【解决方案】TOPCon太阳能电池片的方阻测试
本期课程：
TOPCon 太阳能电池片的方阻测试— KLA Instruments™ Filmetrics® R54 系列
在全球各国努力减少碳足迹与追寻可持续能源的大背景下，太阳能行业经历了显著增长。在基于晶体硅 (c-Si) 的多种工艺路线中，隧穿钝化接触太阳能电池 (TOPCon) 因其高光伏转换效率 (PCE) 和高性价比而脱颖而出。目前工业TOPCon电池的最高PCE已达到25.42%（2024年6月JinkoSolar公开数据），接近约29%的理论极限。对于更高PCE的追求同时对工艺控制和监测也是新的挑战。
太阳能电池的性能表现取决于导电性、接触电阻和复合速率之间的精细平衡，而这些参数都受到掺杂浓度的高度调控，因此监控掺杂浓度对于控制TOPCon工艺质量至关重要。一些测试方法诸如载流子寿命测量和荧光成像技术，都可将微波或光学信号转换为载流子浓度信息。然而，这些间接测试方法需要复杂的校准步骤，且容易受到外部干扰的影响。相比之下，四探针(4PP)测量的方块电阻（Rs）可以直接提供载流子迁移率和接触电阻等电学特性，这使其成为TOPCon工艺中不可或缺的监控手段。
自1984年推出四探针系统以来，KLA在电阻率测量方面积累了超过40年的创新经验，其方块电阻测量系统在半导体行业中广受认可。来自KLA Instruments™ Filmetrics®的 R54方块电阻测绘仪是一种桌面式方阻测量系统，配备了KLA最 新的方阻测试探头和测试电路。本文将介绍四探针测量技术和最 新的TOPCon太阳能电池工艺，多种TOPCon工艺中实测的方阻结果都揭示了R54是TOPCon工艺监测的优秀解决方案。
方阻测试技术与TOPCon工艺流程
太阳能电池片的四探针方阻测试
四探针方阻测试技术因其简单的测试原理和高度的准确性而广受欢迎，已有超过100年的使用历史。在四探针测试过程中，电流经过两个与样品界面接触的针脚流入样品，由另外两个与样品表面接触的针脚测试电压，如下图所示。标准测量配置（下图左）适用于远离样品边缘的测试区域，对于靠近样品边缘区域的测量，可以在标准测试配置的基础上额外进行交叉测试配置（下图右）的测量。边缘效应可通过对两种测试配置下获得的电阻RA和 RB添加校准系数来消除。
图：标准配置（左）与交叉配置（右）的测试探头分布示意图。
除了常见的四探针配置外，R54还配备了额外几项关键功能，使其在测试太阳能电池时具有显著优势，包括：
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不透光的测试腔体(下图a)抑制了光电流的产生。
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特殊设计的方形载物台(下图b)可适配方形太阳能电池片。
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兼容所有KLA方阻测试探头。
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基于给定目标电压的自动电流调节功能。
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对边缘效应与探头形状因子的动态校准
图(a) R54方阻测绘系统 (b)专为太阳能电池片设计的方形载物台。
TOPCon太阳能电池—结构与工艺
TOPCon太阳能电池由n型掺杂单晶硅制备而来，在硅片两面均分布有多层结构（如下图）。在TOPcon电池正面的制绒硅表面上制备有p型发射极，用于产生光生载流子；发射极被复合钝化层覆盖，以减少复合速率，TOPCon电池的正面涂覆有减反（AR）层，印有金属电极。TOPCon的背面制备有SiOx/n型多晶硅界面的钝化层，该层可增加特定载流子的隧穿机率并屏蔽另一种载流子。钝化层可减少界面符合率并提高开路电压，从而提高电池效率。
图：TOPCon太阳能电池的结构
下图展示了目前TOPCon的工艺流程。n型单晶硅电池片的表面先经过碱制绒过程形成金字塔结构，硼掺杂发射极被制备于制绒表面，形成n型衬底的p-n结，随后的氧化过程进一步增强硼原子注入并调整结深。硅片的背面经过酸洗和碱抛的过程，形成平整的硅表面。在清理完残液后，超薄的氧化隧穿层(SiOx)被通过热蒸镀的过程制备在电池片的背面，随后磷掺杂的多晶硅被制备与隧穿层上，形成钝化接触结构，最终通过退火工艺稳定杂质分布并锁定诸如钠或钾等有害离子。TOPCon工艺的剩余步骤与PERC或其他基于单晶硅的太阳能片制备技术类似：通过缓冲氧化物刻蚀工艺(BOE)去除多余的氧化层并暴露出硅片两侧新鲜的硅表面，之后依次制备正面钝化接触层与减反层。TOPCon工艺的最后需要完成正面的金属化，通过激光辅助烧结的技术可以增强银浆在表面的附着，同时可以提高电极区域掺杂浓度以减少接触电阻，这一过程被称为“激光辅助接触优化”。
基于KLA R54的方阻监控
在TOPCon产线上中，硼扩散、氧化和退火工艺均涉及直接掺杂或热处理过程，这些过程会改变样品的掺杂水平，因此对这些阶段的精准方阻监控至关重要。KLA R54方阻测绘系统可胜任这三项工艺中的方阻监控任务。
TOPCon太阳能电池的方阻测绘
方阻测绘可以直观地提供掺杂均匀性的空间分布信息，通过对整个晶圆的方阻分布进行测绘，制造商能够识别掺杂非均匀区域、缺陷、以及计划外的绕镀。
R54可在200x200mm的测试范围内自定义测试图案。下图展示了硼扩、氧化和退火工艺后的TOPCon电池片的225点方阻测绘结果。测试探头可刺破表面氧化层以准确测量方阻。硼掺杂过程比磷扩散过程更加复杂，因此硼扩与氧化片的方阻分布范围较退火片更大。
图：在硼扩（上）氧化（中）退火（下）工艺中的225点方阻测绘图
在方阻测绘完成后，R54的软件界面可显示方阻的统计值。对于工艺控制而言，平均值和均匀性是工艺控制中最重要的两项统计参数。R54软件显示的均匀性定义为太阳能产业内广泛使用的版本
大多数TOPCon生产线已经集成了在线方阻监控工具，这边要求用高度精准且稳定的离线标准机台来确保所有在线监控设备的精准校准和匹配。R54的测量可靠性已经由重复性数据与长期稳定性数据验证，使其成为了太阳能行业有竞争力的方阻标准测试设备之一。
图：硼扩(上), 氧化(中),退火(下)样品上测试的测量重复性。图(上)的放大示图展现了10次连续测量过程中的方阻波动。
在R54方阻测量的重复性测试中，我们对各工艺阶段的10片晶圆进行10次重复测试，并计算每次测量的晶圆平均方阻。重复性通过单片平均方阻值的标准差来表示（图上的放大视图展示了重复测试中的方阻波动情况）。硼扩工艺中（图上）的方阻测试重复性值低于方阻均值的的0.5%，氧化（图中）和退火（图下）工艺的方阻测试重复性值均低于平均方阻的0.3%。这些值均远优于工艺的监控阈值。
R54 的长期稳定性测试对不同工艺阶段的样品进行了为期4周的方阻监控。结果如下图所示。来自3种工艺的15个样品显示，4周内方阻的变化均低于晶圆平均值的1%，测得的长期稳定在样品自然方阻波动范围内。重复性和长期变化的数据总结如下表1所示：
结论：
TOPCon技术正在不断突破晶硅光伏效率的极限，而精准的方阻监控对于高质量工艺控制至关重要。KLA Instruments™ Filmetrics® 的R54方块电阻测绘仪提供了全面的方阻测试功能，并具有优异的重复性和长期稳定性。该设备可完全满足TOPCon太阳能电池方阻测量的需求，其性能已在实际生产中得到验证。
参考文献
[1] F. Feldmann, M. Bivour, C. Reichel, M. Hermle, and S. W. Glunz, “Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells providing high interface passivation quality and excellent transport characteristics,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 120, pp. 270–274, Jan. 2014.
[2] A. Richter, M. Hermle, and S. W. Glunz, “Reassessment of the Limiting Efficiency for Crystalline Silicon Solar Cells,” IEEE J. Photovoltaics, vol. 3, no. 4, pp. 1184–1191, Oct. 2013.
