SiNx बहुत पतला और सिल्वर पेस्ट पॉली लेयर को भेद देता है, बहुत मोटा और संपर्क प्रतिरोध 600x बढ़ जाता है: ISFH ने एक समाधान बताया
उत्पाद परिचय
TOPCon प्रक्रिया लाइन चलाने वाले किसी भी व्यक्ति ने इस दुविधा का सामना किया है। SiNx को बहुत पतला कोट करें और आप चिंता करते हैं कि सिल्वर पेस्ट पैसिवेशन लेयर को जला देगा, जिससे Voc कम हो जाएगा। इसे बहुत मोटा कोट करें और संपर्क प्रतिरोध बढ़ जाता है, और FF टिक नहीं पाता। पतला आपको डराता है, मोटा भी डराता है — तो "सही" कितना मोटा है?
2022 में, ISFH (जर्मनी के हैमेलिन में सौर ऊर्जा अनुसंधान संस्थान) में मिन ब्युंगसुल की टीम ने AIP सम्मेलन कार्यवाही में एक अध्ययन प्रकाशित किया जिसने इस समस्या को अलग किया। उन्होंने उपयोग किया POLO पैसिवेटिंग संपर्क — उद्योग में TOPCon कहा जाने वाला शैक्षणिक नाम, मूल रूप से एक अल्ट्रा-पतली ऑक्साइड प्लस डोप्ड पॉलीसिलिकॉन पॉली-Si/SiOx संरचना — यह अलग करने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा है।
मुख्य निष्कर्ष जटिल नहीं है: SiNx मोटाई और फायरिंग तापमान एक मेल खोलने वाली जोड़ी हैं। मोटाई बदलें और आपको तापमान समायोजित करना होगा। एक को बिना दूसरे को हिलाए बदलें और या तो Voc गिर जाता है या FF ढह जाता है।
तकनीकी पैरामीटर
प्रयोग कैसे स्थापित किया गया था
ISFH ने उपयोग किया p-प्रकार CZ वेफर्स, जिसमें एक n⁺ POLO संपर्क सेल के पीछे (टनल ऑक्साइड प्लस फॉस्फोरस-डोप्ड पॉलीसिलिकॉन) पर।
दो प्रमुख चर:
पीछे की SiNx कैपिंग मोटाई — 40nm से 80nm तक
पीक फायरिंग तापमान — 790°C और 810°C के बीच समायोजित
फिर उन्होंने दो चीजें मापीं: संपर्क प्रतिरोधकता ρc (TLM द्वारा) और सेल IV पैरामीटर.
पहले हमने 2016 JA Solar के एक पेपर को देखा था कि कैसे रासायनिक संरचना (Si/N अनुपात) सामने की ओर SiNx एंटी-रिफ्लेक्शन फिल्म सिल्वर पेस्ट संपर्क को प्रभावित करती है। यह 2022 ISFH का कार्य इस बारे में है कि कैसे भौतिक मोटाई पीछे की ओर SiNx कैपिंग सिल्वर पेस्ट संपर्क को प्रभावित करती है। दोनों को एक साथ रखने पर आप दोनों आयामों — "रासायनिक संरचना" और "भौतिक मोटाई," सामने की फिल्म और पीछे की फिल्म को कवर करते हैं।
सभी नमूने 800°C पर फायर किए गए, केवल पीछे की SiNx मोटाई भिन्न थी
| SiNx मोटाई | माध्य ρc (800°C) | स्थिति |
|---|---|---|
| 40nm | ~1 mΩ·cm² | बहुत कम |
| 50nm | ~1.5 mΩ·cm² | बढ़ना शुरू |
| 60nm | ~7 mΩ·cm² | स्पष्ट रूप से बढ़ रहा है |
| 70nm | ~30-40 mΩ·cm² | संक्रमण क्षेत्र, तीव्र चढ़ाई |
| 80nm | ~600 mΩ·cm² | 40nm से लगभग 600 गुना अधिक |
55nm और 60nm नमूनों पर फायरिंग तापमान स्कैन
| शर्त | माध्य 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 |
तकनीकी लाभ
पहला निष्कर्ष: बहुत मोटा होने पर पेस्ट फायर थ्रू नहीं कर सकता
सभी नमूने 800°C पीक पर फायर किए गए, केवल पीछे की SiNx कैपिंग मोटाई बदली गई। ऊपर दी गई तालिका से पैटर्न स्पष्ट है — फायरिंग के दौरान पेस्ट जितनी SiNx जला सकता है वह सीमित है। उस सीमा को पार करने पर पेस्ट नीचे पॉलीसिलिकॉन तक कभी नहीं पहुंचता, इसलिए संपर्क प्रतिरोध बढ़ जाता है।
SEM छवियां प्रत्यक्ष प्रमाण देती हैं:
40nm SiNx: पेस्ट पूरी तरह से SiNx और पॉलीसिलिकॉन दोनों को जला कर पार कर गया, जिससे बहुत सारे माइक्रोन-स्केल एच पिट्स पॉली पर। पॉलीसिलिकॉन स्थानीय रूप से पूरी तरह से हटा दिया गया — अच्छा संपर्क, लेकिन पैसिवेशन परत क्षतिग्रस्त हो गई।
80nm SiNx: केवल बहुत कम संख्या में बहुत छोटे एच पिट्स, कोई क्षेत्र नहीं जहां पॉली पूरी तरह से हटा दिया गया हो — पैसिवेशन बरकरार रहा, लेकिन संपर्क प्रतिरोध लगभग 600 गुना अधिक (लगभग 2.8 ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड) था, और FF मूलतः बर्बाद हो गया।
ISFH का निष्कर्ष स्पष्ट है: एक इष्टतम SiNx विंडो है — 50 और 60nm के बीच। बहुत पतला, पेस्ट पैसिवेशन को भेद देता है और Voc गिर जाता है। बहुत मोटा, पेस्ट भेद नहीं पाता और संपर्क प्रतिरोध बढ़ जाता है।
दूसरा निष्कर्ष: मोटाई और तापमान जुड़े हुए हैं
ISFH ने केवल "50-60nm सबसे अच्छा है" पर नहीं रुका। उन्होंने एक अधिक व्यावहारिक कारखाना-स्तरीय प्रश्न पूछा: यदि SiNx की मोटाई बदलती है, तो क्या फायरिंग तापमान भी बदलना चाहिए?
उन्होंने 55nm और 60nm समूह चुने और 790°C से 810°C.
तक तापमान स्कैन चलाया। परिणाम बहुत साफ है:
55nm SiNx: FF चरम पर है 800°Cपर, सबसे अच्छी दक्षता वहाँ। कम जाएं तो संपर्क पर्याप्त नहीं है; अधिक जाएं तो पैसिवेशन खराब होने लगता है।
60nm SiNx: FF चरम पर है 805-810°Cपर। क्योंकि SiNx मोटा है, इसे पेस्ट को भेदने के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता होती है।
सरल शब्दों में: इन परीक्षण स्थितियों के तहत, 55nm से 60nm पर जाने से इष्टतम फायरिंग तापमान लगभग 5-10°C बढ़ जाता है। यह ढलान केवल उसी पेस्ट सिस्टम के लिए संदर्भ है — पेस्ट बदलें तो पुन: अंशांकन की आवश्यकता है।
संपर्क प्रतिरोधकता डेटा भी इसका समर्थन करता है: उच्च तापमान, बेहतर संपर्क — जब तक आप उस रेखा को पार नहीं करते जहां आप पैसिवेशन को जलाने लगते हैं।
तंत्र: एच पिट का आकार कुंजी है
ISFH ने SEM का उपयोग करके एक बहुत स्पष्ट मानदंड रखा:
1μm व्यास से बड़े पिट्स: पॉली पूरी तरह से हटा दिया गया, पैसिवेशन क्षतिग्रस्त → Voc गिरता है
1μm व्यास से छोटे पिट्स: पॉली पूरी तरह से नहीं हटा, पैसिवेशन बरकरार → संपर्क प्रतिरोध गिरता है, Voc अपरिवर्तित
ISFH ने सीधे कहा: "अच्छा संपर्क बनाने के लिए एक निश्चित संख्या में छोटे आकार के एच पिट्स आवश्यक हैं। 1μm से कम व्यास वाले एच पिट्स का पैसिवेशन गुणवत्ता पर कोई प्रभाव नहीं दिखता।"
लाइन मानदंड: एच पिट्स कम बेहतर नहीं हैं, और अधिक बेहतर नहीं हैं — लक्ष्य है छोटा आकार, मध्यम वितरण. यदि आप माइक्रोस्कोप के नीचे बहुत सारे >1μm पिट्स देखते हैं, तो तापमान बहुत अधिक है या SiNx बहुत पतला है, और पैसिवेशन पहले से ही क्षतिग्रस्त हो रहा है।
उत्पाद अनुप्रयोग
एक उत्पादन लाइन वास्तव में क्या उपयोग कर सकती है?
1. SiNx मोटाई पतली बेहतर नहीं है, और मोटी बेहतर नहीं है। 40nm से नीचे, पेस्ट पैसिवेशन के माध्यम से जल जाता है और Voc गड्ढा हो जाता है; 80nm से ऊपर, पेस्ट फायर नहीं कर पाता और संपर्क प्रतिरोध लगभग 600 गुना बढ़ जाता है।
2. मोटाई और तापमान जोड़े में हैं। SiNx मोटाई बदलें और फायरिंग तापमान को उसका अनुसरण करना होगा। ISFH का डेटा एक संदर्भ देता है — इन शर्तों के तहत, SiNx के प्रत्येक अतिरिक्त 5nm के लिए, शिखर तापमान लगभग 5-10°C ऊपर जाता है — लेकिन पेस्ट बदलने के बाद पुन: अंशांकन करें।
3. एच पिट्स एक "विंडो" संकेतक हैं। पिट्स के आकार और घनत्व को SEM द्वारा देखें और आप निर्णय कर सकते हैं कि आपका वर्तमान मोटाई-तापमान संयोजन विंडो के अंदर है या नहीं। बहुत सारे >1μm पिट्स → बहुत गर्म या फिल्म बहुत पतली; लगभग कोई पिट्स नहीं → बहुत ठंडा या फिल्म बहुत मोटी, संपर्क समस्या हो सकती है।
4. बैक-फिल्म मोटाई कॉस्मेटिक उपज और पेस्ट चयन को भी नियंत्रित करती है। ऊपर के तीन बिंदु सभी इस बारे में हैं कि मोटाई पेस्ट के फायरिंग के माध्यम से संपर्क प्रतिरोध और FF को कैसे प्रभावित करती है। लेकिन लाइन पर, रियर SiNx मोटाई विद्युत प्रदर्शन से कहीं अधिक नियंत्रित करती है।
वास्तविक बड़े पैमाने पर उत्पादन में, रियर SiNx आमतौर पर 70-85nm रेंज में नियंत्रित होता है — ISFH पेपर में 50-60nm "संपर्क इष्टतम" से अधिक मोटा। इसका कारण सरल है: पेपर ने अपनी विशिष्ट POLO संरचना और एक विशेष पेस्ट के लिए शुद्ध संपर्क इष्टतम मापा, जबकि एक उत्पादन लाइन को एक साथ पैसिवेशन, संपर्क और रंग एकरूपता को संतुलित करना होता है, और एक मोटी, अधिक स्थिर रेंज चुनता है। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि वाणिज्यिक लाइन पेस्ट ISFH के लैब पेस्ट से भिन्न ग्लास-फ्रिट प्रणाली का उपयोग करते हैं, इसलिए SiNx मोटाई विंडो जिसे जलाया जा सकता है, वह भी भिन्न होती है।
मोटाई बदलने से अपवर्तनांक बदलता है, और फिल्म का हस्तक्षेप रंग भी बदलता है। बहुत पतली या बहुत मोटी होने पर वेफर्स दिखाते हैं रंग भिन्नता, ऑफ-रंग और इसी तरह के कॉस्मेटिक डाउनग्रेड जो सीधे कॉस्मेटिक उपज को कम करते हैं। यह बदले में पेस्ट निर्माता पर एक कठोर आवश्यकता डालता है: पेस्ट को बैक-फिल्म प्रक्रिया विंडो से मेल खाना चाहिए, न कि बैक फिल्म को किसी विशेष पेस्ट को समायोजित करने के लिए मजबूर करना। मोटाई और तापमान का मिलान होना चाहिए, और पेस्ट और फिल्म की मोटाई का भी मिलान होना चाहिए — लाइन एक प्रणाली है, एकल-बिंदु समायोजन नहीं।
तीन बातें जो पेपर ने नहीं कहीं
POLO और TOPCon के बीच संबंध। ISFH द्वारा उपयोग किया गया POLO संपर्क मूलतः अल्ट्रा-थिन ऑक्साइड प्लस डोप्ड पॉलीसिलिकॉन (पॉली-Si/SiOx) है, जो मूलतः आज की TOPCon पिछली संरचना के समान है, इसलिए निष्कर्ष सीधे स्थानांतरित होते हैं। POLO ISFH द्वारा प्रस्तावित अकादमिक नाम है; TOPCon उद्योग-मानक शब्द है; मूलतः एक ही संरचना।
पेस्ट मॉडल प्रवेश गहराई को प्रभावित करता है। विभिन्न पेस्टों में अलग-अलग ग्लास-फ्रिट संरचना होती है और वे विभिन्न SiNx मोटाई को जला सकते हैं। ISFH का 50-60nm एक विशिष्ट पेस्ट पर आधारित है — पेस्ट बदलने पर पुन: अंशांकन की आवश्यकता हो सकती है।
दीर्घकालिक विश्वसनीयता शामिल नहीं है। क्या छोटे एच पिट 25 वर्षों के बाहरी उम्र बढ़ने में बड़े हो जाएंगे? क्या नम गर्मी के तहत इंटरफ़ेस और खराब होगा? पेपर इसका उत्तर नहीं देता।
इसे JA Solar 2016 के साथ पढ़ना
| आयाम | JA Solar 2016 | ISFH 2022 |
|---|---|---|
| अनुप्रयोग | सामने SiNx विरोधी-परावर्तन फिल्म (ARC) | पीछे SiNx कैपिंग परत |
| फोकस | SiNx की रासायनिक संरचना (Si/N अनुपात) | SiNx की भौतिक मोटाई |
| मुख्य चर | SiH₄/NH₃ गैस अनुपात | SiNx मोटाई + फायरिंग तापमान |
| विफलता मोड | गलत Si/N अनुपात → फ्रिट चिपचिपापन असंतुलन → उच्च संपर्क प्रतिरोध | गलत मोटाई → जल जाना या जलने में विफल |
| दिशा ठीक करें | गैस अनुपात को इष्टतम विंडो में ट्यून करें | जोड़ी मोटाई और तापमान |
| साझा तंत्र | Frit-SiNx प्रतिक्रिया गतिकी संपर्क गुणवत्ता तय करती है | Frit-SiNx प्रवेश गहराई संपर्क गुणवत्ता तय करती है |
दोनों पेपरों को साथ रखने पर फ्रंट-फिल्म और बैक-फिल्म प्रक्रिया की पूरी तस्वीर मिलती है: रासायनिक संरचना तय करती है कि आप अच्छी तरह संपर्क कर सकते हैं या नहीं, भौतिक मोटाई तय करती है कि संपर्क करते समय नीचे की चीज़ को नुकसान होता है या नहीं।
कोटिंग के Si/N अनुपात को बदलें और Rs में स्पाइक आएगा, FF गिरेगा, दक्षता चरमरा जाएगी
लाइन के लिए एक अनुस्मारक: दक्षता हानि की खोज में केवल पॉली पर ध्यान न दें
दोनों पेपरों के साथ, अपनी लाइन पर वापस आते हैं। दक्षता हानि का पीछा करते समय, एक इंजीनियर की प्रतिक्रिया पहले रियर पॉली मोटाई, डोपिंग स्तर, टनल ऑक्साइड मोटाई की जांच करना होता है — FF और Voc पर इनका प्रभाव अच्छी तरह से समझा जाता है और ये मानक जांच आइटम हैं। लेकिन रियर SiNx कैपिंग लेयर को अक्सर "पैसिवेशन/कॉस्मेटिक लेयर" के रूप में खारिज कर दिया जाता है, और बहुत कम लोग इसे संपर्क प्रतिरोध के संदर्भ में सोचते हैं।
ISFH पेपर का मूल्य ठीक यही है कि यह इस अनदेखे चर को वापस टेबल पर लाता है: गलत बैक-फिल्म मोटाई, पेस्ट फायर थ्रू नहीं करता या जल जाता है, और FF उसी तरह गिर जाता है। अगली बार जब आप "पॉली पैरामीटर अछूते, फिर भी FF रहस्यमय तरीके से गिर गया" की स्थिति में आएं, तो केवल पॉली के चक्कर न लगाएं — वापस जाएं और जांचें कि बैक-फिल्म मोटाई और फायरिंग तापमान अभी भी मेल खाते हैं या नहीं।
ध्यान देने योग्य: ISFH का प्रयोग पारंपरिक फायरिंग पर आधारित है। लाइनों पर अब व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली LECO तकनीक बाद के लेजर/करंट चरण के माध्यम से संपर्क को अनुकूलित कर सकती है, जो कुछ हद तक फायरिंग-तापमान-मोटाई जोड़ी के प्रति संवेदनशीलता को कम करती है — लेकिन बैक-फिल्म मोटाई अभी भी आधार विंडो है और इसे नजरअंदाज नहीं किया जा सकता।
Ooitech का दृष्टिकोण
हम हर TOPCon लाइन पर यही देखते हैं जिसे हम कमीशन करते हैं — रियर SiNx कैपिंग को केवल एक रंग फिल्म के रूप में माना जाता है, और फिर FF चुपचाप फिसल जाता है जबकि कोई मोटाई-तापमान जोड़ी की जांच नहीं करता। ISFH डेटा उस बात से मेल खाता है जो लोगों को LECO की ओर धकेलता है, क्योंकि फायरिंग चरण से संपर्क गठन को अलग करना वास्तविक मार्जिन खरीदता है जब आपके पेस्ट की फ्रिट रसायन और आपकी बैक-फिल्म विंडो पूरी तरह से सहमत नहीं होते। यदि आप देखना चाहते हैं कि ये चरण एक वास्तविक मॉड्यूल लाइन पर कैसे काम करते हैं — कोटिंग, फायरिंग, स्ट्रिंगिंग और सब — Ooitech YouTube चैनल पर www.youtube.com/ooitech अनुसरण करने योग्य है। और ध्यान रखें यह एक सेल-स्तरीय अध्ययन है; मॉड्यूल लाइन इन कोशिकाओं को प्राप्त करती है लेकिन संपर्क का भाग्य पहले से ही ऊपर की ओर तय हो चुका है।
संदर्भ
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)
