La jonction PN est le "cœur" des cellules photovoltaïques. Selon le type de jonction PN, les cellules photovoltaïques peuvent être divisées en cellules à homojonction et en cellules à hétérojonction. Parmi elles, la cellule à homojonction réalise principalement un dopage sur un même type de tranche de silicium (type P ou type N) par diffusion, obtenant ainsi une jonction PN. La région de type P et la région de type N de la cellule à hétérojonction sont composées de différents types de matériaux semi-conducteurs, qui peuvent être divisés en type dopé et type non dopé.

Lorsqu'un semi-conducteur de type P et un semi-conducteur de type N sont combinés, en raison de la forte concentration de trous dans le semi-conducteur de type P et de la forte concentration d'électrons dans le semi-conducteur de type N, une diffusion thermique se forme. C'est-à-dire que les trous dans le semi-conducteur de type P diffusent vers la région de type N, et les électrons dans le semi-conducteur de type N diffusent vers la région de type P. Ensuite, des charges négatives sont formées dans la région de type P, tandis que des charges positives sont formées dans la région de type N, formant un champ électrique intégré entre les deux. Dans des conditions lumineuses, les photons d'énergie supérieure à la largeur de bande interdite sont absorbés et des paires électron-trou sont générées des deux côtés de la jonction PN, et elles sont séparées l'une de l'autre sous l'action du champ électrique intégré, ce qui générer un courant photoinduit.

La "probabilité de collecte" décrit la probabilité que les porteurs générés par l'irradiation lumineuse sur une certaine zone de la batterie soient collectés par la jonction PN et participent au flux de courant. Sa taille est liée à la distance que les porteurs photogénérés doivent parcourir et aux caractéristiques de surface de la batterie. Plus on s'éloigne de la région dissipative, plus la probabilité d'être collecté est faible, et la passivation de surface peut augmenter la probabilité de collecter des porteurs au même endroit.

C'est quoi Diffusion ? La diffusion décrit le mouvement d'une substance dans une autre. L'essence réside dans le mouvement brownien des atomes, des molécules et des ions, provoquant la diffusion des endroits à forte concentration vers les endroits à faible concentration. La fabrication de cellules solaires en silicium cristallin adopte la méthode de diffusion thermique chimique à haute température pour obtenir une jonction de dopage. La diffusion thermique utilise une température élevée pour entraîner les impuretés à travers la structure du réseau de silicium. Cette méthode est affectée par le temps et la température et nécessite 3 étapes : pré-dépôt, insertion et activation.

Trois indicateurs de diffusion : résistance carrée, profondeur de jonction et concentration de surface

La valeur de résistance carrée est principalement une caractérisation complète de la concentration de surface et de la profondeur de jonction, et son influence sur les paramètres de la cellule comprend principalement les trois points suivants : 1) La profondeur de la jonction PN de diffusion affecte directement son absorption de la lumière à ondes courtes, donc la diffusion dans une certaine plage Plus la jonction PN est peu profonde (plus la valeur de la résistance carrée est élevée), plus la valeur du courant est élevée ; 2) La concentration de dopage de l'élément de phosphore diffusé affecte la conductivité de sa partie en silicium de type N dans une certaine mesure, donc plus la concentration de dopage est élevée (la valeur de résistance carrée Plus la valeur est petite, plus le facteur de remplissage est élevé ; 3 ) D'une manière générale, dans une certaine plage, la tension en circuit ouvert augmente à mesure que la concentration de diffusion augmente.

2.1. Homojonction : expansion du phosphore et expansion du bore

Dans une batterie à homojonction, la région de type P et la région de type N sont le même type de matériau semi-conducteur, et une jonction PN est généralement formée par dopage. Les méthodes de dopage courantes comprennent : 1) la diffusion tubulaire (basse pression, pression normale) ; 2) implantation ionique + recuit ; 3) diffusion de la source de revêtement (sérigraphie, revêtement par centrifugation, revêtement par pulvérisation, impression au rouleau). Actuellement, la plupart d'entre eux utilisent la diffusion tubulaire à basse pression.

Diffusion du phosphore : le P2O5 produit par la décomposition du POCl3 se dépose à la surface de la plaquette de silicium, le P2O5 réagit avec le silicium pour former des atomes de SiO2 et de phosphore, et forme une couche de verre phosphosilicate à la surface de la plaquette de silicium, puis le phosphore les atomes diffusent dans le silicium. Diffusion du bore : le B2O3 produit par la décomposition de BBr3/BCl3 se dépose à la surface de la plaquette de silicium, le B2O3 réagit avec le silicium pour former des atomes de SiO2 et de bore, et forme une couche de verre borosilicaté à la surface de la plaquette de silicium, puis les atomes de bore diffusent dans le silicium. Il ressort de ce qui précède que qu'il s'agisse d'une diffusion de bore ou d'une diffusion de phosphore, il est nécessaire de former des atomes de bore ou des atomes de phosphore pour diffuser dans le substrat de silicium. La diffusion du bore est plus difficile que la diffusion du phosphore. La raison en est que la solubilité solide des atomes de bore dans la matrice de silicium est faible, de sorte que la température d'expansion du bore doit atteindre plus de 1000 °C. Et lorsque la quantité de dopage de surface est élevée, il est facile de former une accumulation de bore sur la surface, c'est-à-dire une couche riche en bore (BRL), ce qui pose des défis pour le nettoyage ultérieur.

Pour l'expansion du bore, il existe actuellement deux voies de BBr3/BCl3. Le BBr3 est un liquide à température ambiante et sa sécurité est relativement bonne, mais le B2O3 généré est visqueux et nécessite un nettoyage au DCE, ce qui entraîne des coûts de maintenance élevés. Le BCl3 est un gaz à température ambiante et sa sécurité est relativement médiocre, mais le B2O3 généré est granuleux et facile à nettoyer. L'inconvénient est que l'énergie de la liaison B-Cl est plus grande et qu'elle n'est pas facile à décomposer, ce qui entraîne une faible utilisation à la température de diffusion.

Selon les prévisions de l'ITRPV, la route BBr3 occupera toujours la majorité du marché à l'avenir, mais la part de la route BCl3 augmentera progressivement pour atteindre environ 40 % de part de marché d'ici 2032. 2.2

. Homojonction : SE

Pourquoi le SE (émetteur sélectif) est-il nécessaire ? La raison en est que les cellules solaires en silicium cristallin conventionnelles utilisent des émetteurs dopés uniformément à haute concentration. Une concentration plus élevée de dopage peut améliorer le contact ohmique entre la plaquette de silicium et l'électrode et réduire la résistance série, mais il est également facile de provoquer une recombinaison de surface plus élevée. À cette fin, il est nécessaire d'utiliser la technologie d'émetteur sélectif (SE) pour effectuer une diffusion profonde de dopage à haute concentration au niveau et à proximité du contact entre la ligne de grille métallique (électrode) et la tranche de silicium, et une diffusion peu profonde de dopage à faible concentration dans le zone autre que l'électrode. .

Les avantages de la structure SE : 1) Le fort dopage sous les électrodes rend la résistance de contact inférieure à celle des batteries conventionnelles, améliorant ainsi le facteur de remplissage ; 2) Le dopage léger entre les électrodes peut réduire efficacement la recombinaison des porteurs lorsqu'ils s'écoulent latéralement dans la couche de diffusion 3) La bande à ondes courtes de la lumière solaire est essentiellement absorbée sur la surface avant de la plaquette de silicium, et une diffusion peu profonde peut améliorer la efficacité d'excitation de la lumière du soleil à bande d'ondes courtes, augmentant ainsi le courant de court-circuit ; 4) Former un n++-n+/ p++ La jonction haut-bas de -p+ peut réduire la recombinaison des porteurs minoritaires sous les électrodes et augmenter la tension en circuit ouvert. En résumé, SE équilibre mieux la contradiction entre la résistance de contact entre le métal et le semi-conducteur et la collecte de photons que les batteries conventionnelles. Sur la base de la difficulté technique de l'expansion du bore, il est plus difficile de fabriquer un SE basé sur l'expansion du bore que le SE d'expansion du phosphore. À l'heure actuelle, deux voies techniques d'expansion du bore primaire et d'expansion du bore secondaire sont principalement développées.

Selon la "Préparation de la couche d'oxyde de tunnel ultra-mince basée sur la technologie PECVD et l'application de Poly-Si dans les batteries TOPCon" de Tongwei, il existe actuellement cinq solutions SE étendues au bore courantes dans l'industrie, parmi lesquelles la voie d'ouverture du film laser est actuellement le plus mature. plan. Du point de vue des perspectives de production de masse, la voie Etch-back et la voie de dopage direct au laser sont les voies les plus susceptibles de parvenir à une production de masse. Parmi les cinq schémas, la voie de la boue de gravure, la voie de la boue de bore et la voie de retour de gravure nécessitent toutes le développement externe de différentes boues.

2.3. Hétérojonction : dopée et non dopée

Essentiellement, la diffusion thermique est une méthode de dopage pour former une jonction PN sur le même semi-conducteur. D'autres méthodes incluent l'implantation ionique, le dépôt en phase vapeur, etc. Par exemple, en déposant du silicium amorphe intrinsèque et du silicium amorphe dopé sur la surface du silicium cristallin par dépôt en phase vapeur, puisque le silicium cristallin et le silicium amorphe n'appartiennent pas au même matériau semi-conducteur, le composé formé La jonction PN est appelée hétérojonction.

Les cellules à hétérojonction sont dopées par dépôt en phase vapeur plutôt que par diffusion. Un problème qui en résulte est que la bande interdite du silicium amorphe sur la face avant est faible, ce qui entraîne une importante absorption parasite optique, ce qui limite l'augmentation du courant de saturation ; et la faible efficacité de dopage de la couche de silicium amorphe conduit à un faible rendement de cellule. Cela a déclenché l'application et l'exploration de cellules à hétérojonction sans dopage. Des matériaux d'oxyde de métal de transition (TMO) de type N ont été essayés comme couches de transport de trous. Selon les données pertinentes de l'Université Sun Yat-Sen, MoOx est utilisé à la place du silicium amorphe dopé de type p dans les cellules HJT, et le rendement de conversion le plus élevé a atteint 23,5 %.

2.4. Dopage sans jonction

En plus de former des jonctions PN, le processus de dopage est également utilisé pour former des jonctions haut-bas. La jonction dite haut-bas fait référence à l'établissement d'un gradient de concentration de la même impureté entre le substrat de la batterie et l'électrode inférieure pour préparer une jonction haut-bas P-P+ ou N-N+ pour former un champ électrique arrière, qui peut améliorer la collecte efficace des porteurs et améliorer l'efficacité de l'énergie solaire. La réponse à ondes longues de la batterie augmente le courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert, et cette batterie est appelée "batterie de champ arrière". Un cas typique est que dans les cellules TOPCon, le dopage au bore est utilisé à l'avant pour former une jonction PN sur la plaquette de silicium de type N, et le polysilicium de type N composé d'un dopage au phosphore est utilisé à l'arrière pour jouer le rôle de haut et jonctions basses. Dans la batterie HJT,

Au sens large, tant que le champ électrique est établi à travers le gradient de concentration de la même impureté, affectant ainsi la structure de collecte des porteurs, on peut l'appeler une jonction haut-bas. Tels que l'émetteur sélectif dans l'expansion du bore/l'expansion du phosphore, le champ arrière en aluminium dans les cellules BSF, le champ arrière en aluminium local dans les cellules PERC et la grille fine en pâte d'argent-aluminium sur la surface avant des cellules TOPCon.

2.5. Four à diffusion

L'équipement domestique de diffusion de phosphore pour le champ électrique PERC a été entièrement localisé, et un équipement adapté aux grandes tranches de silicium et à la grande capacité de production a été développé. Compte tenu de l'uniformité du champ thermique et du champ gazeux, les modes de placement des tranches de silicium incluent horizontal, vertical et similaire. Type PE vertical et bien d'autres modes. L'équipement de diffusion de bore a des exigences plus élevées que la diffusion de phosphore, principalement reflétées dans : l'uniformité, le temps de diffusion long, la température de diffusion élevée et la dislocation OSF parasite de la plaquette de silicium.

Problème d'uniformité : le noyau est l'uniformité du champ gazeux et du champ thermique. Le placement vertical et le placement horizontal ont leurs propres avantages et inconvénients. Le placement vertical est propice au transfert de rayonnement thermique, mais pas à la transmission du flux d'air ; le placement horizontal est propice à la transmission du flux d'air, mais protège du rayonnement thermique. À mesure que la taille des tranches de silicium devient plus grande et plus mince, l'uniformité du placement vertical est mise à l'épreuve. D'une part, les grandes tranches de silicium conduisent à une distance de déplacement de gaz plus longue entre deux tranches de silicium, et la résistance augmente ; d'autre part, la courbure des fines tranches de silicium lorsqu'elles sont placées verticalement s'agrandit. Le Laplace est placé horizontalement dos à dos, et le flux d'air entre par le port et le côté, ce qui non seulement augmente l'uniformité du flux d'air,

D'autre part, à mesure que la capacité de production d'un seul four continue d'augmenter, la longueur du tube du four augmente, ce qui entraîne l'uniformité du flux d'air et du champ thermique dans la zone de température ultra-longue. À l'heure actuelle, l'admission d'air à plusieurs étages est principalement adoptée pour augmenter l'uniformité du flux d'air dans le tube du four.