大气压化学气相沉积（APCVD）在BC电池中的应用：从激光掺杂到高温扩散

BC电池是一种先进的太阳能电池结构，通过在电池背面交替排列p型和n型掺杂区域，消除了正面的光学遮挡损失。本文提出了一种简化的、无需掩膜的掺杂工艺，通过调整APCVD工艺中的硼和磷含量，可以自由调节p型和n型掺杂剖面。ECV测量和四点探针法分别表征了掺杂剖面和薄层电阻。传输线法（TLM）测量表明，生成的掺杂区域具有良好的接触性。现有IBC工艺的现状

左：传统IBC工艺的典型流程右：简化工艺

传统IBC工艺的流程

POCI₃扩散：通过POCI₃扩散在硅片表面形成n⁺掺杂的前表面场（FSF）和背表面场（BSF）。磷扩散到整个硅片表面，包括边缘和后续将进行硼掺杂的区域。

湿化学去除PSG：通过湿化学方法去除沉积的磷硅酸盐玻璃（PSG）。

沉积掩膜层：通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积氮化硅（SiNₓ）掩膜层。该掩膜层用于阻挡后续的硼扩散，并在某些电池设计中作为蚀刻阻挡层。

激光烧蚀掩膜层：通过激光烧蚀掩膜层，暴露出发射极区域，以便进行后续的硼扩散。

BBr₃扩散：通过BBr₃扩散在暴露的区域进行硼掺杂，形成p⁺发射极。如果未预先去除磷掺杂，硼需要过量掺杂以补偿磷，这可能会影响钝化质量。

去除掩膜层：完全去除掩膜层。

简化工艺流程APCVD沉积：在正面沉积PSG层，背面沉积BSG-PSG双层。

激光掺杂和烧蚀：通过激光掺杂生成p+发射极区域，并同时烧蚀玻璃层。

高温扩散：在扩散炉中进行高温步骤，磷从PSG层通过BSG层扩散到硅基底中，形成n+掺杂区域。激光掺杂的p+区域

激光掺杂过程中BSG-PSG双层结构的状态激光辐射初始阶段（0-5ns）

激光辐射（波长为532 nm）被硅基底吸收，主要在表面附近产生热量。硅基底开始熔化，熔融前沿从表面向底部传播，最大熔融深度为1-2 μm。激光烧蚀后的状态

随着激光能量的增加，硅蒸发和气体膨胀导致玻璃层被烧蚀，烧蚀过程阻止了进一步的掺杂原子从玻璃层向硅基底扩散。在烧蚀之前，硼原子已经扩散到硅基底中，形成p⁺掺杂区域。磷原子的扩散被烧蚀过程中断，从而在p⁺掺杂区域中最小化了磷的掺杂。高温步骤中的磷扩散

磷在BSG-PSG层叠结构中扩散的示意图

磷的扩散路径：磷原子从PSG层通过BSG层扩散到硅基底中。由于磷在晶体硅（c-Si）中的扩散速度比硼快，尤其是在较低的扩散温度下，磷的扩散占主导地位。

n⁺掺杂区域的形成：磷扩散到硅基底中，形成n⁺掺杂区域。这些n⁺掺杂区域与之前通过激光掺杂生成的p⁺掺杂区域形成互补的p-n结，这是IBC太阳能电池的关键结构。

硼的扩散限制：在高温步骤中，硼的扩散被限制在表面附近（约100 nm以内），而磷的扩散则更深。这种差异使得磷的扩散在n⁺掺杂区域中占主导地位。实验样品处理及表征

样品处理：使用5×5 cm²的p型Cz硅片进行实验，包括表面处理、APCVD沉积、激光处理和高温扩散步骤。样品表征：通过四点探针法测量n+掺杂区域的薄层电阻，使用电化学电容-电压（ECV）和二次离子质谱（SIMS）测量掺杂剖面，并通过传输线法（TLM）测量接触电阻。薄层电阻（n+掺杂）

不同磷浓度和扩散温度下n+掺杂区域的薄层电阻

磷浓度的影响：随着PSG层中磷浓度的增加，n+掺杂区域的薄层电阻显著降低。这是因为更高的磷浓度导致更多的磷原子扩散到硅基底中，增加了n型掺杂的浓度，从而降低了电阻。

扩散温度的影响：在相同的磷浓度下，较高的扩散温度（925°C）比较低的扩散温度（850°C）导致更低的薄层电阻。

硼含量的影响：较高的硼含量（BSG 6%）比较低的硼含量（BSG 4%）导致更低的薄层电阻。这是因为硼含量的增加使得BSG层更加软化，磷在BSG中的扩散速度加快，从而增强了磷的扩散效果。

纯SiO₂的对比：纯SiO₂层在925°C扩散温度下的薄层电阻显著高于含有硼的BSG层。这表明纯SiO₂对磷的扩散起到了阻碍作用，而BSG中的硼含量显著增强了磷的扩散。n+ ECV剖面（炉扩散）

不同磷浓度的n+掺杂剖面925°C扩散温度：掺杂剖面深度超过700 nm，薄层电阻为30-50 Ω/m²。掺杂剖面呈现典型的“kink-tail”形状，表面浓度较高，随着深度增加逐渐降低。

850°C扩散温度：磷扩散受到抑制，导致较浅的掺杂剖面和较低的表面浓度。薄层电阻较高，约为125-2000 Ω/m²。

不同磷浓度和扩散温度的n+掺杂剖面

925°C扩散温度：掺杂剖面深度超过700nm，薄层电阻为30 Ω/m²。掺杂剖面呈现典型的“kink-tail”形状，表面浓度较高。

850°C扩散温度：即使在不高的扩散温度下，掺杂剖面仍然较深，薄层电阻为62-132 Ω/m²。较高的硼含量显著增强了磷的扩散，使得在较低温度下也能获得较深的掺杂剖面。

扩散温度的影响：较高的扩散温度促进了磷的扩散，使得掺杂剖面更深，薄层电阻更低。

磷浓度的影响：较高的磷浓度导致更高的表面掺杂浓度和更低的薄层电阻。n+ SIMS剖面（炉扩散）

SIMS和ECV测量的n+掺杂剖面的对比磷浓度：SIMS测量的磷浓度与ECV测量的净n+掺杂浓度基本一致，但在表面附近，SIMS测量的磷浓度高于ECV测量的净n+掺杂浓度。

硼浓度：SIMS测量的硼浓度在表面附近（约120nm以内）显著较高，表明在高温扩散步骤中存在一定的硼污染。随着深度增加，硼浓度迅速降低。

扩散温度的影响：在925°C扩散温度下，磷的扩散更深，表面浓度更高。在850°C扩散温度下，磷的扩散较浅，表面浓度较低。p+ ECV剖面（激光掺杂）

激光掺杂生成的p+掺杂剖面

掺杂剖面形状：激光掺杂生成的p+掺杂剖面呈盒状，最大深度约为1.4μm。这种形状是激光掺杂的典型特征，表明掺杂浓度在深度方向上分布较为均匀。

表面掺杂浓度：随着PSG中磷浓度的增加，表面掺杂浓度显著降低，尤其是在高磷浓度（12%）下。

磷浓度的影响：较高的磷浓度导致p+掺杂区域中磷的补偿增加，从而降低了净p型掺杂浓度。在PSG 12%的情况下，净掺杂剂量比PSG 6%时减少了约2/3。p+ SIMS剖面（激光掺杂）

激光掺杂的p+剖面的SIMS测量结果

硼浓度：SIMS测量的硼浓度在表面附近（<30nm）显著较高，但随着深度增加迅速降低。在深度大于30nm的区域，硼浓度较为均匀。磷浓度：SIMS测量的磷浓度在表面附近显著较高，尤其是在<30nm的区域内，磷浓度甚至超过了硼浓度。随着深度增加，磷浓度逐渐降低，但在整个剖面中仍然存在显著的磷背景。

净p+掺杂浓度：ECV测量的净p+掺杂浓度在表面附近较低，但在深度大于30nm的区域较为均匀。尽管存在显著的磷背景，ECV测量结果仍然显示净p型掺杂。IBC背面的p+和n+剖面组合

平面和纹理化Cz基底上生成的p+和n+掺杂剖面的组合p+掺杂剖面：在纹理化基底上，激光掺杂生成的p+掺杂剖面更深，最大深度约为1.4 μm。在平面基底上，p+掺杂剖面的深度较浅。

n+掺杂剖面：在纹理化基底上，高温扩散生成的n+掺杂剖面更深，表面浓度更高。在平面基底上，n+掺杂剖面的深度较浅，表面浓度较低。接触电阻率

激光掺杂和高温扩散生成的p+和n+掺杂区域的接触电阻接触电阻率范围：

激光掺杂生成的p+掺杂区域：平面基底的接触电阻率大多在4-10 mΩcm²范围内。纹理化基底的接触电阻率大多在2-7 mΩcm²范围内。

高温扩散生成的n+掺杂区域：纹理化基底的接触电阻率较低，大多在5 mΩcm²以下。平面基底的接触电阻率较高，且存在较大的偏差，有时超过15 mΩcm²。

通过合理调整BSG中的硼含量、PSG中的磷浓度以及扩散温度，可以在简化工艺中实现低电阻的n+掺杂区域和高浓度的p+掺杂区域。此外，接触电阻的测量结果显示，生成的p+和n+掺杂区域具有良好的接触性，适合商业丝网印刷浆料接触，进一步提高IBC太阳能电池的性能和效率。

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本文提出的简化工艺为IBC太阳能电池的大规模生产提供了新的可能性，通过进一步优化和调整工艺参数，有望在未来的太阳能电池制造中发挥重要作用。美能TLM接触电阻测试仪的使用为工艺优化和器件性能评估提供了可靠的工具，确保了掺杂区域接触性能的精确测量和验证。

原文出处：A simplified and masking-free doping process for interdigitated back contact solar cells using an atmospheric pressure chemical vapor deposition borosilicate glass / phosphosilicate glass layer stack for laser doping followed by a high temperature tep

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