Processus de fabrication des cellules solaires TOPCon : guide complet étape par étape

Introduction

Les cellules solaires TOPCon monocristallines de type N sont devenues l'une des technologies à haut rendement les plus prometteuses de l'industrie photovoltaïque. Leur production implique une longue chaîne d'étapes soigneusement contrôlées, notamment la texturation, la diffusion de bore, le laser SE, le recuit, le polissage alcalin, le PE-poly, le recuit, le nettoyage RCA, le revêtement, la métallisation et les tests et tri finaux. Dans cet article, nous parcourons chaque étape principale du processus et expliquons pourquoi elle est importante.

1. Texturation (TEX)

Objectif de la texturation

L'objectif de la texturation est d'éliminer la couche de dommages mécaniques sur la surface de la plaquette et de former une surface texturée en forme de pyramide qui augmente l'absorption de la lumière. En réduisant la réflectivité de surface, le courant de court-circuit (Isc) est amélioré, ce qui augmente finalement l'efficacité de conversion photovoltaïque de la cellule.

La gravure humide est le processus de texturation dominant aujourd'hui. Les ions métalliques, les couches de dommages et autres contaminants sur la surface de la plaquette agissent comme des centres de recombinaison. Étant donné que les électrons et les trous séparés doivent traverser et être collectés à la surface de la plaquette, ces centres de recombinaison réduisent la durée de vie des porteurs minoritaires, provoquant la recombinaison des porteurs avant qu'ils ne puissent être sortis en courant externe. Les couches d'oxyde de surface et la contamination organique affectent également la qualité de dépôt et de passivation des couches AlOx et SiNx, donc un nettoyage de surface approfondi est critique et a un impact direct sur l'efficacité de la cellule.

Principe de réaction

La texturation repose sur la propriété de gravure anisotrope du silicium cristallin, où des alcalis à faible concentration et des additifs gravent différentes orientations cristallines à des vitesses différentes. La vitesse de gravure sur les plans (110) et (100) est bien supérieure à celle sur le plan (111). Après un certain temps de gravure, quatre structures "pyramidales" composées de plans (111) restent sur la surface de la plaquette monocristalline.

La disposition atomique diffère selon les plans cristallins, ce qui entraîne des vitesses de gravure différentes :

• Plan (100) : arrangement atomique relativement lâche avec davantage de liaisons chimiques exposées, ce qui donne la vitesse de gravure la plus rapide.

• Plan (110) : densité atomique entre (100) et (111), avec une vitesse de gravure plus rapide mais légèrement inférieure à celle du (100).

• Plan (111) : arrangement atomique le plus compact, avec des liaisons chimiques difficiles à attaquer, ce qui donne la vitesse de gravure la plus lente.

Rôle des additifs de texturation

Les additifs abaissent la tension superficielle du silicium, favorisent la libération des bulles d'hydrogène formées pendant la réaction et rendent les pyramides plus uniformes. Ils améliorent le mouillage entre la surface de la plaquette et la solution de réaction, affaiblissent la force de gravure de la solution de NaOH, augmentent les points de nucléation et la densité de nucléation, et favorisent la formation d'un grand nombre de petites pyramides. En général, les propriétés de l'additif ont l'influence la plus directe sur la surface pyramidale texturée.

Processus de fabrication

La séquence de texturation comprend généralement : un pré-nettoyage avec NaOH et H2O2 (assisté par un nettoyage ultrasonique à 60°C, suivi d'un rinçage à l'eau pure) pour éliminer les matières organiques, les impuretés métalliques et les dommages de sciage ; une texturation alcaline utilisant environ 0,6 % de NaOH et 0,4 % d'additif à 82°C pendant 420 secondes pour former la texture pyramidale ; un post-nettoyage pour éliminer les matières organiques résiduelles ; un nettoyage acide utilisant un acide dilué (3,15 % HCl + 7,1 % HF) pour neutraliser l'alcali résiduel et éliminer la couche d'oxyde ; une pré-déshydratation par retrait lent pour éliminer le film d'eau par tension superficielle ; et enfin un séchage à l'air chaud à 90°C.

2. Diffusion du bore (B Diff)

Objectif

À haute température, les atomes de bore diffusent dans la surface de la plaquette de type N pour former une jonction PN. Le champ intégré de la jonction PN sépare les porteurs photo-générés pour produire un courant externe. Les plaquettes de type P, avec une concentration élevée de trous, utilisent un dopage au phosphore pour la formation de la jonction ; les plaquettes de type N, avec une concentration élevée d'électrons, utilisent un dopage au bore.

Principe du processus

Le trichlorure de bore (BCl3) traverse un tube en quartz à 800-900°C et réagit avec l'oxygène pour former du B2O3, qui se dépose sur la surface de la plaquette avec un gaz porteur d'azote et réagit avec le Si pour générer des atomes de bore, formant une couche de verre de borosilicate (BSG). Les atomes de bore diffusent ensuite dans la plaquette pour former la jonction PN. Le BCl3 est un liquide ou un gaz fumant incolore avec une densité de 1,35 kg/m3, un point de fusion de -107,3°C et un point d'ébullition de 12,5°C. Il est ininflammable, irritant et piquant, se décomposant dans l'eau pour former de l'acide chlorhydrique et de l'acide borique avec un dégagement de chaleur important. Le produit intermédiaire B2O3, avec un point de fusion de 450°C et un point d'ébullition de 1860°C, reste liquide tout au long du processus et est fortement corrosif pour les composants en quartz.

La diffusion du bore est plus difficile que celle du phosphore, donc la voie TOPCon impose des exigences plus élevées sur l'équipement, notamment une uniformité plus élevée, des températures de diffusion plus élevées (généralement au-dessus de 1000°C) et des temps de diffusion plus longs (la formation du film prend souvent jusqu'à 240 minutes), ce qui augmente le coût de l'équipement et de la production au stade de la formation de la jonction.

Processus de fabrication

La diffusion est réalisée de deux manières. La diffusion par pré-dépôt (l'étape de dépôt du BSG) utilise une température plus basse et maintient la plaquette dans une atmosphère d'impuretés saturée, de sorte que la concentration d'impuretés en surface reste constante ; c'est ce qu'on appelle la diffusion à source de surface constante. La diffusion de redistribution pousse le bore du BSG dans la plaquette à une température plus élevée dans une atmosphère riche en oxygène sans impuretés externes ; ici, la concentration en surface change avec le temps, ce qui est appelé diffusion à source de surface limitée, avec une distribution gaussienne des impuretés.

Les étapes typiques du processus sont : pompage à vide pour atteindre une basse pression ; chauffage à la température de diffusion (800-900°C) ; maintien de la température tout en réduisant davantage la pression ; détection de fuites sous basse pression ; pré-oxydation pour former une couche de SiO2 de 1 nm afin de ralentir l'étape de diffusion suivante et rendre la diffusion du bore plus uniforme ; diffusion/dépôt en introduisant la source de bore pour un pré-dépôt actif et une diffusion passive ; chauffage supplémentaire au-dessus de 900°C pour augmenter la vitesse et la profondeur de diffusion ; post-oxydation pour former une couche de SiO2 de plus de 100 nm afin de contrôler la teneur en bore, approfondir la jonction, former une couche protectrice et piéger les impuretés du substrat ; refroidissement à une température sûre d'ouverture du tube ; et rupture du vide avec N2 pour rétablir la pression atmosphérique.

3. Élimination du BSG et gravure alcaline

Élimination du BSG

Après la diffusion du bore, la face arrière et les bords de la plaquette portent une épaisse couche de BSG (oxyde de 40 à 100 nm). Cette couche de verre borosilicate affecte négativement les processus ultérieurs et peut provoquer des fuites de jonction PN, c'est pourquoi un décapage chimique et un nettoyage sont nécessaires après le dopage. Avant le décapage alcalin, un processus HF en ligne sur une seule face élimine le BSG de la face arrière et des bords, tandis que le BSG de la face avant est préservé comme masque pendant le décapage alcalin pour protéger la structure avant.

La plaquette entre d'abord dans l'équipement de nettoyage HF en ligne, où environ 60 % de HF dissout le BSG arrière en solution tandis qu'un film d'eau protège le BSG avant, suivi d'un rinçage à l'eau pure d'environ 0,5 minute. La séquence comprend : l'application d'un film d'eau utilisant l'hydrophilie du SiO2 pour protéger le BSG avant ; le décapage HF du BSG arrière et des bords ; une étape de pistolet à eau pour rafraîchir le film d'eau potentiellement contaminé ; un lavage à l'eau pour éliminer le HF résiduel ; un nettoyage acide pour éliminer les ions d'impuretés résiduels ; et le séchage du film d'eau avant.

Décapage alcalin

Le but du décapage alcalin est d'éliminer la jonction PN sur la face arrière et les bords pour éviter les fuites, et de créer une morphologie arrière uniforme et propre en préparation pour la passivation arrière.

Il existe deux approches principales. La texturation secondaire est similaire en principe à la première texturation, mais l'additif doit réduire la vitesse de réaction entre le BSG et l'alcali. Le polissage alcalin utilise un alcali à haute concentration et des additifs pour accélérer la réaction alcali-silicium, affaiblir la caractéristique de gravure anisotrope et former une morphologie polie hautement réfléchissante. L'additif de décapage alcalin protège le BSG avant, réduit sa vitesse de réaction avec l'alcali pour éviter une sur-gravure, maintient le BSG comme masque pour les étapes ultérieures, abaisse la tension superficielle pour libérer les bulles d'hydrogène, améliore le mouillage et augmente la densité de nucléation.

4. Dépôt et revêtement

Cette étape dépose l'oxyde tunnel (TOX), la couche de Poly-Si et le masque. Le dépôt se fait principalement en phase vapeur sous vide et peut être divisé en dépôt physique en phase vapeur (PVD), dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et dépôt de couche atomique (ALD). Le PVD vaporise une source de matériau en atomes, molécules ou ions et la dépose sur le substrat sous basse pression ; le CVD génère des dépôts par réactions chimiques sur le substrat ; et l'ALD dépose le matériau couche par couche en couches atomiques uniques.

Couche d'oxyde tunnel (TOX)

La couche d'oxyde tunnel repose sur l'effet tunnel quantique, utilisant un oxyde ultra-mince (généralement 1-2 nm) comme barrière. Entre le substrat de silicium de type n et la couche de poly-Si dopé, elle permet un transport sélectif des porteurs : les électrons (porteurs majoritaires) traversent l'oxyde par effet tunnel vers la couche de poly-Si, tandis que les trous (porteurs minoritaires) rencontrent une barrière plus élevée (environ 4,5-4,8 eV) et sont bloqués. Elle crée également une courbure de bandes et une passivation par effet de champ, où la différence de travail de sortie entre le poly-Si dopé et le substrat courbe les bandes d'énergie à l'interface et forme un champ électrostatique qui augmente les porteurs majoritaires et repousse les porteurs minoritaires, réduisant ainsi davantage la recombinaison à l'interface.

L'oxyde peut être préparé par oxydation thermique (compatible avec le LPCVD) ou par PECVD, PEALD et oxydation thermique (compatible avec le PECVD). En termes de densité du film, le PEALD donne la meilleure passivation mais à un coût d'équipement plus élevé, tandis que l'oxydation thermique et le PECVD offrent une meilleure économie. L'ALD donne généralement environ 0,7 nm, l'oxydation thermique environ 1,3 nm, et le mécanisme tunnel est généralement obtenu à des épaisseurs inférieures à 1,6 nm. Le LPCVD est plus mature, avec des avantages tels qu'un contrôle simple et une qualité de film élevée, mais il a tendance à former une couche de poly-Si dopé enveloppante sur le bord avant qui doit être nettoyée, et a un taux de dépôt lent. Le poly-Si par PECVD est une technologie plus récente avec un dépôt plus rapide, un dopage in-situ et moins d'enveloppement, mais sa maturité doit encore être améliorée et il peut souffrir de poussière, d'une teneur élevée en hydrogène et de formation de bulles lors du recuit à haute température.

Couche de poly-Si

Le silicium polycristallin (Poly) est composé d'innombrables petits grains de silicium, avec des tailles de grains typiquement de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres et des joints de grains entre eux. La couche de poly-Si est généralement dopée au phosphore pour former du poly-Si de type n fortement dopé, améliorant la conductivité, permettant un transport sélectif des porteurs et formant un bon contact ohmique avec le substrat.

La préparation du Poly-Si implique à la fois le dépôt et le dopage. Le dépôt utilise principalement le LPCVD ou le PECVD avec une épaisseur d'environ 100-150 nm ; le film amorphe change de cristallinité pendant le recuit, passant d'une phase mixte microcristalline-amorphe à polycristalline et activant la passivation. Pour le dopage, le LPCVD dépose généralement d'abord une couche de poly-Si intrinsèque, puis effectue le dopage au phosphore via un four de diffusion ou une implantation ionique (dopage ex-situ), car le dopage pendant un dépôt LPCVD lent le ralentirait davantage. Le PECVD a une efficacité de film plus élevée et peut effectuer le dopage au phosphore pendant le revêtement (dopage in-situ). Le LPCVD, la technologie dominante pour le poly-Si, fonctionne par décomposition thermique du silane (SiH4) en atomes de silicium qui se déposent en film. Notez qu'un poly-Si plus épais provoque des pertes FCA (parasites) plus graves et une plus grande perte de courant de court-circuit, et qu'un dopage au phosphore plus élevé augmente l'absorption FCA et la perte de courant.

Couche de masque

La couche de masque est généralement un film de SiO2 d'environ 10 nm d'épaisseur déposé après le dépôt du poly-Si pour protéger la structure arrière, principalement pour empêcher les processus humides ultérieurs de graver la couche de poly-Si. Pour garantir que la structure arrière ne soit pas endommagée dans l'équipement humide de type cuve, après le processus poly, un masque SiOx (environ 10 nm) est déposé sur la surface arrière en utilisant du silane et du protoxyde d'azote (nota : le silane et l'oxygène présentent un risque d'explosion dans des environnements non sous vide).

Les étapes du processus sont : préchauffage sous vide pour amener la plaquette à la température requise ; pré-dépôt de la source de silicium intrinsèque (gaz uniquement, sans RF, pour remplir le tube uniformément et stabiliser la pression) ; dépôt de la source de silicium intrinsèque (RF activée, pour déposer un film non dopé qui bloque et tamponne le phosphore du poly dopé) ; pré-dépôt de la source de silicium dopée (gaz uniquement) ; dépôt de la source de silicium dopée (RF activée, pour déposer un film poly dopé au phosphore) ; formation du masque d'oxyde par PECVD SiOx ; et purge N2/Ar pour pousser SiH4 et N2O hors du tube afin d'éviter la combustion à l'ouverture de la porte du four.

5. Recuit

Le but du recuit est de convertir le silicium amorphe déposé par PECVD en silicium polycristallin, d'activer les atomes de phosphore et d'avancer la profondeur de jonction, et de former des trous d'épingle. Le processus introduit du BN2 (nitrure de bore) et chauffe lentement à 890-920°C, où le BN2 est entraîné à haute température pour activer les atomes de phosphore dans le film poly et former un dopage efficace.

Il existe une relation entre le recuit et le TOX : avec l'oxyde tunnel inchangé, l'augmentation de la température de recuit produit davantage de trous d'épingle et de diffusion interne, réduisant la résistivité de contact et améliorant le FF tout en satisfaisant aux exigences de passivation ; à la même température de recuit, un oxyde tunnel plus épais produit davantage de trous d'épingle et de diffusion interne et un courant de saturation plus élevé.

6. Élimination du PSG et nettoyage RCA

Lors du dépôt PEALD du film n+-poly-Si, une couche n+-poly locale se forme sur la face avant de la plaquette, recouverte d'un mince film de masque (SiOx). Le HF unilatéral élimine le SiOx, puis un bain alcalin élimine le n+-poly-Si avant. La plaquette passe séquentiellement à travers le bac de gravure, le bac alcalin et le bac de nettoyage pour des réactions chimiques avant séchage.

Le but du RCA est d'éliminer le placage périphérique et d'effectuer une gravure des bords pour prévenir les fuites de bord, et de nettoyer la plaquette en éliminant le BSG avant et arrière et le masque et en la déshydratant en préparation des films de passivation avant et arrière. Comme le poly est du silicium polycristallin, l'élimination du placage périphérique utilise un polissage alcalin avec une alcali à haute concentration et des additifs.

Les additifs RCA nettoient les substances inorganiques et les produits résiduels pour améliorer le mouillage de surface, agissent comme catalyseurs de réaction pour accélérer la liaison de OH- avec le silicium et accélérer la gravure périphérique et des bords, et réduisent le taux de gravure alcaline du dioxyde de silicium pour protéger le BSG avant et le masque arrière contre la sur-gravure.

Les étapes du processus sont : HF en ligne pour éliminer le PSG formé sur la face avant et les bords après recuit N2 tout en conservant le PSG arrière pour protéger le poly arrière ; polissage alcalin avec NaOH et additif pour éliminer l'excès de poly avant et de bord ; lavage alcalin pour éliminer les additifs résiduels et les impuretés ; nettoyage acide pour neutraliser l'alcali résiduel et éliminer les ions métalliques ; extraction lente utilisant de l'eau déionisée à température ambiante avec un robot pour prévenir les traces d'eau ; et séchage à 90°C pour prévenir le liquide résiduel sur les plaquettes et les supports.

7. ALD (Dépôt de couche atomique)

Le dépôt de couches atomiques (ALD) dépose des matériaux en couches atomiques uniques sur le substrat et se caractérise par sa nature auto-limitante, qui est le fondement de l'ALD. Par intervalles de temps ou d'espace, le substrat est alternativement exposé à différents précurseurs. Lorsque le substrat est dans l'atmosphère du précurseur A, A est chimiquement adsorbé sur la surface jusqu'à saturation, puis s'arrête ; lorsqu'il est exposé au précurseur B, B réagit avec A déjà adsorbé, produisant des sous-produits jusqu'à ce que le premier précurseur soit entièrement consommé et que la réaction s'arrête automatiquement, formant la couche atomique requise. L'ALD répète cette réaction pour construire le film souhaité.

Sur la face arrière de la plaquette, la passivation AlOx réduit le taux de recombinaison en surface arrière. L'oxyde d'aluminium porte des charges négatives fixes situées exactement à l'interface entre l'oxyde d'aluminium et l'oxyde de silicium sur la surface de la plaquette ; cette charge négative à haute densité assure une passivation de champ efficace. L'oxyde d'aluminium fournit également une excellente passivation chimique, saturant les liaisons pendantes sur la surface du silicium cristallin et réduisant la densité d'états d'interface.

Les étapes du processus sont : pré-dépôt (gaz uniquement, sans RF, remplissant le tube uniformément et stabilisant la pression, maintenu court pour éviter le gaspillage de gaz et les risques de sécurité) ; dépôt (RF activé, avec TMA formant un plasma qui réagit avec la surface pour former AlOx, puis purge avec gaz inerte, répété pendant 40 cycles) ; et purge Ar pour pousser TMA et O2 hors du tube afin d'empêcher la combustion de TMA lors de l'ouverture de la porte du four.

8. Nitrure de silicium avant et arrière (SiNx)

Le revêtement SiNx sert à plusieurs fins. Il protège la surface de la cellule, car le nitrure de silicium a une très haute résistance qui supporte jusqu'à 1200°C, une excellente résistance à la corrosion chimique contre presque tous les acides inorganiques et NaOH à moins de 30%, et est un isolant électrique haute performance. Il fournit une anti-réflexion, avec un indice de réfraction optimal en couche unique de 1,96 dans l'air ; l'augmentation de la teneur en silicium renforce la passivation de surface, et la littérature rapporte que la vitesse de recombinaison en surface tombe en dessous de 20 cm/s à un indice de réfraction de 2,3, avec la meilleure passivation en volume entre 2,1 et 2,3. Il empêche également l'oxydation grâce à sa structure dense. La passivation de l'émetteur avant TOPCon utilise principalement de l'oxyde d'aluminium plus un film SiNx:H, tandis que la passivation arrière utilise principalement du poly-Si.

Le mécanisme de passivation SiNx fonctionne de deux manières. La passivation chimique réduit la densité de défauts d'interface en réduisant les liaisons pendantes, soit en faisant croître une couche de surface qui donne aux atomes suffisamment de temps et d'énergie pour saturer les liaisons pendantes, soit en déposant un film diélectrique riche en hydrogène et en libérant de l'hydrogène pendant le frittage afin qu'il se lie aux liaisons pendantes. La passivation par effet de champ réduit le nombre de porteurs minoritaires atteignant la surface en générant un champ électrique près de la surface qui repousse les porteurs de même polarité, obtenu en abaissant la concentration de dopage en surface ou en ajoutant une couche diélectrique avec une charge fixe élevée.

Les étapes du processus SiNx sont : pré-dépôt (gaz uniquement, sans RF, remplissage du tube et stabilisation de la pression) ; dépôt 1-2-3 (RF activée, introduction de SiH4 et NH3 pour former trois couches de SiNx avec un rapport Si-N décroissant, car un rapport Si-N plus élevé donne un indice de réfraction plus élevé) ; dépôt 4 (RF activée, SiH4, O2 et NH3 formant une couche de SiONx) ; dépôt 5 (RF activée, SiH4 et O2 formant une couche de SiO2) ; et purge à l'azote des lignes et du tube pour éliminer les gaz réactifs et prévenir l'explosion de SiH4 à l'ouverture de la porte du four.

9. Sérigraphie (Métallisation)

Après la texturation, la diffusion et le revêtement complètent la jonction PN et la passivation, la cellule peut générer du courant sous la lumière. Pour extraire et collecter ce courant, des électrodes avant et arrière sont imprimées sur la surface de la cellule, généralement par sérigraphie, séchage et frittage.

Le système de sérigraphie se compose de cinq éléments : la raclette, l'encre (pâte), l'écran, le substrat (plaquette) et la plateforme d'impression. Une performance d'impression appropriée de la pâte (viscosité, capacité de fluidification par cisaillement) est la condition préalable à une impression de masse à grande échelle, et le nombre de mailles de l'écran, le diamètre du fil et la largeur de ligne conçue déterminent en grande partie la morphologie imprimée. En fonctionnement, la pâte traverse les ouvertures de maille à motifs, et une raclette applique une pression tout en se déplaçant sur l'écran, poussant la pâte des ouvertures du motif sur la plaquette. La viscosité de la pâte la maintient adhérente dans la plage, et la raclette maintient un contact linéaire avec l'écran et le substrat, la ligne de contact se déplaçant avec la raclette pour terminer la course d'impression.

La pâte doit offrir une excellente imprimabilité pour la production de masse, un bon contact ohmique avec l'émetteur pour une faible résistivité de contact et un FF plus élevé, des dommages minimes à l'émetteur pour limiter la perte de Voc induite par la métallisation, et la résistivité volumique la plus faible possible pour réduire la perte de courant. Les étapes du processus sont : le séchage pour évaporer les matières organiques de la pâte ; le pré-frittage pour faire fondre la fritte de verre, dissoudre les particules d'argent et ouvrir la couche de passivation ; le frittage pour dissoudre davantage de métal dans le verre et le lier ensemble ; et le refroidissement pour que le métal dissous dans le verre précipite sur la surface, formant un contact ohmique entre le métal et le semi-conducteur.

Conclusion

Le processus de fabrication TOPCon est une séquence précise d'étapes de texturation, de dopage, de passivation, de dépôt, de recuit et de métallisation, chacune conçue pour maximiser la sélectivité des porteurs et minimiser la recombinaison afin d'obtenir un rendement de conversion plus élevé.

Point de vue d'ooitech : ooitech estime que le rendement élevé de TOPCon provient de la synergie de l'oxyde tunnel et de la technologie de contact passivé, où chaque étape de nettoyage, de dépôt et de recuit travaille ensemble pour repousser les limites de la sélectivité des porteurs et de la passivation de surface.

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