CN111510068B - 一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，包括：(1)、在电池片上直径不同的圆形点状电极周围进行开槽处理，形成内径不同的圆形凹槽结构；(2)、测试内径不同的圆形凹槽结构对应的内径；(3)、测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值；(4)、采集不同的圆形凹槽结构对应的内径数据、以及直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值数据，绘制散点图，并运用两端接触的电流传输模型对散点进行拟合，计算接触电阻率。本发明的圆形凹槽结构能够阻断电流在钝化接触结构中的横向传输，使电流的实际传输路径与理论路径更加吻合，可以显著提高拟合决定系数和测试的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法。
背景技术
钝化接触结构，如隧穿氧化层/掺杂多晶硅层、超薄本征非晶硅层/重掺杂非晶硅层，不仅具有优异的界面钝化性能，可以显著降低金属接触复合，还具有优异的接触性能，促进多数载流子的有效传输。钝化接触结构的优异性能受到研究机构及企业的广泛关注，研究机构如德国Fraunhofer、ISFH太阳能系统研究所针对隧穿氧化层/掺杂多晶硅层结构分别开发了TOPCon电池和POLO电池，企业如中来、天合等将实验室小尺寸的钝化接触电池技术转化为大面积全尺寸的量产技术。对于大面积全尺寸的量产技术而言，开发出一种简单、快捷且能准确测定钝化接触结构的接触电阻率的方法，对于钝化接触结构接触性能的优化具有重要的意义。
测试接触电阻率有两种常用的方法：线传输法(TLM)和Core Scan法。Core Scan法存在下述缺点使其无法在企业中广泛使用：1)无法得到准确的接触电阻率，只能给出接触电阻率的最大可能值；2)对样品造成不可修复的破坏，因而无法对同一电池进行重复测试和比对；3)设备价格昂贵，使用成本较高。对于只有单一导电薄层的样品，TLM法可以准确测试接触电阻率，而且具有制样简单、可重复测试等优点，因此，TLM法被光伏企业广泛用于Al-BSF、PERC、PERT等无钝化接触结构的电池。
无钝化接触结构的样品，如p-PERC电池前表面，TLM法测试接触电阻率时电流被限制在磷掺杂的发射极中传输，只有单一的传输路径，测得的为发射极与金属的接触电阻率。硅衬底上的钝化接触结构具有多个导电薄层，如晶体硅/隧穿氧化层/掺杂多晶硅层(c-Si/SiOx/Poly-Si)，采用常规的TLM法测试接触电阻率电流有多个传输路径：1.电极→重掺杂Poly-Si→电极；2.电极→重掺杂Poly-Si→SiOx→c-Si→SiOx→重掺杂Poly-Si→电极；在实际的电池工作中，c-Si中的载流子需要隧穿过SiOx层进入重掺杂Poly-Si，然后被金属电极收集，因而路径2与电池工作时载流子传输路径一致，路径1为干扰路径；如果重掺杂多晶硅层上面存在TCO层，会使得电流传输路径更加多。多条传输路径的存在会使得常规的TLM法难以准确测定钝化接触结构的接触电阻率。
为了解决常规TLM法测试钝化接触结构不准确的问题，德国ISFH研究所采用光刻掩膜+湿法刻蚀工艺，去除金属电极之间的SiOx/Poly-Si，将传输路径1消除掉，德国Fraunhofer采用反应离子刻蚀(RIE)来去除金属电极之间的SiOx/Poly-Si，达到了相同的效果。采用上述两种方法虽然可以消除多余传输路径的干扰，准确测试接触电阻率，但是光刻掩膜工艺和RIE工艺具有过程复杂、成本高昂、耗时长久且难以大批量制作样品的缺点，在企业中难以运用。鉴于此，特提出本发明，提供一种工艺过程简单、耗时短、成本低且可以适应企业大批量快速测试需求的测试方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺过程简单、耗时短和成本低、且能精确测试钝化接触结构的接触电阻率的方法。
本发明的一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其技术方案为：包括以下步骤：
(1)、在电池片上直径不同的圆形点状电极周围进行开槽处理，形成内径不同的圆形凹槽结构；其中，所述圆形凹槽结构纵向延伸至硅衬底的内部；
(2)、测试所述内径不同的圆形凹槽结构对应的内径；
(3)、测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值；
(4)、采集不同的圆形凹槽结构对应的内径数据、以及直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值数据，绘制散点图，并运用两端接触的电流传输模型对散点进行拟合，计算接触电阻率。
本发明提供的一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，还包括如下附属技术方案：
其中，在步骤(3)中，所述测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值包括：
(3.1)、将数字源表的探针一端固定接触背面金属电极，另一端接触正面圆形点状电极，并设置数字源表输出恒定电流I，测试两端的电压U；通过恒定电流I，电压U，计算圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值为：RT为U/I；
(3.2)将数字源表的探针一端移动到不同直径的正面金属电极上，采用步骤(3.1)中的方法得到其对应的总电阻值。
其中，在步骤(4)中，所述两端接触的电流传输模型的计算公式为：
其中，RT为圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值，d为圆形凹槽结构的内径，t为硅片的厚度，ρbase为硅衬底的电阻率，ρc为钝化接触结构接触电阻率，R0为背面重掺杂层与金属的接触电阻；其中，ρbase、t和R0均已知量，ρc为待求量；
若将两端接触的电流传输模型看作一个与函数，a0、b0和c0均表示已知的参数，A表示为未知的参数，则公式(1)转变为：
其中，b0＝4t，c0＝R0，/>
未知的参数A包含ρc，通过拟合求解出参数A的值，即可根据下述计算公式求出待求量ρc：
其中，在步骤(1)中，所述圆形点状电极的直径为60-1000μm，高度为10-30μm，圆形点状电极的数量为6～18个。
其中，所述圆形点状电极的直径按等差数列的形式递增。
其中，在步骤(1)中，所述圆形凹槽结构的内径为40～120μm，其与内侧圆形点状电极的距离为20～80μm；所述圆形凹槽结构的圆心与所述圆形点状电极的圆心重合。
其中，在步骤(1)之前，所述方法还包括：
(1)’、先在单晶硅衬底的前表面制备钝化接触结构，接着在硅衬底的背表面制备第一重掺杂层，然后在所述钝化接触结构上沉积覆盖层；最后在所述覆盖层上印刷直径不同的圆形点状电极，在所述第一重掺杂层上整面印刷金属电极。其中，在步骤(1)’中，所述第一重掺杂层的方阻为20～50Ω/sq，掺杂的方式为高温扩散或者离子注入法，其导电类型与单晶硅衬底相同。
其中，在步骤(1)’中，所述覆盖层为SiNx或透明导电氧化物层，其厚度为60～90nm。
其中，在步骤(1)’中，所述硅衬底的导电类型为N型或P型，其电阻率为0.3～10Ω·cm,厚度为90～300μm。
本发明的实施包括以下技术效果：
钝化接触结构，如隧穿氧化层/重掺杂多晶硅层，由于重掺杂层的存在，常规的TLM法测试钝化接触结构与硅衬底的接触电阻率会存在多个电流传输路径，其中不仅包含电池正常工作时电流传输路径，还包括由于重掺杂层的并联引起的其它传输路线，这些其它的传输线路会对TLM法测试钝化接触结构的接触电阻率产生干扰，导致测试的结果不准确，实际的接触电阻率被严重低估；此外，TLM法测试不同栅线间距的总电阻值，是在同一端测试的，电流的传输路径与电池实际工作时候的传输路径不一致。
本发明创造性地采用两端接触测试法，电流从前表面钝化接触结构纵向传输到背表面，与太阳电池正常工作时的电流传输路径一致，测试得到的接触电阻率可以更准确的表征电池在工作情况下其内部的电阻特性，更具准确性。同时，本发明在点状金属电极外侧设置圆形凹槽结构，阻断了电流在钝化接触结构中的横向传输，使电流在样品中的实际传输路径与理论路径更加吻合，可以显著提高拟合决定系数，提高测试的精确性。
本发明体现的技术优点为：
1)电流在测试结构中的传输路径与电池实际工作时路径一致，具有很好的准确性；
2)测试结构可以排除干扰路径的存在，提高了测试的精确性；
3)样品制备工艺简单，与产线工艺兼容；
4)数据采集与处理的方法简单，耗时短；
5)适合企业批量快速测试样品。
综合而言，本发明可以很好的解决常规的TLM法无法准确测试钝化接触结构的接触电阻率问题，准确性好、精确性高，可以满足企业批量快速测试样品的需求。
附图说明
图1为本发明步骤(1)’在钝化接触结构上完成金属化的结构示意图；
图2为本发明步骤(2)样品处理后的结构示意图；
图3为测试钝化接触结构接触电阻率的数据拟合示意图；
图4为测试钝化接触结构接触电阻率的数据拟合图。
图中，1-单晶硅衬底，2-隧穿氧化硅层，3-第二重掺杂层，4-第一重掺杂层，5-覆盖层，6-整面银电极，7-圆形点状电极，8-圆形凹槽结构。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到保护。
本发明的一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其技术方案为：包括以下步骤：
(1)、在电池片上直径不同的圆形点状电极周围进行开槽处理，形成内径不同的圆形凹槽结构；其中，所述圆形凹槽结构纵向延伸至硅衬底的内部；
(2)、测试所述内径不同的圆形凹槽结构对应的内径；
(3)、测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值；
(4)、采集不同的圆形凹槽结构对应的内径数据、以及直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值数据，绘制散点图，并运用两端接触的电流传输模型对散点进行拟合，计算接触电阻率。
在一个实施例中，在步骤(3)中，所述测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值包括：
(3.1)、将数字源表的探针一端固定接触背面金属电极，另一端接触正面圆形点状电极，并设置数字源表输出恒定电流I，测试两端的电压U；通过恒定电流I，电压U，计算圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值为：RT为U/I；
(3.2)将数字源表的探针一端移动到不同直径的正面金属电极上，采用步骤(3.1)中的方法得到其对应的总电阻值。
在一个实施例中，在步骤(4)中，所述两端接触的电流传输模型的计算公式为：
其中，RT为圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值，d为圆形凹槽结构的内径，t为硅片的厚度，ρbase为硅衬底的电阻率，ρc为钝化接触结构接触电阻率，R0为背面重掺杂层与金属的接触电阻；在一个实施例中，ρbase、t和R0均已知量，ρc为待求量；
若将两端接触的电流传输模型看作一个与函数，a0、b0和c0均表示已知的参数，A表示为未知的参数，则公式(1)转变为：
其中，b0＝4t，c0＝R0，/>
未知的参数A包含ρc，通过拟合求解出参数A的值，即可根据下述计算公式求出待求量ρc：
在一个实施例中，在步骤(1)中，所述圆形点状电极的直径为60-1000μm，高度为10-30μm，圆形点状电极的数量为6～18个。
在一个实施例中，所述圆形点状电极的直径按等差数列的形式递增。
在一个实施例中，在步骤(1)中，所述圆形凹槽结构的内径为40～120μm，其与内侧圆形点状电极的距离为20～80μm；所述圆形凹槽结构的圆心与所述圆形点状电极的圆心重合。
在一个实施例中，在步骤(1)之前，所述方法还包括：
(1)’、先在单晶硅衬底的前表面制备钝化接触结构，接着在硅衬底的背表面制备第一重掺杂层，然后在所述钝化接触结构上沉积覆盖层；最后在所述覆盖层上印刷直径不同的圆形点状电极，在所述第一重掺杂层上整面印刷金属电极。在一个实施例中，在步骤(1)’中，所述第一重掺杂层的方阻为20～50Ω/sq，掺杂的方式为高温扩散或者离子注入法，其导电类型与单晶硅衬底相同。
在一个实施例中，在步骤(1)’中，所述覆盖层为SiNx或透明导电氧化物层，其厚度为60～90nm。
在一个实施例中，在步骤(1)’中，所述硅衬底的导电类型为N型或P型，其电阻率为0.3～10Ω·cm,厚度为90～300μm。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明创造性地采用两端接触测试法，电流从前表面钝化接触结构纵向传输到背表面，与太阳电池正常工作时的电流传输路径一致，测试得到的接触电阻率可以更准确的表征电池在工作情况下其内部的电阻特性，更具准确性。同时，本发明在点状金属电极外侧设置圆形凹槽结构，阻断了电流在钝化接触结构中的横向传输，使电流在样品中的实际传输路径与理论路径更加吻合，可以显著提高拟合决定系数，提高测试的精确性。
下面将以具体的实施例对发明的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法进行详细地说明。
(1)’、首先将电阻率为0.3～10Ω·cm，厚度为90～160μm的N型单晶硅衬底1进行去损伤层处理并刻蚀或者抛光处理，并将N型单晶硅衬底1置于低压化学气相沉积设备中，先通过热氧化生长一层隧穿氧化硅层2，其厚度为1.0～1.5nm，然后沉积本征多晶硅层，本征多晶硅层的厚度为100～400nm，接着采用离子注入的方式对本征多晶硅层进行磷掺杂，形成第二重掺杂层3，离子注入的能量为15～20keV，注入的剂量为4.5～9.0E+15cm-2；
接着在单晶硅衬底1背表面形成第一重掺杂层4：采用相同的条件对单晶硅衬底的背面进行离子注入，并进行高温退火处理，退火的温度为850～900℃，退火的时间为15～90min，退火后第一重掺杂层4的方阻为20～50Ω/sq，第二重掺杂层——本征多晶硅层3中磷原子峰值掺杂浓度为1.0～4.0E+20cm-3；
然后在前表面钝化接触结构表面沉积覆盖层5：采用PECVD在隧穿氧化层/重掺杂多晶硅层上沉积覆盖层5，覆盖层5材料为SiNx，厚度为75～85nm；
最后在覆盖层上印刷直径不同的圆形点状电极7，在第一重掺杂层4上整面印刷金属电极；其中，圆形点状电极7的直径范围为60～500μm，圆形点状电极7的数量为9个，圆形点状电极7在覆盖层5上的位置随意排列，圆形点状电极7的直径D1～D9按等差数列呈递增的趋势均匀分布在所述的范围中。示例性的，圆形点状电极的直径D1～D9依次为60、110、160、210、260、310、360、410、460μm，圆形点状电极的高度为10～30μm；在背表面重掺杂层上整面丝网印刷银浆，形成整面银电极6，并烧结，完成金属化，其中，烧结的温度为780～850℃。完成本步骤的电池结构如图1所示。
(1)、对圆形点状电极7周围的钝化接触结构进行皮秒激光开槽处理，形成圆形凹槽结构8，圆形凹槽结构8的圆心与圆形点状电极7的圆心重合；其中，激光器的波长为532nm，频率为800～100kHZ，功率百分比为20～30％，扫描速度为1400～1600mm/s；圆形凹槽结构8的宽度为40～120μm，圆形凹槽结构8与内侧圆形点状电极7的距离为20～80μm，圆形凹槽结构8的深度大于重掺杂层与覆盖层厚度之和，优选深度为1.5～2.2μm。完成本步骤的电池结构如图2所示。
(2)、将步骤(1)处理后的硅片置于光学显微镜下，测量圆形凹槽结构8内部圆形区域的直径，圆形区域包含部分钝化接触结构及点状电极7；钝化接触结构中第二重掺杂层的导电性质类似于金属层，因此，将圆形凹槽结构内部的钝化金属接触结构看作是点状电极7的延伸，将圆形点状电极的直径D修正为圆形凹槽结构的内径d。直径为D1～D9的点状电极对应的圆形凹槽结构的内径为d1～d9，测量圆形凹槽结构的内径d1～d9依次为102、146、193、255、300、349、402、450、498μm。
(3)采用两端电极法测得不同直径圆形点状电极所对应的总电阻值；具体为：将数字源表的探针一端固定接触背面金属电极6，一端接触正面圆形点状电极7，并设置数字源表输出恒定电流I，测试两端的电压U，计算得到两端的总电阻值RT为U/I；将探针移动到不同直径的正面金属电极上，采用相同的方式得到对应的总电阻值；圆形凹槽结构8的内径为d1～d9对应的总电阻值为RT1～RT9；
(4)、将光学显微镜实测的不同直径d为横坐标，对应的不同总电阻值RT作为纵坐标，绘制散点图，运用两端接触的电流传输模型对散点进行拟合，求解得出接触电阻率，数据拟合示意图如附图3所示。
拟合的函数为：
其中，RT为圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值，d为圆形凹槽结构的内径，t为硅片的厚度，ρbase为硅衬底的电阻率，ρc为钝化接触结构接触电阻率，R0为背面重掺杂层与金属的接触电阻；其中，ρbase、t和R0均已知量，ρc为待求量；
其中，为电流在晶体硅衬底中传输时由于横向扩散引起的电阻，/>为前表面钝化接触结构的接触电阻率引起的电阻，R0为背表面重掺杂层与金属电极的接触电阻率引起的电阻。
若将两端接触的电流传输模型看作一个与函数，a0、b0和c0均表示已知的参数，A表示为未知的参数，则公式(1)转变为：
其中，b0＝4t，c0＝R0，/>
未知的参数A包含ρc，通过拟合求解出参数A的值，即可根据下述计算公式求出待求量ρc：
图4为测试钝化接触结构接触电阻率的数据拟合图。假设硅衬底的厚度t为160μm，电阻率ρbase为1.0Ω·cm；前期实验测得背面重掺杂层与金属的接触电阻R0为0.4Ω，则根据：
b0＝4t＝0.64＝0.64，c0＝R0＝0.4；可得
将圆形槽装结构的直径d1～d9作为X轴，X轴数据单位由μm换算成mm，两端接触结构测试到的总电阻值RT1～RT9作为Y轴，Y轴单位为Ω，绘制散点图，如附图4中空心圆圈(○)所示；然后按照上述方程式去拟合散点，拟合的曲线如附图4中虚线所示，通过拟合求解出参数A的值为0.97702±0.02985Ω·cm2，拟合决定系数R^2达到99.37％，远大于95％，说明电流在样品中实际的传输路径与理论路径相吻合，接触电阻率ρc为：
因此，可以得到本实施例中钝化接触结构的接触电阻率的值为7.67±0.23mΩ·cm2。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、在电池片上直径不同的圆形点状电极周围进行开槽处理，形成内径不同的圆形凹槽结构；其中，所述圆形凹槽结构纵向延伸至硅衬底的内部；
(2)、测试所述内径不同的圆形凹槽结构对应的内径；
(3)、测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值；
(4)、采集不同的圆形凹槽结构对应的内径数据、以及直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值数据，绘制散点图，并运用两端接触的电流传输模型对散点进行拟合，计算接触电阻率；
在步骤(1)之前，所述方法还包括：(1)’、先在单晶硅衬底的前表面制备钝化接触结构，接着在硅衬底的背表面制备第一重掺杂层，然后在所述钝化接触结构上沉积覆盖层；最后在所述覆盖层上印刷直径不同的圆形点状电极，在所述第一重掺杂层上整面印刷金属电极。
2.根据权利要求1所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述测试直径不同的圆形点状电极与背面金属电极之间对应的总电阻值包括：
(3.1)、将数字源表的探针一端固定接触背面金属电极，另一端接触正面圆形点状电极，并设置数字源表输出恒定电流I，测试两端的电压U；通过恒定电流I，电压U，计算圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值为：RT为U/I；
(3.2)将数字源表的探针一端移动到不同直径的正面金属电极上，采用步骤(3.1)中的方法得到其对应的总电阻值。
3.根据权利要求1所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述两端接触的电流传输模型的计算公式为：
其中，RT为圆形点状电极与背面金属电极之间的总电阻值，d为圆形凹槽结构的内径，t为硅片的厚度，ρbase为硅衬底的电阻率，ρc为钝化接触结构接触电阻率，R0为背面重掺杂层与金属的接触电阻；其中，ρbase、t和R0均已知量，ρc为待求量；
若将两端接触的电流传输模型看作一个与函数，a0、b0和c0均表示已知的参数，A表示为未知的参数，则公式(1)转变为：
未知的参数A包含ρc，通过拟合求解出参数A的值，即可根据下述计算公式求出待求量ρc：
4.根据权利要求1-3任一项所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述圆形点状电极的直径为60-1000μm，高度为10-30μm，圆形点状电极的数量为6～18个。
5.根据权利要求4所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，所述圆形点状电极的直径按等差数列的形式递增。
6.根据权利要求1-3任一项所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述圆形凹槽结构的内径为40～120μm，其与内侧圆形点状电极的距离为20～80μm；所述圆形凹槽结构的圆心与所述圆形点状电极的圆心重合。
7.根据权利要求1所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(1)’中，所述第一重掺杂层的方阻为20～50Ω/sq，掺杂的方式为高温扩散或者离子注入法，其导电类型与单晶硅衬底相同。
8.根据权利要求1所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(1)’中，所述覆盖层为SiNx或透明导电氧化物层，其厚度为60～90nm。
9.根据权利要求1所述的测试钝化接触结构的接触电阻率的方法，其特征在于，在步骤(1)’中，所述硅衬底的导电类型为N型或P型，其电阻率为0.3～10Ω·cm，厚度为90～300μm。
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