在全球各國(guó)努力減少碳足跡與追尋可持續(xù)能源的大背景下，太陽(yáng)能行業(yè)經(jīng)歷了顯著增長(zhǎng)。在基于晶體硅 (c-Si) 的多種工藝路線中，隧穿鈍化接觸太陽(yáng)能電池 (TOPCon) 因其高光伏轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 和高性?xún)r(jià)比而脫穎而出。目前工業(yè)TOPCon電池的最高PCE已達(dá)到25.42%（2024年6月JinkoSolar公開(kāi)數(shù)據(jù)），接近約29%的理論極限。對(duì)于更高PCE的追求同時(shí)對(duì)工藝控制和監(jiān)測(cè)也是新的挑戰(zhàn)。

太陽(yáng)能電池的性能表現(xiàn)取決于導(dǎo)電性、接觸電阻和復(fù)合速率之間的精細(xì)平衡，而這些參數(shù)都受到摻雜濃度的高度調(diào)控，因此監(jiān)控?fù)诫s濃度對(duì)于控制TOPCon工藝質(zhì)量至關(guān)重要。一些測(cè)試方法諸如載流子壽命測(cè)量和熒光成像技術(shù)，都可將微波或光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為載流子濃度信息。然而，這些間接測(cè)試方法需要復(fù)雜的校準(zhǔn)步驟，且容易受到外部干擾的影響。相比之下，四探針(4PP)測(cè)量的方塊電阻（Rs）可以直接提供載流子遷移率和接觸電阻等電學(xué)特性，這使其成為T(mén)OPCon工藝中重要的監(jiān)控手段。

自1984年推出四探針系統(tǒng)以來(lái)，KLA在電阻率測(cè)量方面積累了超過(guò)40年的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，其方塊電阻測(cè)量系統(tǒng)在半導(dǎo)體行業(yè)中廣受認(rèn)可。來(lái)自KLA Instruments™ Filmetrics®的 R54方塊電阻測(cè)繪儀是一種桌面式方阻測(cè)量系統(tǒng)，配備了KLA最新的方阻測(cè)試探頭和測(cè)試電路。本文將介紹四探針測(cè)量技術(shù)和最新的TOPCon太陽(yáng)能電池工藝，多種TOPCon工藝中實(shí)測(cè)的方阻結(jié)果都揭示了R54是TOPCon工藝監(jiān)測(cè)的優(yōu)秀解決方案。

方阻測(cè)試技術(shù)與TOPCon工藝流程

四探針?lè)阶铚y(cè)試技術(shù)因其簡(jiǎn)單的測(cè)試原理和高度的準(zhǔn)確性而廣受歡迎，已有超過(guò)100年的使用歷史。在四探針測(cè)試過(guò)程中，電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)與樣品界面接觸的針腳流入樣品，由另外兩個(gè)與樣品表面接觸的針腳測(cè)試電壓，如下圖所示。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量配置（下圖左）適用于遠(yuǎn)離樣品邊緣的測(cè)試區(qū)域，對(duì)于靠近樣品邊緣區(qū)域的測(cè)量，可以在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試配置的基礎(chǔ)上額外進(jìn)行交叉測(cè)試配置（下圖右）的測(cè)量。邊緣效應(yīng)可通過(guò)對(duì)兩種測(cè)試配置下獲得的電阻R_A和 R_B添加校準(zhǔn)系數(shù)來(lái)消除。

圖：標(biāo)準(zhǔn)配置（左）與交叉配置（右）的測(cè)試探頭分布示意圖。

除了常見(jiàn)的四探針配置外，R54還配備了額外幾項(xiàng)關(guān)鍵功能，使其在測(cè)試太陽(yáng)能電池時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括：

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• 不透光的測(cè)試腔體(下圖a)抑制了光電流的產(chǎn)生。

• 特殊設(shè)計(jì)的方形載物臺(tái)(下圖b)可適配方形太陽(yáng)能電池片。

• 兼容所有KLA方阻測(cè)試探頭。

• 基于給定目標(biāo)電壓的自動(dòng)電流調(diào)節(jié)功能。

• 對(duì)邊緣效應(yīng)與探頭形狀因子的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

圖(a) R54方阻測(cè)繪系統(tǒng) (b)專(zhuān)為太陽(yáng)能電池片設(shè)計(jì)的方形載物臺(tái)。

TOPCon太陽(yáng)能電池---結(jié)構(gòu)與工藝

TOPCon太陽(yáng)能電池由n型摻雜單晶硅制備而來(lái)，在硅片兩面均分布有多層結(jié)構(gòu)（如下圖）。在TOPcon電池正面的制絨硅表面上制備有p型發(fā)射極，用于產(chǎn)生光生載流子；發(fā)射極被復(fù)合鈍化層覆蓋，以減少?gòu)?fù)合速率，TOPCon電池的正面涂覆有減反（AR）層，印有金屬電極。TOPCon的背面制備有SiOx/n型多晶硅界面的鈍化層，該層可增加特定載流子的隧穿機(jī)率并屏蔽另一種載流子。鈍化層可減少界面符合率并提高開(kāi)路電壓，從而提高電池效率。

圖：TOPCon太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

下圖展示了目前TOPCon的工藝流程。n型單晶硅電池片的表面先經(jīng)過(guò)堿制絨過(guò)程形成金字塔結(jié)構(gòu)，硼摻雜發(fā)射極被制備于制絨表面，形成n型襯底的p-n結(jié)，隨后的氧化過(guò)程進(jìn)一步增強(qiáng)硼原子注入并調(diào)整結(jié)深。硅片的背面經(jīng)過(guò)酸洗和堿拋的過(guò)程，形成平整的硅表面。在清理完殘液后，超薄的氧化隧穿層(SiOx)被通過(guò)熱蒸鍍的過(guò)程制備在電池片的背面，隨后磷摻雜的多晶硅被制備與隧穿層上，形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，最終通過(guò)退火工藝穩(wěn)定雜質(zhì)分布并鎖定諸如鈉或鉀等有害離子。TOPCon工藝的剩余步驟與PERC或其他基于單晶硅的太陽(yáng)能片制備技術(shù)類(lèi)似：通過(guò)緩沖氧化物刻蝕工藝(BOE)去除多余的氧化層并暴露出硅片兩側(cè)新鮮的硅表面，之后依次制備正面鈍化接觸層與減反層。TOPCon工藝的最后需要完成正面的金屬化，通過(guò)激光輔助燒結(jié)的技術(shù)可以增強(qiáng)銀漿在表面的附著，同時(shí)可以提高電極區(qū)域摻雜濃度以減少接觸電阻，這一過(guò)程被稱(chēng)為“激光輔助接觸優(yōu)化"。

圖：TOPCon工藝流程圖

基于KLA R54的方阻監(jiān)控

在TOPCon產(chǎn)線上中，硼擴(kuò)散、氧化和退火工藝均涉及直接摻雜或熱處理過(guò)程，這些過(guò)程會(huì)改變樣品的摻雜水平，因此對(duì)這些階段的精準(zhǔn)方阻監(jiān)控至關(guān)重要。KLA R54方阻測(cè)繪系統(tǒng)可勝任這三項(xiàng)工藝中的方阻監(jiān)控任務(wù)。

TOPCon太陽(yáng)能電池的方阻測(cè)繪

方阻測(cè)繪可以直觀地提供摻雜均勻性的空間分布信息，通過(guò)對(duì)整個(gè)晶圓的方阻分布進(jìn)行測(cè)繪，制造商能夠識(shí)別摻雜非均勻區(qū)域、缺陷、以及計(jì)劃外的繞鍍。R54可在200x200mm的測(cè)試范圍內(nèi)自定義測(cè)試圖案。下圖展示了硼擴(kuò)、氧化和退火工藝后的TOPCon電池片的225點(diǎn)方阻測(cè)繪結(jié)果。測(cè)試探頭可刺破表面氧化層以準(zhǔn)確測(cè)量方阻。硼摻雜過(guò)程比磷擴(kuò)散過(guò)程更加復(fù)雜，因此硼擴(kuò)與氧化片的方阻分布范圍較退火片更大。

圖：在硼擴(kuò)（上）氧化（中）退火（下）工藝中的225點(diǎn)方阻測(cè)繪圖

在方阻測(cè)繪完成后，R54的軟件界面可顯示方阻的統(tǒng)計(jì)值。對(duì)于工藝控制而言，平均值和均勻性是工藝控制中最重要的兩項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。R54軟件顯示的均勻性定義為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)內(nèi)廣泛使用的版本。

方阻測(cè)試可靠性

大多數(shù)TOPCon生產(chǎn)線已經(jīng)集成了在線方阻監(jiān)控工具，這邊要求用高度精準(zhǔn)且穩(wěn)定的離線標(biāo)準(zhǔn)機(jī)臺(tái)來(lái)確保所有在線監(jiān)控設(shè)備的精準(zhǔn)校準(zhǔn)和匹配。R54的測(cè)量可靠性已經(jīng)由重復(fù)性數(shù)據(jù)與長(zhǎng)期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)驗(yàn)證，使其成為了太陽(yáng)能行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的方阻標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備之一。

圖：硼擴(kuò)(上), 氧化(中),退火(下)樣品上測(cè)試的測(cè)量重復(fù)性。圖(上)的放大示圖展現(xiàn)了10次連續(xù)測(cè)量過(guò)程中的方阻波動(dòng)。

在R54方阻測(cè)量的重復(fù)性測(cè)試中，我們對(duì)各工藝階段的10片晶圓進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)試，并計(jì)算每次測(cè)量的晶圓平均方阻。重復(fù)性通過(guò)單片平均方阻值的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示（圖上的放大視圖展示了重復(fù)測(cè)試中的方阻波動(dòng)情況）。硼擴(kuò)工藝中（圖上）的方阻測(cè)試重復(fù)性值低于方阻均值的的0.5%，氧化（圖中）和退火（圖下）工藝的方阻測(cè)試重復(fù)性值均低于平均方阻的0.3%。這些值均遠(yuǎn)優(yōu)于工藝的監(jiān)控閾值。

R54 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試對(duì)不同工藝階段的樣品進(jìn)行了為期4周的方阻監(jiān)控。結(jié)果如下圖所示。來(lái)自3種工藝的15個(gè)樣品顯示，4周內(nèi)方阻的變化均低于晶圓平均值的1%，測(cè)得的長(zhǎng)期穩(wěn)定在樣品自然方阻波動(dòng)范圍內(nèi)。重復(fù)性和長(zhǎng)期變化的數(shù)據(jù)總結(jié)如下表1所示：

圖：太陽(yáng)能電池片方阻測(cè)試的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

結(jié)論

TOPCon技術(shù)正在不斷突破晶硅光伏效率的極限，而精準(zhǔn)的方阻監(jiān)控對(duì)于高質(zhì)量工藝控制至關(guān)重要。KLA Instruments™ Filmetrics® 的R54方塊電阻測(cè)繪儀提供了全面的方阻測(cè)試功能，并具有優(yōu)異的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該設(shè)備可滿足TOPCon太陽(yáng)能電池方阻測(cè)量的需求，其性能已在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。