La unión PN es el "corazón" de las células fotovoltaicas. Según el tipo de unión PN, las células fotovoltaicas se pueden dividir en células de homounión y células de heterounión. Entre ellas, la célula de homounión consigue principalmente el dopaje sobre el mismo tipo de oblea de silicio (tipo P o tipo N) mediante difusión, obteniendo así una unión PN. La región de tipo P y la región de tipo N de la celda de heterounión están compuestas de diferentes tipos de materiales semiconductores, que se pueden dividir en tipo dopado y tipo no dopado.

Cuando se combinan un semiconductor de tipo P y un semiconductor de tipo N, debido a la alta concentración de huecos en el semiconductor de tipo P y la alta concentración de electrones en el semiconductor de tipo N, se formará difusión térmica. Es decir, los agujeros en el semiconductor de tipo P se difunden hacia la región de tipo N y los electrones en el semiconductor de tipo N se difunden hacia la región de tipo P. Luego se forman cargas negativas en la región de tipo P, mientras que las cargas positivas se forman en la región de tipo N, formando un campo eléctrico incorporado entre los dos. En condiciones de luz, los fotones con energía mayor que el ancho de banda prohibido son absorbidos y se generan pares electrón-hueco en ambos lados de la unión PN, y se separan entre sí bajo la acción del campo eléctrico incorporado, por lo tanto generando una corriente fotoinducida.

La "probabilidad de recolección" describe la probabilidad de que los portadores generados por la irradiación de luz en un área determinada de la batería sean recolectados por la unión PN y participen en el flujo de corriente. Su tamaño está relacionado con la distancia que necesitan moverse los portadores fotogenerados y las características de la superficie de la batería. Cuanto más lejos de la región disipativa, menor será la probabilidad de que se recolecte, y la pasivación de la superficie puede aumentar la probabilidad de recolectar portadores en el mismo lugar.

¿Qué es la difusión? La difusión describe el movimiento de una sustancia dentro de otra. La esencia radica en el movimiento browniano de átomos, moléculas e iones, que provocan la difusión desde lugares con alta concentración a lugares con baja concentración. La fabricación de células solares de silicio cristalino adopta el método de difusión térmica química a alta temperatura para lograr la unión de dopaje. La difusión térmica utiliza alta temperatura para impulsar las impurezas a través de la estructura de red de silicio, este método se ve afectado por el tiempo y la temperatura, y requiere 3 pasos: depósito previo, inserción y activación.

Tres indicadores de difusión: resistencia cuadrada, profundidad de unión y concentración superficial

El valor de la resistencia al cuadrado es principalmente una caracterización completa de la concentración superficial y la profundidad de la unión, y su influencia en los parámetros de la celda incluye principalmente los siguientes tres puntos: 1) La profundidad de la unión PN de difusión afecta directamente su absorción de luz de onda corta, por lo que la difusión dentro de un cierto rango Cuanto menos profunda sea la unión PN (cuanto mayor sea el valor de la resistencia cuadrada), mayor será el valor actual; 2) La concentración de dopaje del elemento de fósforo difundido afecta la conductividad de su parte de silicio de tipo N hasta cierto punto, por lo que cuanto mayor sea la concentración de dopaje (el valor de resistencia al cuadrado, cuanto menor sea el valor, mayor será el factor de relleno; 3 ) En términos generales, dentro de un cierto rango, el voltaje de circuito abierto aumenta a medida que aumenta la concentración de difusión.

2.1. Homounión: expansión de fósforo y expansión de boro

En una batería de homounión, la región de tipo P y la región de tipo N son el mismo tipo de material semiconductor, y una unión PN generalmente se forma mediante dopaje. Los métodos comunes de dopaje incluyen: 1) difusión tubular (baja presión, presión normal); 2) implantación de iones + recocido; 3) difusión de la fuente de recubrimiento (serigrafía, recubrimiento por rotación, recubrimiento por pulverización, impresión por rodillo). En la actualidad, la mayoría de ellos utilizan difusión tubular de baja presión.

Difusión de fósforo: el P2O5 producido por la descomposición de POCl3 se deposita en la superficie de la oblea de silicio, el P2O5 reacciona con el silicio para formar SiO2 y átomos de fósforo, y forma una capa de vidrio de fosfosilicato en la superficie de la oblea de silicio, y luego el fósforo los átomos se difunden en el silicio. Difusión de boro: el B2O3 producido por la descomposición de BBr3/BCl3 se deposita en la superficie de la oblea de silicio, el B2O3 reacciona con el silicio para formar SiO2 y átomos de boro, y forma una capa de vidrio de borosilicato en la superficie de la oblea de silicio, y luego los átomos de boro se difunden en el silicio. De lo anterior se puede ver que ya sea difusión de boro o difusión de fósforo, es necesario formar átomos de boro o átomos de fósforo para difundir en el sustrato de silicio. La difusión de boro es más difícil que la difusión de fósforo. La razón es que la solubilidad sólida de los átomos de boro en la matriz de silicio es baja, por lo que la temperatura de expansión del boro debe superar los 1000 °C. Y cuando la cantidad de dopaje de la superficie es alta, es fácil que se forme una acumulación de boro en la superficie, es decir, una capa rica en boro (BRL), lo que plantea desafíos para la limpieza posterior.

Para la expansión de boro, actualmente hay dos rutas de BBr3/BCl3. BBr3 es un líquido a temperatura ambiente y su seguridad es relativamente buena, pero el B2O3 generado es viscoso y requiere limpieza DCE, lo que genera altos costos de mantenimiento. BCl3 es un gas a temperatura ambiente y su seguridad es relativamente baja, pero el B2O3 generado es granular y fácil de limpiar. La desventaja es que la energía del enlace B-Cl es mayor y no es fácil de descomponer, lo que resulta en una baja utilización a la temperatura de difusión.

Según las previsiones de ITRPV, la ruta BBr3 seguirá ocupando la mayor parte del mercado en el futuro, pero la proporción de la ruta BCl3 aumentará gradualmente, alcanzando alrededor del 40% de la cuota de mercado en 2032. 2.2

. Homounión: SE

¿Por qué se necesita SE (Emisor Selectivo)? La razón es que las células solares de silicio cristalino convencionales utilizan emisores dopados de alta concentración uniforme. Una mayor concentración de dopaje puede mejorar el contacto óhmico entre la oblea de silicio y el electrodo y reducir la resistencia en serie, pero también es fácil provocar una mayor recombinación superficial. Con este fin, es necesario utilizar tecnología de emisor selectivo (SE) para realizar una difusión profunda de dopaje de alta concentración en y cerca del contacto entre la línea de puerta de metal (electrodo) y la oblea de silicio, y una difusión superficial de dopaje de baja concentración en el otra zona que no sea el electrodo. .

Las ventajas de la estructura SE: 1) El fuerte dopaje debajo de los electrodos hace que la resistencia de contacto sea más baja que la de las baterías convencionales, mejorando así el factor de llenado; 2) El dopaje ligero entre los electrodos puede reducir efectivamente la recombinación de los portadores cuando fluyen lateralmente en la capa de difusión 3) La banda de luz solar de onda corta se absorbe básicamente en la superficie frontal de la oblea de silicio, y la difusión superficial puede mejorar la eficiencia de excitación de la luz solar de banda de onda corta, aumentando así la corriente de cortocircuito; 4) Formar un n++-n+/p++ La unión alto-bajo de -p+ puede reducir la recombinación de portadores minoritarios debajo de los electrodos y aumentar el voltaje de circuito abierto. En resumen, SE equilibra mejor la contradicción entre la resistencia de contacto entre el metal y el semiconductor y la recolección de fotones que las baterías convencionales. En base a la dificultad técnica de la expansión con boro, es más difícil hacer una SE basada en una expansión con boro que una expansión con fósforo SE. En la actualidad, se desarrollan principalmente dos rutas técnicas de expansión de boro primario y expansión de boro secundario.

De acuerdo con la "Preparación de la capa de óxido de túnel ultradelgada basada en la tecnología PECVD y la aplicación de poli-si en las baterías TOPCon" de Tongwei, actualmente hay cinco soluciones SE comunes con boro expandido en la industria, entre las cuales se encuentra actualmente la ruta de apertura de la película láser. el más maduro. plan. Desde la perspectiva de las perspectivas de producción en masa, la ruta Etch-back y la ruta de dopaje directo con láser son las rutas más probables para lograr la producción en masa. Entre los cinco esquemas, la ruta de lodo de grabado, la ruta de lodo de boro y la ruta de grabado posterior requieren el desarrollo externo de diferentes lodos.

2.3. Heterounión: dopada y no dopada

Esencialmente, la difusión térmica es un método para lograr el dopaje para formar una unión PN en el mismo semiconductor. Otros métodos incluyen la implantación de iones, la deposición de vapor, etc. Por ejemplo, al depositar silicio amorfo intrínseco y silicio amorfo dopado en la superficie del silicio cristalino por deposición de vapor, ya que el silicio cristalino y el silicio amorfo no pertenecen al mismo material semiconductor, el formado La unión PN se llama heterounión.

Las células de heterounión se dopan mediante deposición de vapor en lugar de difusión. Un problema provocado por esto es que la banda prohibida del silicio amorfo en la superficie frontal es pequeña, lo que da como resultado una absorción parásita óptica grave, que limita el aumento de la corriente de saturación; y la baja eficiencia de dopaje de la capa de silicio amorfo conduce a un bajo rendimiento celular. Esto ha desencadenado la aplicación y exploración de células de heterounión libres de dopaje. Se han intentado materiales de óxido de metal de transición (TMO) de tipo N como capas de transporte de huecos. Según datos relevantes de la Universidad Sun Yat-Sen, MoOx se usa en lugar de silicio amorfo dopado de tipo p en las células HJT, y la eficiencia de conversión más alta ha alcanzado el 23,5%.

2.4. Dopaje sin unión

Además de formar uniones PN, el proceso de dopaje también se utiliza para formar uniones alto-bajo. La llamada unión alta-baja se refiere al establecimiento de un gradiente de concentración de la misma impureza entre el sustrato de la batería y el electrodo inferior para preparar una unión alto-bajo P-P+ o N-N+ para formar un campo eléctrico posterior, que puede mejorar la recolección efectiva de los portadores y mejorar la eficiencia de la energía solar. La respuesta de onda larga de la batería aumenta la corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto, y esta batería se denomina "batería de campo trasero". Un caso típico es que en las celdas TOPCon, el dopaje con boro se usa en el frente para formar una unión PN en la oblea de silicio tipo N, y el polisilicio tipo N hecho de dopaje con fósforo se usa en la parte posterior para desempeñar el papel de alto y empalmes bajos. En la batería HJT,

En un sentido amplio, siempre que el campo eléctrico se establezca a través del gradiente de concentración de la misma impureza, lo que afecta la estructura de la colección de portadores, puede denominarse unión alta-baja. Como el emisor selectivo en la expansión de boro/fósforo, el campo posterior de aluminio en las celdas BSF, el campo posterior de aluminio local en las celdas PERC y la rejilla fina de pasta de plata y aluminio en la superficie frontal de las celdas TOPCon.

2.5. horno de difusión

El equipo de difusión de fósforo doméstico para el campo eléctrico PERC se ha localizado completamente y se ha desarrollado un equipo adecuado para obleas de silicio grandes y una gran capacidad de producción. Teniendo en cuenta la uniformidad del campo térmico y el campo de gas, los modos de colocación de las obleas de silicio incluyen horizontal, vertical y similar. PE tipo vertical y muchos otros modos. El equipo de difusión de boro tiene requisitos más altos que la difusión de fósforo, lo que se refleja principalmente en: uniformidad, tiempo de difusión prolongado, temperatura de difusión alta y dislocación OSF parásita de la oblea de silicio.

Problema de uniformidad: el núcleo es la uniformidad del campo de gas y el campo térmico. La colocación vertical y la colocación horizontal tienen sus propias ventajas y desventajas. La colocación vertical favorece la transferencia de radiación de calor, pero no favorece la transmisión del flujo de aire; la colocación horizontal favorece la transmisión del flujo de aire, pero protege la radiación de calor. A medida que el tamaño de las obleas de silicio se vuelve más grande y más delgado, se cuestiona la uniformidad de la colocación vertical. Por un lado, las obleas de silicio grandes conducen a una distancia de movimiento de gas más larga entre dos obleas de silicio y la resistencia aumenta; por otro lado, la curvatura de las delgadas obleas de silicio cuando se colocan verticalmente se hace más grande. El Laplace se coloca horizontalmente espalda con espalda, y el flujo de aire ingresa desde el puerto y el costado, lo que no solo aumenta la uniformidad del flujo de aire,

Por otro lado, a medida que aumenta la capacidad de producción de un solo horno, aumenta la longitud del tubo del horno, lo que genera la uniformidad del flujo de aire y el campo térmico en la zona de temperatura ultralarga. En la actualidad, la entrada de aire de varias etapas se adopta principalmente para aumentar la uniformidad del flujo de aire en el tubo del horno.