng 600 lần: ISFH chỉ ra giải pháp
Giới thiệu sản phẩm
Bất kỳ ai vận hành dây chuyền quy trình TOPCon đều gặp phải tình huống khó xử này. Phủ SiNx quá mỏng, bạn lo bạc sẽ xuyên qua lớp thụ động, kéo Voc xuống. Phủ quá dày, điện trở tiếp xúc tăng vọt, và FF không thể giữ vững. Mỏng làm bạn sợ, dày cũng làm bạn sợ — vậy độ dày nào là 'vừa đúng'?
Vào năm 2022, nhóm của Min Byungsul tại ISFH (Viện Nghiên cứu Năng lượng Mặt trời Hamelin, Đức) đã công bố một nghiên cứu trong Kỷ yếu Hội nghị AIP nhằm phân tích vấn đề này. Họ đã sử dụng các tiếp xúc thụ động POLO — tên học thuật cho cái mà ngành công nghiệp gọi là TOPCon, về cơ bản là cấu trúc oxit siêu mỏng cộng với polysilicon pha tạp poly-Si/SiOx — để cô lập những gì thực sự đang xảy ra.
Kết luận chính không phức tạp: độ dày SiNx và nhiệt độ nung là một cặp phải khớp nhau. Thay đổi độ dày, bạn phải điều chỉnh nhiệt độ. Di chuyển một cái mà không di chuyển cái kia, hoặc Voc giảm hoặc FF sụp đổ.
Thông số kỹ thuật
Cách bố trí thí nghiệm
ISFH đã sử dụng đế CZ loại p, với một tiếp xúc POLO n⁺ ở mặt sau tế bào (oxit đường hầm cộng với polysilicon pha tạp phốt pho).
Hai biến số chính:
Độ dày lớp phủ SiNx mặt sau — dao động từ 40nm đến 80nm
Nhiệt độ nung đỉnh — được điều chỉnh từ 790°C đến 810°C
Sau đó, họ đo hai thông số: điện trở suất tiếp xúc ρc (bằng TLM) và thông số cell IV.
Trước đó chúng ta đã xem xét một bài báo năm 2016 của JA Solar về cách thành phần hóa học (tỷ lệ Si/N) của màng chống phản xạ SiNx mặt trước ảnh hưởng đến tiếp xúc bạc. Công trình năm 2022 của ISFH này nói về cách độ dày vật lý của lớp SiNx mặt sau ảnh hưởng đến tiếp xúc bạc. Kết hợp cả hai, bạn sẽ bao quát cả hai chiều — "thành phần hóa học" và "độ dày vật lý", màng trước và màng sau.
Tất cả mẫu được nung ở 800°C, chỉ thay đổi độ dày SiNx mặt sau
| Độ dày SiNx | ρc trung vị (800°C) | Trạng thái |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | Rất thấp |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | Bắt đầu tăng |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | Tăng rõ rệt |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | Vùng chuyển tiếp, tăng dốc |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | Cao gần 600 lần so với ở 40nm |
Quét nhiệt độ nung trên mẫu 55nm và 60nm
| Điều kiện | ρc trung vị |
|---|---|
| 55nm SiNx + 800°C | 3.2 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 805°C | 2.8 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 810°C | 2.0 mΩ·cm² |
Ưu điểm kỹ thuật
Phát hiện đầu tiên: quá dày thì bột nhão không thể xuyên qua khi nung
Tất cả mẫu được nung ở đỉnh 800°C , chỉ thay đổi độ dày lớp SiNx mặt sau. Mô hình rõ ràng từ bảng trên — lượng SiNx mà bột nhão có thể đốt xuyên qua trong quá trình nung là có hạn. Vượt quá giới hạn đó, bột nhão không bao giờ chạm được đến polysilicon bên dưới, do đó điện trở tiếp xúc tăng vọt.
Ảnh SEM cung cấp bằng chứng trực tiếp:
40nm SiNx: hỗn hợp dán đã đốt cháy hoàn toàn qua cả SiNx và polysilicon, để lại nhiều hố ăn mòn kích thước micron trên poly. Polysilicon đã bị loại bỏ hoàn toàn cục bộ — tiếp xúc tốt, nhưng lớp thụ động bị hỏng.
80nm SiNx: chỉ có một số rất ít hố ăn mòn rất nhỏ, không có vùng nào poly bị loại bỏ hoàn toàn — lớp thụ động giữ được, nhưng điện trở tiếp xúc cao gần 600 lần (khoảng 2,8 bậc độ lớn), và FF gần như bị phá hủy.
Kết luận của ISFH rất rõ ràng: có một cửa sổ SiNx tối ưu — từ 50 đến 60nm. Quá mỏng, hỗn hợp dán xuyên qua lớp thụ động và Voc giảm mạnh. Quá dày, hỗn hợp dán không thể xuyên qua và điện trở tiếp xúc tăng vọt.
Phát hiện thứ hai: độ dày và nhiệt độ có mối liên hệ với nhau
ISFH không dừng lại ở '50-60nm là tốt nhất.' Họ đặt ra một câu hỏi thực tế hơn trên sàn sản xuất: nếu độ dày SiNx thay đổi, nhiệt độ nung có cần thay đổi không?
Họ chọn 55nm và 60nm và chạy quét nhiệt độ từ 790°C đến 810°C.
Kết quả rất rõ ràng:
55nm SiNx: FF đạt đỉnh tại 800°C, hiệu suất tốt nhất ở đó. Thấp hơn thì tiếp xúc không đủ tốt; cao hơn thì lớp thụ động bắt đầu bị ảnh hưởng.
60nm SiNx: FF đạt đỉnh tại 805-810°C. Vì SiNx dày hơn, cần nhiệt độ cao hơn để hỗn hợp dán xuyên qua.
Nói một cách đơn giản: trong các điều kiện thử nghiệm này, chuyển từ 55nm lên 60nm làm tăng nhiệt độ nung tối ưu lên khoảng 5-10°C. Độ dốc đó chỉ là tham chiếu cho cùng một hệ thống hỗn hợp dán — thay đổi hỗn hợp dán thì cần hiệu chỉnh lại.
Dữ liệu điện trở suất tiếp xúc cũng hỗ trợ điều này: nhiệt độ cao hơn, tiếp xúc tốt hơn — miễn là bạn không vượt qua ranh giới nơi bạn bắt đầu đốt cháy lớp thụ động.
Cơ chế: kích thước hố ăn mòn là chìa khóa
ISFH đã sử dụng SEM để đưa ra một tiêu chí rất rõ ràng:
Hố lớn hơn đường kính 1μm: poly bị loại bỏ hoàn toàn, lớp thụ động bị hỏng → Voc giảm
Hố nhỏ hơn đường kính 1μm: poly không được loại bỏ hoàn toàn, lớp thụ động còn nguyên vẹn → điện trở tiếp xúc giảm, Voc không đổi
ISFH nói thẳng: "cần có một số lượng nhất định các hố ăn mòn kích thước nhỏ để tạo tiếp xúc tốt. Các hố ăn mòn có đường kính dưới 1μm dường như không ảnh hưởng đến chất lượng thụ động."
Tiêu chí đường: hố ăn mòn không phải càng ít càng tốt, cũng không phải càng nhiều càng tốt — mục tiêu là kích thước nhỏ, phân bố vừa phải. Nếu bạn thấy nhiều hố >1μm dưới kính hiển vi, nhiệt độ quá cao hoặc lớp SiNx quá mỏng, và lớp thụ động đã bị tổn hại.
Ứng dụng sản phẩm
Dây chuyền sản xuất thực tế có thể sử dụng gì?
1. Độ dày SiNx không phải càng mỏng càng tốt, cũng không phải càng dày càng tốt. Dưới 40nm, hồ đốt xuyên qua lớp thụ động và Voc giảm mạnh; trên 80nm, hồ không thể đốt xuyên và điện trở tiếp xúc tăng gần 600 lần.
2. Độ dày và nhiệt độ đi đôi với nhau. Thay đổi độ dày SiNx thì nhiệt độ đốt phải thay đổi theo. Dữ liệu của ISFH đưa ra tham khảo — trong các điều kiện này, cứ mỗi 5nm SiNx tăng thêm thì nhiệt độ đỉnh tăng khoảng 5-10°C — nhưng cần hiệu chuẩn lại sau khi đổi hồ.
3. Hố ăn mòn là chỉ báo "cửa sổ". Nhìn vào kích thước và mật độ hố bằng SEM và bạn có thể đánh giá xem tổ hợp độ dày-nhiệt độ hiện tại có nằm trong cửa sổ hay không. Nhiều hố >1μm → quá nóng hoặc màng quá mỏng; hầu như không có hố → quá lạnh hoặc màng quá dày, tiếp xúc có thể có vấn đề.
4. Độ dày màng sau cũng quyết định năng suất thẩm mỹ và lựa chọn hồ. Ba điểm trên đều nói về cách độ dày ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc và FF thông qua việc hồ đốt xuyên hay không. Nhưng trên dây chuyền, độ dày SiNx mặt sau kiểm soát nhiều hơn hiệu suất điện.
Trong sản xuất hàng loạt thực tế, SiNx mặt sau thường được kiểm soát trong khoảng 70-85nm — dày hơn khoảng "tối ưu tiếp xúc" 50-60nm trong bài báo của ISFH. Lý do đơn giản: bài báo đo tối ưu tiếp xúc thuần túy cho cấu trúc POLO cụ thể và một loại hồ nhất định, trong khi dây chuyền sản xuất phải cân bằng thụ động, tiếp xúc và đồng nhất màu sắc cùng lúc, và chọn dải dày hơn, ổn định hơn. Quan trọng hơn, các loại hàn dán thương mại sử dụng hệ thống thủy tinh-frit khác với loại hàn dán trong phòng thí nghiệm của ISFH, do đó cửa sổ độ dày SiNx có thể đốt xuyên qua cũng khác nhau.
Thay đổi độ dày làm thay đổi chiết suất, và màu sắc giao thoa của màng cũng thay đổi theo. Quá mỏng hoặc quá dày, các tấm wafer sẽ xuất hiện sự biến đổi màu sắc, màu lệch và các khuyết tật thẩm mỹ tương tự, trực tiếp làm giảm năng suất thẩm mỹ. Điều đó đặt ra yêu cầu khắt khe đối với nhà sản xuất hàn dán: hàn dán phải phù hợp với cửa sổ quy trình của màng sau, không buộc màng sau phải thích ứng với một loại hàn dán cụ thể. Độ dày và nhiệt độ phải đi đôi, hàn dán và độ dày màng cũng phải đi đôi — dây chuyền là một hệ thống, không phải một điều chỉnh đơn lẻ.
Ba điều bài báo không nói
Mối quan hệ giữa POLO và TOPCon. Tiếp xúc POLO mà ISFH sử dụng về cơ bản là oxit siêu mỏng cộng với polysilicon pha tạp (poly-Si/SiOx), về cơ bản giống với cấu trúc mặt sau TOPCon ngày nay, do đó các kết luận có thể chuyển giao trực tiếp. POLO là tên học thuật do ISFH đề xuất; TOPCon là thuật ngữ tiêu chuẩn trong ngành; về bản chất là cùng một cấu trúc.
Loại hàn dán ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập. Các loại hàn dán khác nhau có thành phần thủy tinh-frit khác nhau và có thể đốt xuyên qua các độ dày SiNx khác nhau. 50-60nm của ISFH dựa trên một loại hàn dán cụ thể — thay đổi hàn dán, bạn có thể cần hiệu chỉnh lại.
Độ tin cậy dài hạn không được đề cập. Liệu các hố ăn mòn nhỏ có phát triển thành lớn sau 25 năm lão hóa ngoài trời không? Liệu bề mặt tiếp xúc có suy thoái thêm dưới nhiệt ẩm không? Bài báo không trả lời.
Đọc cùng với JA Solar 2016
| Kích thước | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| Ứng dụng | Màng chống phản xạ (ARC) SiNx trước | Lớp phủ bảo vệ SiNx sau |
| Trọng tâm | Thành phần hóa học của SiNx (tỷ lệ Si/N) | Độ dày vật lý của SiNx |
| Biến số cốt lõi | Tỷ lệ khí SiH₄/NH₃ | Độ dày SiNx + nhiệt độ nung |
| Chế độ hỏng | Tỷ lệ Si/N lệch → mất cân bằng độ nhớt frit → điện trở tiếp xúc cao | Độ dày sai → đốt xuyên hoặc không đốt xuyên được |
| Sửa hướng | Điều chỉnh tỷ lệ khí đến cửa sổ tối ưu | Ghép độ dày và nhiệt độ |
| Cơ chế chung | Động học phản ứng Frit-SiNx quyết định chất lượng tiếp xúc | Độ xuyên thấu Frit-SiNx quyết định chất lượng tiếp xúc |
Đặt hai bài báo cạnh nhau, bạn sẽ có bức tranh toàn cảnh về quy trình màng trước và màng sau: thành phần hóa học quyết định liệu bạn có thể tiếp xúc tốt hay không, độ dày vật lý quyết định liệu bạn có làm hỏng lớp bên dưới khi tiếp xúc hay không.
Điều chỉnh tỷ lệ Si/N của lớp phủ và Rs tăng vọt, FF sụp đổ, hiệu suất giảm mạnh
Lời nhắc nhở cho dây chuyền: đừng chỉ nhìn chằm chằm vào poly khi truy tìm hao hụt hiệu suất
Với cả hai bài báo đã xong, quay lại dây chuyền của chúng ta. Khi truy tìm hao hụt hiệu suất, phản xạ của kỹ sư là đầu tiên kiểm tra độ dày poly phía sau, mức pha tạp, độ dày oxit tunnel — tác động của chúng lên FF và Voc đã được hiểu rõ và đây là các mục kiểm tra tiêu chuẩn. Nhưng lớp phủ SiNx phía sau thường bị coi là "lớp thụ động/trang trí," và ít ai nghĩ đến nó dưới góc độ điện trở tiếp xúc.
Giá trị của bài báo ISFH này chính là nó kéo biến số bị bỏ qua này trở lại bàn thảo: độ dày màng sau sai, hồ không xuyên qua được hoặc xuyên quá mức, và FF sụp đổ tương tự. Lần tới khi bạn gặp tình huống "thông số poly không thay đổi, nhưng FF giảm bất thường", đừng chỉ xoay quanh poly — hãy quay lại kiểm tra xem độ dày màng sau và nhiệt độ nung có còn khớp nhau không.
Đáng chú ý: thí nghiệm của ISFH dựa trên nung thông thường. Công nghệ LECO hiện được áp dụng rộng rãi trên dây chuyền có thể tối ưu hóa tiếp xúc thông qua bước laser/dòng điện tiếp theo, ở một mức độ nào đó làm giảm độ nhạy với sự ghép cặp nhiệt độ-độ dày nung — nhưng độ dày màng sau vẫn là cửa sổ cơ bản và không thể bỏ qua.
Quan điểm của Ooitech
Chúng tôi thấy điều tương tự trên mọi dây chuyền TOPCon mà chúng tôi vận hành — lớp phủ SiNx phía sau bị coi chỉ là màng màu, và sau đó FF lặng lẽ giảm mà không ai kiểm tra sự ghép cặp độ dày-nhiệt độ. Dữ liệu ISFH phù hợp với lý do khiến mọi người chuyển sang LECO, vì tách rời quá trình hình thành tiếp xúc khỏi bước nung mang lại biên độ thực sự khi hóa học frit của hồ và cửa sổ màng sau không hoàn toàn tương thích. Nếu bạn muốn xem các bước này diễn ra trên dây chuyền module thực tế — phủ, nung, hàn chuỗi và tất cả — kênh YouTube Ooitech tại www.youtube.com/ooitech đáng để theo dõi. Và hãy nhớ rằng đây là nghiên cứu ở cấp độ tế bào; dây chuyền mô-đun kế thừa các tế bào này nhưng số phận của tiếp xúc đã được định đoạt từ trước.
Tài liệu tham khảo
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
