A junção PN é o "coração" das células fotovoltaicas. De acordo com o tipo de junção PN, as células fotovoltaicas podem ser divididas em células de homojunção e células de heterojunção. Entre eles, a célula de homojunção realiza principalmente dopagem no mesmo tipo de wafer de silício (tipo P ou tipo N) por meio de difusão, obtendo assim uma junção PN. A região do tipo P e a região do tipo N da célula de heterojunção são compostas por diferentes tipos de materiais semicondutores, que podem ser divididos em tipo dopado e tipo não dopado.

Quando um semicondutor tipo P e um semicondutor tipo N são combinados, devido à alta concentração de buracos no semicondutor tipo P e à alta concentração de elétrons no semicondutor tipo N, a difusão térmica será formada. Ou seja, buracos no semicondutor tipo P se difundem para a região tipo N e elétrons no semicondutor tipo N se difundem para a região tipo P. Em seguida, as cargas negativas são formadas na região do tipo P, enquanto as cargas positivas são formadas na região do tipo N, formando um campo elétrico embutido entre as duas. Sob condições de luz, fótons com energia maior que a largura de banda proibida são absorvidos e pares elétron-buraco são gerados em ambos os lados da junção PN, e eles são separados um do outro sob a ação do campo elétrico embutido, desse modo gerando uma corrente fotoinduzida.

A "probabilidade de coleta" descreve a probabilidade de que os portadores gerados pela irradiação de luz em uma determinada área da bateria sejam coletados pela junção PN e participem do fluxo de corrente. Seu tamanho está relacionado à distância que os portadores fotogerados precisam se mover e às características da superfície da bateria. Quanto mais longe da região dissipativa, menor a probabilidade de serem coletados, e a passivação de superfície pode aumentar a probabilidade de coletar portadores no mesmo local.

O que é Difusão? A difusão descreve o movimento de uma substância dentro de outra. A essência está no movimento browniano de átomos, moléculas e íons, causando difusão de locais de alta concentração para locais de baixa concentração. A fabricação de células solares de silício cristalino adota o método de difusão térmica química de alta temperatura para alcançar a junção de dopagem. A difusão térmica usa alta temperatura para conduzir as impurezas através da estrutura de rede de silício, este método é afetado pelo tempo e pela temperatura e requer 3 etapas: pré-deposição, push-in e ativação.

Três indicadores de difusão: resistência quadrada, profundidade de junção e concentração de superfície

O valor da resistência quadrada é principalmente uma caracterização abrangente da concentração da superfície e da profundidade da junção, e sua influência nos parâmetros da célula inclui principalmente os três pontos a seguir: 1) A profundidade da difusão da junção PN afeta diretamente sua absorção de luz de ondas curtas, portanto, a difusão dentro de um determinado intervalo Quanto mais rasa a junção PN (quanto maior o valor da resistência quadrada), maior o valor da corrente; 2) A concentração de dopagem do elemento de fósforo difuso afeta a condutividade de sua parte de silício tipo N até certo ponto, então quanto maior a concentração de dopagem (o valor quadrado da resistência Quanto menor o valor, maior o fator de preenchimento; 3 ) De um modo geral, dentro de um determinado intervalo, a tensão de circuito aberto aumenta à medida que a concentração de difusão aumenta.

2.1. Homojunção: expansão de fósforo e expansão de boro

Em uma bateria de homojunção, a região do tipo P e a região do tipo N são do mesmo tipo de material semicondutor, e uma junção PN geralmente é formada por dopagem. Os métodos comuns de dopagem incluem: 1) difusão tubular (baixa pressão, pressão normal); 2) implantação iônica + recozimento; 3) difusão da fonte de revestimento (serigrafia, revestimento por rotação, revestimento por pulverização, impressão por rolo). Atualmente, a maioria deles usa difusão tubular de baixa pressão.

Difusão de fósforo: P2O5 produzido pela decomposição de POCl3 é depositado na superfície da bolacha de silício, P2O5 reage com silício para formar átomos de SiO2 e fósforo e forma uma camada de vidro fosfosilicato na superfície da bolacha de silício e, em seguida, o fósforo átomos se difundem no silício. Difusão de boro: B2O3 produzido pela decomposição de BBr3/BCl3 é depositado na superfície da bolacha de silício, B2O3 reage com silício para formar átomos de SiO2 e boro e forma uma camada de vidro de borosilicato na superfície da bolacha de silício e, em seguida, os átomos de boro se difundem no silício. Pode ser visto acima que se é difusão de boro ou difusão de fósforo, é necessário formar átomos de boro ou átomos de fósforo para se difundir no substrato de silício. A difusão do boro é mais difícil do que a difusão do fósforo. A razão é que a solubilidade sólida dos átomos de boro na matriz de silício é baixa, então a temperatura de expansão do boro deve atingir acima de 1000 °C. E quando a quantidade de dopagem da superfície é alta, é fácil formar acúmulo de boro na superfície, ou seja, camada rica em boro (BRL), o que impõe desafios para limpeza posterior.

Para a expansão do boro, existem atualmente duas rotas de BBr3/BCl3. BBr3 é um líquido à temperatura ambiente e sua segurança é relativamente boa, mas o B2O3 gerado é viscoso e requer limpeza DCE, resultando em altos custos de manutenção. O BCl3 é um gás à temperatura ambiente e sua segurança é relativamente baixa, mas o B2O3 gerado é granular e fácil de limpar. A desvantagem é que a energia de ligação B-Cl é maior e não é fácil de decompor, resultando em baixa utilização na temperatura de difusão.

De acordo com a previsão do ITRPV, a rota BBr3 ainda ocupará a maior parte do mercado no futuro, mas a proporção da rota BCl3 aumentará gradualmente, atingindo cerca de 40% de participação de mercado até 2032. 2.2

. Homojunção: SE

Por que o SE (Emissor Seletivo) é necessário? A razão é que as células solares de silício cristalino convencionais usam emissores dopados uniformemente de alta concentração. Uma maior concentração de dopagem pode melhorar o contato ôhmico entre o wafer de silício e o eletrodo e reduzir a resistência em série, mas também é fácil causar maior recombinação da superfície. Para este fim, é necessário usar a tecnologia de emissor seletivo (SE) para realizar difusão profunda de dopagem de alta concentração e próximo ao contato entre a linha de portão de metal (eletrodo) e o wafer de silício, e difusão rasa de dopagem de baixa concentração no outra área além do eletrodo. .

As vantagens da estrutura SE: 1) A forte dopagem sob os eletrodos torna a resistência de contato menor que a das baterias convencionais, melhorando assim o fator de preenchimento; 2) A dopagem de luz entre os eletrodos pode efetivamente reduzir a recombinação de portadores quando eles fluem lateralmente na camada de difusão 3) A faixa de onda curta da luz solar é basicamente absorvida na superfície frontal do wafer de silício, e a difusão rasa pode melhorar a eficiência de excitação da luz solar de banda de ondas curtas, aumentando assim a corrente de curto-circuito; 4) Forme um n++-n+/ p++ A junção alto-baixo de -p+ pode reduzir a recombinação de portadores minoritários sob os eletrodos e aumentar a tensão de circuito aberto. Resumindo, SE equilibra melhor a contradição entre a resistência de contato entre o metal e o semicondutor e a coleta de fótons do que as baterias convencionais. Com base na dificuldade técnica da expansão do boro, é mais difícil fazer SE com base na expansão do boro do que na expansão do fósforo SE. Atualmente, duas rotas técnicas de expansão primária de boro e expansão secundária de boro são desenvolvidas principalmente.

De acordo com a "Preparação da Camada de Óxido de Túnel Ultrafina Baseada na Tecnologia PECVD e Aplicação de Poli-Si nas Baterias TOPCon" de Tongwei, existem atualmente cinco soluções comuns de SE expandido com boro na indústria, entre as quais a rota de abertura do filme a laser é atualmente o mais maduro. plano. Do ponto de vista das perspectivas de produção em massa, a rota Etch-back e a rota de dopagem direta a laser são as rotas mais prováveis ​​para alcançar a produção em massa. Entre os cinco esquemas, a rota da pasta de corrosão, a rota da pasta de boro e a rota de corrosão requerem o desenvolvimento externo de diferentes pastas.

2.3. Heterojunção: dopada e não dopada

Essencialmente, a difusão térmica é um método de obtenção de dopagem para formar uma junção PN no mesmo semicondutor. Outros métodos incluem implantação de íons, deposição de vapor, etc. Por exemplo, depositando silício amorfo intrínseco e silício amorfo dopado na superfície do silício cristalino por deposição de vapor, uma vez que o silício cristalino e o silício amorfo não pertencem ao mesmo material semicondutor, o formado A junção PN é chamada de heterojunção.

As células de heterojunção são dopadas usando deposição de vapor em vez de difusão. Um problema causado por isso é que o bandgap do silício amorfo na superfície frontal é pequeno, resultando em absorção óptica parasitária grave, o que limita o aumento da corrente de saturação; e a baixa eficiência de dopagem da camada de silício amorfo leva a um baixo rendimento celular. Isso desencadeou a aplicação e exploração de células de heterojunção livres de doping. Os materiais de óxido de metal de transição (TMO) do tipo N foram testados como camadas de transporte de furos. De acordo com dados relevantes da Universidade Sun Yat-Sen, o MoOx é usado em vez do silício amorfo dopado do tipo p em células HJT, e a maior eficiência de conversão atingiu 23,5%.

2.4. Doping sem junção

Além de formar junções PN, o processo de dopagem também é usado para formar junções alto-baixo. A chamada junção alto-baixo refere-se ao estabelecimento de um gradiente de concentração da mesma impureza entre o substrato da bateria e o eletrodo inferior para preparar uma junção alto-baixo P-P+ ou N-N+ para formar um campo elétrico traseiro, que pode melhorar a coleta efetiva de portadores e melhorar a eficiência da energia solar. A resposta de onda longa da bateria aumenta a corrente de curto-circuito e a tensão de circuito aberto, e essa bateria é chamada de "bateria de campo traseiro". Um caso típico é que nas células TOPCon, a dopagem de boro é usada na frente para formar uma junção PN na bolacha de silício tipo N, e o polissilício tipo N feito de dopagem de fósforo é usado na parte traseira para desempenhar o papel de alta e junções baixas. Na bateria HJT,

Em um sentido amplo, desde que o campo elétrico seja estabelecido através do gradiente de concentração da mesma impureza, afetando assim a estrutura da coleção de portadores, ela pode ser chamada de junção alto-baixo. Como o emissor seletivo na expansão de boro/expansão de fósforo, o campo traseiro de alumínio em células BSF, o campo traseiro de alumínio local em células PERC e a grade fina de pasta de prata-alumínio na superfície frontal das células TOPCon.

2.5. forno de difusão

O equipamento doméstico de difusão de fósforo para o campo elétrico PERC foi totalmente localizado e o equipamento adequado para grandes pastilhas de silício e grande capacidade de produção foi desenvolvido. Considerando a uniformidade do campo térmico e do campo de gás, os modos de colocação de pastilhas de silício incluem horizontal, vertical e similares. PE tipo vertical e muitos outros modos. O equipamento de difusão de boro tem requisitos mais altos do que a difusão de fósforo, principalmente refletidos em: uniformidade, longo tempo de difusão, alta temperatura de difusão e deslocamento OSF parasita de wafer de silício.

Problema de uniformidade: o núcleo é a uniformidade do campo de gás e do campo térmico. O posicionamento vertical e o posicionamento horizontal têm suas próprias vantagens e desvantagens. A colocação vertical é propícia à transferência de radiação de calor, mas não propícia à transmissão do fluxo de ar; a colocação horizontal é propícia à transmissão do fluxo de ar, mas protege a radiação de calor. À medida que o tamanho dos wafers de silício se torna maior e mais fino, a uniformidade da colocação vertical é desafiada. Por um lado, grandes pastilhas de silício levam a uma maior distância de movimento do gás entre duas pastilhas de silício, e a resistência aumenta; por outro lado, a curvatura de wafers de silício finos quando colocados verticalmente aumenta. O Laplace é colocado horizontalmente costas com costas, e o fluxo de ar entra pela porta e pela lateral, o que não apenas aumenta a uniformidade do fluxo de ar,

Por outro lado, à medida que a capacidade de produção de um único forno continua a aumentar, o comprimento do tubo do forno aumenta, o que traz a uniformidade do fluxo de ar e do campo térmico na zona de temperatura ultralonga. Atualmente, a entrada de ar em vários estágios é adotada principalmente para aumentar a uniformidade do fluxo de ar no tubo do forno.