TOPCon 太陽能電池片的方阻測試— KLA R54 系列

在全球各國努力減少碳足跡與追尋可持續能源的大背景下，太陽能行業經歷了顯著增長。在基于晶體硅 (c-Si) 的多種工藝路線中，隧穿鈍化接觸太陽能電池 (TOPCon) 因其高光伏轉換效率 (PCE) 和高性價比而脫穎而出。目前工業TOPCon電池的最高PCE已達到25.42%（2024年6月JinkoSolar公開數據），接近約29%的理論極限。對于更高PCE的追求同時對工藝控制和監測也是新的挑戰。

太陽能電池的性能表現取決于導電性、接觸電阻和復合速率之間的精細平衡，而這些參數都受到摻雜濃度的高度調控，因此監控摻雜濃度對于控制TOPCon工藝質量至關重要。一些測試方法諸如載流子壽命測量和熒光成像技術，都可將微波或光學信號轉換為載流子濃度信息。然而，這些間接測試方法需要復雜的校準步驟，且容易受到外部干擾的影響。相比之下，四探針(4PP)測量的方塊電阻（Rs）可以直接提供載流子遷移率和接觸電阻等電學特性，這使其成為TOPCon工藝中重要的監控手段。

自1984年推出四探針系統以來，KLA在電阻率測量方面積累了超過40年的創新經驗，其方塊電阻測量系統在半導體行業中廣受認可。來自KLA Instruments™ Filmetrics®的 R54方塊電阻測繪儀是一種桌面式方阻測量系統，配備了KLA最新的方阻測試探頭和測試電路。本文將介紹四探針測量技術和最新的TOPCon太陽能電池工藝，多種TOPCon工藝中實測的方阻結果都揭示了R54是TOPCon工藝監測的優秀解決方案。

方阻測試技術與TOPCon工藝流程

四探針方阻測試技術因其簡單的測試原理和高度的準確性而廣受歡迎，已有超過100年的使用歷史。在四探針測試過程中，電流經過兩個與樣品界面接觸的針腳流入樣品，由另外兩個與樣品表面接觸的針腳測試電壓，如下圖所示。標準測量配置（下圖左）適用于遠離樣品邊緣的測試區域，對于靠近樣品邊緣區域的測量，可以在標準測試配置的基礎上額外進行交叉測試配置（下圖右）的測量。邊緣效應可通過對兩種測試配置下獲得的電阻R_A和 R_B添加校準系數來消除。

圖：標準配置（左）與交叉配置（右）的測試探頭分布示意圖。

除了常見的四探針配置外，R54還配備了額外幾項關鍵功能，使其在測試太陽能電池時具有顯著優勢，包括：

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• 不透光的測試腔體(下圖a)抑制了光電流的產生。

• 特殊設計的方形載物臺(下圖b)可適配方形太陽能電池片。

• 兼容所有KLA方阻測試探頭。

• 基于給定目標電壓的自動電流調節功能。

• 對邊緣效應與探頭形狀因子的動態校準。

圖(a) R54方阻測繪系統 (b)專為太陽能電池片設計的方形載物臺。

TOPCon太陽能電池---結構與工藝

TOPCon太陽能電池由n型摻雜單晶硅制備而來，在硅片兩面均分布有多層結構（如下圖）。在TOPcon電池正面的制絨硅表面上制備有p型發射極，用于產生光生載流子；發射極被復合鈍化層覆蓋，以減少復合速率，TOPCon電池的正面涂覆有減反（AR）層，印有金屬電極。TOPCon的背面制備有SiOx/n型多晶硅界面的鈍化層，該層可增加特定載流子的隧穿機率并屏蔽另一種載流子。鈍化層可減少界面符合率并提高開路電壓，從而提高電池效率。

圖：TOPCon太陽能電池的結構

下圖展示了目前TOPCon的工藝流程。n型單晶硅電池片的表面先經過堿制絨過程形成金字塔結構，硼摻雜發射極被制備于制絨表面，形成n型襯底的p-n結，隨后的氧化過程進一步增強硼原子注入并調整結深。硅片的背面經過酸洗和堿拋的過程，形成平整的硅表面。在清理完殘液后，超薄的氧化隧穿層(SiOx)被通過熱蒸鍍的過程制備在電池片的背面，隨后磷摻雜的多晶硅被制備與隧穿層上，形成鈍化接觸結構，最終通過退火工藝穩定雜質分布并鎖定諸如鈉或鉀等有害離子。TOPCon工藝的剩余步驟與PERC或其他基于單晶硅的太陽能片制備技術類似：通過緩沖氧化物刻蝕工藝(BOE)去除多余的氧化層并暴露出硅片兩側新鮮的硅表面，之后依次制備正面鈍化接觸層與減反層。TOPCon工藝的最后需要完成正面的金屬化，通過激光輔助燒結的技術可以增強銀漿在表面的附著，同時可以提高電極區域摻雜濃度以減少接觸電阻，這一過程被稱為“激光輔助接觸優化"。

圖：TOPCon工藝流程圖

基于KLA R54的方阻監控

在TOPCon產線上中，硼擴散、氧化和退火工藝均涉及直接摻雜或熱處理過程，這些過程會改變樣品的摻雜水平，因此對這些階段的精準方阻監控至關重要。KLA R54方阻測繪系統可勝任這三項工藝中的方阻監控任務。

TOPCon太陽能電池的方阻測繪

方阻測繪可以直觀地提供摻雜均勻性的空間分布信息，通過對整個晶圓的方阻分布進行測繪，制造商能夠識別摻雜非均勻區域、缺陷、以及計劃外的繞鍍。R54可在200x200mm的測試范圍內自定義測試圖案。下圖展示了硼擴、氧化和退火工藝后的TOPCon電池片的225點方阻測繪結果。測試探頭可刺破表面氧化層以準確測量方阻。硼摻雜過程比磷擴散過程更加復雜，因此硼擴與氧化片的方阻分布范圍較退火片更大。

圖：在硼擴（上）氧化（中）退火（下）工藝中的225點方阻測繪圖

在方阻測繪完成后，R54的軟件界面可顯示方阻的統計值。對于工藝控制而言，平均值和均勻性是工藝控制中最重要的兩項統計參數。R54軟件顯示的均勻性定義為太陽能產業內廣泛使用的版本。

方阻測試可靠性

大多數TOPCon生產線已經集成了在線方阻監控工具，這邊要求用高度精準且穩定的離線標準機臺來確保所有在線監控設備的精準校準和匹配。R54的測量可靠性已經由重復性數據與長期穩定性數據驗證，使其成為了太陽能行業競爭力的方阻標準測試設備之一。

圖：硼擴(上), 氧化(中),退火(下)樣品上測試的測量重復性。圖(上)的放大示圖展現了10次連續測量過程中的方阻波動。

在R54方阻測量的重復性測試中，我們對各工藝階段的10片晶圓進行10次重復測試，并計算每次測量的晶圓平均方阻。重復性通過單片平均方阻值的標準差來表示（圖上的放大視圖展示了重復測試中的方阻波動情況）。硼擴工藝中（圖上）的方阻測試重復性值低于方阻均值的的0.5%，氧化（圖中）和退火（圖下）工藝的方阻測試重復性值均低于平均方阻的0.3%。這些值均遠優于工藝的監控閾值。

R54 的長期穩定性測試對不同工藝階段的樣品進行了為期4周的方阻監控。結果如下圖所示。來自3種工藝的15個樣品顯示，4周內方阻的變化均低于晶圓平均值的1%，測得的長期穩定在樣品自然方阻波動范圍內。重復性和長期變化的數據總結如下表1所示：

圖：太陽能電池片方阻測試的長期穩定性

結論

TOPCon技術正在不斷突破晶硅光伏效率的極限，而精準的方阻監控對于高質量工藝控制至關重要。KLA Instruments™ Filmetrics® 的R54方塊電阻測繪儀提供了全面的方阻測試功能，并具有優異的重復性和長期穩定性。該設備可滿足TOPCon太陽能電池方阻測量的需求，其性能已在實際生產中得到驗證。