SiNx رقيق جدًا ويخترق معجون الفضة الطبقة المتعددة، سميك جدًا وتقفز مقاومة التلامس 600 مرة: ISFH تشير إلى حل
مقدمة المنتج
أي شخص يدير خط إنتاج TOPCon واجه هذه المعضلة. قم بطلاء SiNx رقيق جدًا وتقلق من أن معجون الفضة سيحرق طبقة التخميل، مما يخفض Voc. قم بطلائه سميكًا جدًا وترتفع مقاومة التلامس، ولا يمكن لـ FF الصمود. الرقيق يخيفك، والسميك يخيفك أيضًا - إذن ما هو السمك "المناسب تمامًا"؟
في عام 2022، نشر فريق Min Byungsul في ISFH (معهد أبحاث الطاقة الشمسية في هاملين، ألمانيا) دراسة في وقائع مؤتمر AIP قامت بتفكيك هذه المشكلة. استخدموا اتصالات تخميل POLO - الاسم الأكاديمي لما تسميه الصناعة TOPCon، وهو أساسًا أكسيد فائق الرقة بالإضافة إلى بولي سيليكون مخدر بنية SiOx/poly-Si - لعزل ما يحدث حقًا.
الخلاصة الرئيسية ليست معقدة: سمك SiNx ودرجة حرارة الحرق هما زوج متطابق. قم بتغيير السمك وعليك ضبط درجة الحرارة. حرك أحدهما دون تحريك الآخر وإما ينخفض Voc أو ينهار FF.
المعايير الفنية
كيف تم إعداد التجربة
استخدمت ISFH رقائق CZ من النوع p، مع اتصال POLO من النوع n⁺ على الجزء الخلفي من الخلية (أكسيد نفق بالإضافة إلى بولي سيليكون مخدر بالفوسفور).
المتغيران الرئيسيان:
سمك طبقة SiNx الخلفية - تتراوح من 40nm إلى 80nm
درجة حرارة الحرق القصوى - تم ضبطها بين 790°C و 810°C
ثم قاموا بقياس شيئين: مقاومة التلامس ρc (بواسطة TLM) و معلمات الخلية IV.
في وقت سابق، نظرنا إلى ورقة بحثية من JA Solar عام 2016 حول كيفية تأثير التركيب الكيميائي (نسبة Si/N) لفيلم SiNx المضاد للانعكاس على الجهة الأمامية تلامس معجون الفضة. هذا العمل من ISFH عام 2022 يتعلق بكيفية تأثير السماكة الفيزيائية لفيلم SiNx على الجهة الخلفية على تلامس معجون الفضة. اجمع بينهما وستغطي كلا البعدين — "التركيب الكيميائي" و"السماكة الفيزيائية"، الفيلم الأمامي والفيلم الخلفي.
جميع العينات تم حرقها عند 800°C، فقط سماكة SiNx الخلفية تم تغييرها
| سماكة SiNx | متوسط ρc (800°C) | الحالة |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | منخفض جداً |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | بدأ في الارتفاع |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | يرتفع بوضوح |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | منطقة انتقالية، صعود حاد |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | أعلى بحوالي 600 مرة من 40nm |
مسح درجة حرارة الحرق على عينات 55nm و60nm
| الحالة | متوسط ρc |
|---|---|
| 55nm SiNx + 800°C | 3.2 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 805°C | 2.8 mΩ·cm² |
| 60nm SiNx + 810°C | 2.0 mΩ·cm² |
المزايا التقنية
النتيجة الأولى: إذا كانت السميكة جداً، لا يمكن للمعجون أن يخترق بالحرق
جميع العينات تم حرقها عند ذروة 800°C ، مع تغيير سماكة طبقة SiNx الخلفية فقط. النمط واضح من الجدول أعلاه — كمية SiNx التي يمكن للمعجون أن يحرقها أثناء الحرق محدودة. تجاوز هذا الحد ولن يصل المعجون إلى البولي سيليكون تحته، وبالتالي ترتفع مقاومة التلامس.
صور SEM تعطي دليلاً مباشراً:
40nm SiNx: لقد احترقت المعجونة بالكامل عبر كل من SiNx والبولي سيليكون، تاركة الكثير من حفر تآكل بحجم ميكرون على البولي. تمت إزالة البولي سيليكون محليًا بالكامل — اتصال جيد، لكن طبقة التخميل تضررت.
80nm SiNx: فقط عدد ضئيل من حفر التآكل الصغيرة جدًا، لا توجد مناطق تمت فيها إزالة البولي بالكامل — التخميل صمد، لكن مقاومة التلامس كانت أعلى بحوالي 600 مرة (حوالي 2.8 مرتبة مقدارية)، وتم تدمير FF بشكل أساسي.
استنتاج ISFH واضح: هناك نافذة مثلى لـ SiNx — بين 50 و 60 نانومتر. رقيقة جدًا، تخترق المعجونة التخميل وينهار Voc. سميكة جدًا، لا تستطيع المعجونة الاختراق وتطير مقاومة التلامس.
النتيجة الثانية: السُمك ودرجة الحرارة مرتبطان
لم تتوقف ISFH عند "50-60 نانومتر هو الأفضل." بل طرحوا سؤالًا عمليًا في المصنع: إذا تغير سمك SiNx، هل يجب أن تتغير درجة حرارة الحرق أيضًا؟
اختاروا 55nm و 60nm مجموعات وأجروا مسحًا لدرجة الحرارة من 790°C إلى 810°C.
النتيجة نظيفة جدًا:
55nm SiNx: FF يبلغ ذروته عند 800°C، أفضل كفاءة هناك. اذهب أقل، الاتصال ليس جيدًا بما يكفي؛ اذهب أعلى، يبدأ التخميل في المعاناة.
60nm SiNx: FF يبلغ ذروته عند 805-810°C. لأن SiNx أكثر سمكًا، يحتاج إلى درجة حرارة أعلى لتحترق المعجونة من خلاله.
بعبارات خط الإنتاج البسيطة: في ظل ظروف الاختبار هذه، يؤدي الانتقال من 55 نانومتر إلى 60 نانومتر إلى رفع درجة حرارة الحرق المثلى بحوالي 5-10 درجات مئوية. هذا الميل هو مرجع فقط لنفس نظام المعجونة — قم بتغيير المعاجين وتحتاج إلى إعادة المعايرة.
بيانات مقاومة التلامس تدعم هذا أيضًا: درجة حرارة أعلى، اتصال أفضل — طالما أنك لا تتجاوز الخط الذي تبدأ فيه بحرق التخميل.
الآلية: حجم حفرة التآكل هو المفتاح
استخدمت ISFH المجهر الإلكتروني الماسح لوضع معيار واضح جدًا:
حفر أكبر من 1 ميكرومتر في القطر: تمت إزالة البولي بالكامل، تضرر التخميل → Voc ينخفض
حفر أصغر من 1 ميكرومتر في القطر: لم تتم إزالة البولي بالكامل، التخميل سليم → تنخفض مقاومة التلامس، Voc دون تغيير
قالت ISFH مباشرة: "عدد معين من حفر النقش الصغيرة ضروري لتكوين تلامس جيد. حفر النقش التي يقل قطرها عن 1 ميكرومتر لا يبدو أن لها تأثير على جودة التخميل."
معيار الخط: حفر النقش ليست أفضل عندما تكون أقل، وليست أفضل عندما تكون أكثر — الهدف هو حجم صغير، توزيع معتدل. إذا رأيت الكثير من الحفر التي يزيد قطرها عن 1 ميكرومتر تحت المجهر، فإن درجة الحرارة مرتفعة جدًا أو SiNx رقيق جدًا، والتخميل يتعرض للضرر بالفعل.
تطبيق المنتج
ما الذي يمكن لخط الإنتاج استخدامه فعليًا؟
1. سمك SiNx ليس أفضل عندما يكون رقيقًا، وليس أفضل عندما يكون سميكًا. أقل من 40 نانومتر، تحترق المعجون عبر التخميل وينهار Voc؛ فوق 80 نانومتر، لا يمكن للمعجون أن يخترق بالحرق وتقاومة التلامس ترتفع تقريبًا 600 مرة.
2. السمك ودرجة الحرارة مرتبطان. قم بتغيير سمك SiNx ويجب أن تتبع درجة حرارة الحرق. بيانات ISFH تعطي مرجعًا — تحت هذه الظروف، كل 5 نانومتر إضافية من SiNx ترفع درجة الحرارة القصوى بحوالي 5-10 درجات مئوية — لكن أعد المعايرة بعد تغيير المعاجين.
3. حفر النقش هي مؤشر "النافذة". انظر إلى حجم وكثافة الحفر بواسطة SEM ويمكنك الحكم على ما إذا كان مزيج السمك-درجة الحرارة الحالي يقع داخل النافذة. الكثير من الحفر التي يزيد قطرها عن 1 ميكرومتر → ساخن جدًا أو الفيلم رقيق جدًا؛ تقريبًا لا حفر → بارد جدًا أو الفيلم سميك جدًا، قد يكون التلامس مشكلة.
4. سمك الفيلم الخلفي يتحكم أيضًا في المظهر الجمالي واختيار المعجون. النقاط الثلاث أعلاه كلها حول كيفية تأثير السمك على مقاومة التلامس وعامل التعبئة من خلال اختراق المعجون بالحرق أم لا. ولكن على الخط، سمك SiNx الخلفي يتحكم في أكثر بكثير من الأداء الكهربائي.
في الإنتاج الضخم الفعلي، يتم التحكم في SiNx الخلفي عادة في نطاق 70-85 نانومتر — أكثر سمكًا من نطاق "الأمثل للتلامس" 50-60 نانومتر في ورقة ISFH. السبب بسيط: الورقة قاست الأمثل للتلامس النقي لهيكل POLO المحدد ومعجون معين، بينما خط الإنتاج يجب أن يوازن بين التخميل والتلامس وتوحيد اللون في وقت واحد، ويختار نطاقًا أكثر سمكًا واستقرارًا. الأهم من ذلك، أن معاجين الخطوط التجارية تستخدم نظام زجاج-فريت مختلف عن معجون المختبر الخاص بـ ISFH، لذا فإن نافذة سمك SiNx التي يمكن حرقها مختلفة أيضًا.
تغيير السمك يغير معامل الانكسار، ويتغير لون التداخل للفيلم معه. إذا كان رقيقًا جدًا أو سميكًا جدًا، تظهر الرقاقات تباينًا في اللون، لون غير مطابق وتخفيضات تجميلية مماثلة تقلل العائد التجميلي مباشرة. وهذا بدوره يضع متطلبًا صارمًا على صانع المعجون: يجب أن يتوافق المعجون مع نافذة عملية الفيلم الخلفي، وليس إجبار الفيلم الخلفي على استيعاب معجون معين. يجب أن يتزاوج السمك ودرجة الحرارة، ويجب أن يتزاوج المعجون وسمك الفيلم أيضًا — الخط هو نظام، وليس تعديل نقطة واحدة.
ثلاثة أشياء لم تذكرها الورقة
العلاقة بين POLO و TOPCon. إن اتصال POLO الذي استخدمته ISFH هو أساسًا أكسيد فائق الرقة بالإضافة إلى بولي سيليكون مخدر (poly-Si/SiOx)، وهو نفس هيكل TOPCon الخلفي اليوم، لذا فإن الاستنتاجات تنتقل مباشرة. POLO هو الاسم الأكاديمي الذي اقترحته ISFH؛ TOPCon هو المصطلح الصناعي القياسي؛ نفس الهيكل في الجوهر.
نموذج المعجون يؤثر على عمق الاختراق. تحتوي المعاجين المختلفة على تركيبات زجاج-فريت مختلفة ويمكنها حرق سماكات SiNx مختلفة. 50-60nm الخاص بـ ISFH يعتمد على معجون معين — قم بتغيير المعجون وقد تحتاج إلى إعادة المعايرة.
الموثوقية طويلة المدى غير مغطاة. هل ستنمو حفر النقش الصغيرة لتصبح كبيرة على مدى 25 عامًا من التعرض الخارجي؟ هل سيتدهور السطح البيني أكثر تحت الحرارة الرطبة؟ الورقة لا تجيب.
قراءتها مع JA Solar 2016
| البعد | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| التطبيق | فيلم SiNx المضاد للانعكاس الأمامي (ARC) | طبقة تغطية SiNx الخلفية |
| التركيز | التركيب الكيميائي لـ SiNx (نسبة Si/N) | السمك الفيزيائي لـ SiNx |
| المتغير الأساسي | نسبة غاز SiH₄/NH₃ | سمك SiNx + درجة حرارة الحرق |
| نمط الفشل | نسبة Si/N غير صحيحة → عدم توازن لزوجة الفريت → مقاومة تلامس عالية | سمك خاطئ → حرق كامل أو فشل في الحرق |
| تحديد الاتجاه | ضبط نسبة الغاز إلى النافذة المثلى | سمك الزوج ودرجة الحرارة |
| آلية مشتركة | حركية تفاعل Frit-SiNx تحدد جودة التلامس | عمق اختراق Frit-SiNx يحدد جودة التلامس |
ضع الورقتين جنبًا إلى جنب وستحصل على الصورة الكاملة لعملية الفيلم الأمامي والفيلم الخلفي: التركيب الكيميائي يحدد ما إذا كان يمكنك التلامس جيدًا، والسمك الفيزيائي يحدد ما إذا كنت ستؤذي ما تحته أثناء التلامس.
قم بتعديل نسبة Si/N في الطلاء وترتفع Rs، وينهار FF، وتنخفض الكفاءة بشكل حاد
تذكير للخط: لا تنظر فقط إلى البولي عند البحث عن فقدان الكفاءة
بعد الانتهاء من الورقتين، نعود إلى خطنا الخاص. عند مطاردة فقدان الكفاءة، رد فعل المهندس هو التحقق أولاً من سمك البولي الخلفي، مستوى التطعيم، سمك أكسيد النفق — تأثيرها على FF وVoc معروف جيدًا وهذه عناصر فحص قياسية. لكن طبقة تغطية SiNx الخلفية غالبًا ما يتم تجاهلها على أنها "طبقة تلبيس/تجميل"، وقليل من الناس يفكرون فيها من حيث مقاومة التلامس.
قيمة ورقة ISFH هذه هي بالضبط أنها تسحب هذا المتغير المهمل إلى الطاولة: سمك الفيلم الخلفي الخاطئ، لا يخترق المعجون أو يحترق، وينهار FF بنفس الطريقة. في المرة القادمة التي تواجه فيها موقفًا "معلمات البولي لم تتغير، ومع ذلك انخفض FF بشكل غامض"، لا تكتفِ بالدوران حول البولي — ارجع وتحقق مما إذا كان سمك الفيلم الخلفي ودرجة حرارة الحرق لا يزالان متطابقين.
جدير بالملاحظة: تجربة ISFH تستند إلى الحرق التقليدي. تقنية LECO المعتمدة الآن على نطاق واسع في الخطوط يمكنها تحسين التلامس من خلال خطوة ليزر/تيار لاحقة، مما يقلل إلى حد ما من الحساسية لاقتران درجة حرارة الحرق والسمك — لكن سمك الفيلم الخلفي لا يزال النافذة الأساسية ولا يمكن تجاهله.
رؤية Ooitech
نرى نفس الشيء في كل خط TOPCon نشغله — يتم التعامل مع طبقة تغطية SiNx الخلفية كفيلم لوني فقط، ثم ينزلق FF بهدوء دون أن يتحقق أحد من اقتران السمك ودرجة الحرارة. تتوافق بيانات ISFH مع ما يدفع الناس نحو LECO، لأن فصل تكوين التلامس عن خطوة الحرق يمنح هامشًا حقيقيًا عندما لا تتفق كيمياء فريت المعجون ونافذة الفيلم الخلفي تمامًا. إذا كنت تريد رؤية كيفية تنفيذ هذه الخطوات على خط وحدة حقيقي — الطلاء، الحرق، التوصيل وكل شيء — قناة Ooitech على YouTube على www.youtube.com/ooitech يستحق المتابعة. ضع في اعتبارك أن هذه دراسة على مستوى الخلية؛ خط الوحدة يرث هذه الخلايا ولكن مصير التلامس محدد بالفعل في المراحل السابقة.
المراجع
Min B. et al., AIP Conf. Proc. 2487, 020014 (2022) (DOI: 10.1063/5.0089239)
Chen X.Y. et al., Solar Energy 126 (2016) 105–110 (DOI: 10.1016/j.solener.2016.01.001)
