TOPCon'da Lazer Kesim Kenarları: Kesiti Pasifleştirme

Hızlı yanıt: Bir hücreyi çeyreklere kesmek onu bir lazer kanalı boyunca böler ve bu kanal her iki duvarda çıplak silisyum bırakır. Yayımlanan yaklaşım, duvar üzerinde ince bir tünel oksit büyütmek, üzerine n⁺ katkılı poli-Si biriktirmek ve poli-Si'yi AlOₓ ile kaplamaktır; böylece kesim yüzeyi bir rekombinasyon merkezi yerine seçici bir kontak gibi davranır. Eklenen her adım düşük sıcaklıktadır ve bu, onu hâlihazırda LPCVD çalıştıran bir hat için ilginç kılan şeydir.

Dört kesimli ve çok kesimli hücreler artık olağan üretimdir ve bunun nedeni aritmetiktir: bir hücreyi dörde bölmek her şeridin taşıdığı akımı düşürür, parmaklar boyunca yolu kısaltır ve ara bağlantıdaki direnç kaybını azaltır. Kazanç gerçektir ve bu yüzden dört kesimli TOPCon hücreleri kimse maliyet hakkında tartışmaya başlamadan önce varsayılan hâle geldi.

Maliyet kesimin kendisindedir. Bir lazer kanalı çeyrekleri ayırır ve açtığı duvar, üzerinde hiç pasivasyon katmanı bulunmamış silisyumdur. Buradaki yüzey durumları bant aralığının ortasında yer alır ve duvara ulaşan taşıyıcılar rekombine olur. Bu bir gerilim kaybıdır, gölgeleme kaybı değildir ve kesim adımından önce alınan hiçbir ölçümde görünmez.

Aşağıda açıklanan yaklaşım, bu duvarı en aza indirilmesi gereken bir hasar olarak ele almayı bırakır ve kaplanacak bir yüzey olarak ele alır. Bu, TOPCon'un zaten gofret yüzeyinde kullandığı seçici kontak fikrinin, kesimin birkaç proses adımı önce oluşturduğu bir yüzeye uygulanmış hâlidir.

Kesim kenarı bir yüzeydir ve hücredeki en kötü yüzeydir

Bitmiş bir modüldeki diğer tüm silisyum yüzeyleri tam pasivasyon dizisinden geçmiştir: dokulandırma, temizleme, bir dielektrik yığın, bazen altında katkılı bir katman. Kanal duvarı bunların hiçbirini almaz. Ön jonksiyon oluşturulduktan ve arka yığın biriktirildikten sonra oluşturulur, dolayısıyla lazerin geride bıraktığı şey ham malzemedir.

Bu tür bir yüzey için genellikle belirtilen sayılar cesaret kırıcıdır. Bu makalenin dayandığı kaynakta kesim sonrası durum için bildirilen arayüz durum yoğunlukları yaklaşık 1 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ ve 500 cm/s'nin üzerinde bir yüzey rekombinasyon hızıdır. Tek haneli cm/s ile ölçülen pasifize bir yüzeye karşı, işlem görmemiş bir kesim kenarı yaklaşık iki büyüklük mertebesi daha hızlı rekombine olur.

Bunu önemli kılan alan değildir. Bir çapraz kanal 30 µm genişliğinde ve yaklaşık 1,5 µm derinliğindedir ve bir M10 hücresini dörde kesmek, 33.000 mm² gofret yüzeyine karşı yaklaşık bir milimetrekare duvar açar. Daha ziyade, kesimin bir difüzyon uzunluğu içinde üretilen taşıyıcıların ona ulaşabilmesi ve duvarın hücrenin tüm uzunluğu boyunca her iki yönde uzanmasıdır. Kaybın ölçeklendiği şey hat uzunluğudur ve çapraz desen her çeyreğin ortasından uzun bir hat geçirir.

Bu aynı zamanda kaybın neden bir gerilim sorunu gibi davrandığını da açıklar. Kenardaki rekombinasyon taşıyıcıları yığından uzaklaştırır ve açık devre gerilimi hücre genelindeki toplam rekombinasyon hızına tepki verir. Dolum faktörü de hareket eder. Gölgeleme akımda görünürdü; bu ise Voc ve FF'de görünür ki bu, bir kesim prosesi nitelendirilirken bakılacak daha az belirgin bir yerdir.

Kaplamanın gerçekte ne olduğu

Yayımlanan yapı, kesim duvarına belirli bir sırayla üç katman koyar. Silisyumdan dışa doğru okunduğunda: taşıyıcıların içinden tünelle geçebileceği çok ince bir silisyum oksit, onları uzaklaştıran ağır katkılı bir polisilisyum katmanı ve arayüzün kimyasal pasivasyonunu tamamlayan bir alüminyum oksit kapak.

Bu yaklaşımı basitçe bir oksidi yeniden büyütmekten ayıran iki ayrıntı vardır. Birincisi, yığın yalnızca bir dielektrik değildir; katkılı bir yarı iletken içerir, dolayısıyla iletebilir de. Saf bir oksit duvarı pasifize eder ve onu elektriksel olarak ölü bırakırdı ki bu, hiçbir şey toplamayan bir yüzey için sorun değildir, ancak buradaki duvar ikisi de akım taşıması gereken iki çeyrek hücre arasında yer alır. İkincisi, kalınlıklar düz bir gofrette olmadığı şekilde önemlidir. Poli-Si, yuvarlatılmış tabanlı 1,5 µm derinliğinde bir kanal üzerinde sürekli kalacak kadar kalın olmalıdır. Aynı zamanda kendi geriliminin onu çatlatmayacağı veya duvardan soymayacağı kadar ince olmalıdır.

Kaynak, yapı açıklamasında poli-Si için 120 nm ve proses dizisinde 80 nm verir ve 80 nm'nin alan pasivasyon etkisi için yeterli olduğunu belirtir. Bu farkı düzeltmek yerine not etmeye değer: bu, katman kalınlığının sabit bir hedef değil, proses penceresi içinde ayarlanabilir bir değer olduğunu ve her iki değerin de yazarların uygulanabilir saydığı aralıkta olduğunu gösterir.

İnce bir oksit ve katkılı bir katman taşıyıcıları neden filtreler

Mekanizma kimyadan ziyade bant mühendisliğidir ve TOPCon'u başlangıçta rekabetçi kılan da aynı mekanizmadır. Çıplak duvarda arayüz durumları bant aralığı boyunca dağılmıştır. Bu durumlardan birine ulaşan bir elektronun oturacak bir yeri vardır ve aynı duruma gelen bir delik devreyi kapatır: ikisi rekombine olur ve çift kaybolur.

Oksit ve katkılanmış poli-Si yerleştirildikten sonra, arayüzdeki bant yapısı artık düz değildir. İnce oksit, silikon ile katkılanmış katman arasındaki doğrudan yolu engellerken elektronların içinden tünellemesine izin verecek kadar ince kalır. Katkılanmış katmandaki yük, arayüzün hemen altındaki silikondaki bantları büker ve asimetriyi yaratan da budur: bir taşıyıcı türü düşük bir bariyer görür ve geçer, diğeri yüksek bir bariyer görür ve geri döner.

Bildirilen sonuç, kesim kenarındaki yüzey rekombinasyon hızının yaklaşık 500 cm/s'den 10 cm/s'nin altına düşmesidir; bu da yaklaşık %98'lik bir değişimdir. Bu büyük bir sayıdır ve basit bir nedenden dolayı büyüktür: başlangıç noktası, mevcut en kötü duruma yakın olan pasifleştirilmemiş bir yüzeydir. Pasifleştirilmiş bir yüzeyi aynı oranda iyileştirmek mümkün olmazdı.

Kaplamanın ne yapmadığı konusunda kesin olmakta fayda var. Oyuğu kaldırmaz, lazerin aşındırdığı silikonu geri getirmez ve duvarı optik olarak kullanışlı hale getirmez. Çeyrek hâlâ daha dardır. İddia bundan daha dardır: kesim yüzü, taşıyıcıların öldüğü bir yer olarak davranmayı bırakır ve toplanabildikleri bir yer olarak davranmaya başlar.

Proses adımlarının nereye oturduğu

Bu yapıyla birlikte yayımlanan yol, tek bir ekleme içeren normal bir TOPCon dizisidir: lazer çapraz oyuğu kestikten sonra, hücre düzeyindeki pasifleştirme yığını biriktirilmeden önce duvar oksitlenir ve yeniden katkılanır. Diğer her şey olduğu yerde kalır.

TMAH yuvarlatma ve kristallik kontrolü, bunu laboratuvar gösteriminden ziyade bir üretim yolu gibi gösteren iki ayrıntıdır. 1,5 µm'lik bir oyuğun bir köşesi vardır ve köşeler, biriktirilen filmlerin inceldiği ve gerilimin yoğunlaştığı yerlerdir. Köşeyi iki saniye yuvarlatmak neredeyse hiçbir maliyet getirmez ve aksi takdirde daha sonra termal döngüde veya elleçlemede ortaya çıkacak bir arıza sınıfını ortadan kaldırır.

Bir hat için ilginç olan kısım, eklenen adımların hiçbirinin yeni bir ekipman gerektirmemesidir. Oksidasyon, biriktirme ve tavlama, bir TOPCon hattının hâlihazırda sahip olduğu LPCVD kapasitesine sığar ve eklenen iki adım düşük sıcaklıktadır, dolayısıyla bitmiş hücrenin termal bütçesi bozulmaz. Kaynak, hat takt kaybının %3'ün altında olduğunu bildiriyor; yeni bir adım önerildiğinde ilk kontrol edilmesi gereken sayı budur: verimliliği yarım puan artırıp verimi %10 azaltan bir adım, %3'e mal olan bir adımdan farklı bir öneridir.

Dizinin arka ucu da değişir ve bu kaplama yüzünden değildir. 12BB düzenini koruyan dört kesimli bir hücre, çeyrek hücrelerden dizilmek zorundadır ve kesim kenarı artık dizici ekipmanın elleçlediği bir yüzeydir. Yerleştirme toleransı, şeridin bağlantı noktasında uyguladığı kuvvet ve hücrenin lehimleme sırasında gördüğü ısı miktarı, kenarından 30 µm'lik bir oyuk geçen bir parça üzerinde etkilidir. ince tel tabbing ve dizme ekipmanının ve bara adımının hücre tasarımıyla buluştuğu yer burasıdır ve akışın kaplamanın ele almadığı kısmı da burasıdır.

Bildirilen karşılaştırmanın gösterdiği

Kaynak, standart bir dört kesimli hücre ile aynı hücrenin kaplanmış kenarlı hâli için önce-sonra karşılaştırması yayımlıyor. Aşağıdaki tablo bunu yeniden üretmektedir. Bunlar, yol ile birlikte yayımlanan sayılardır; tek bir kaynaktan gelirler ve bunları bağımsız olarak doğrulamadık.

Tek tek değerler yerine desene bakın. Gerilim kazancı akım kazancından daha büyüktür; mekanizmanın öngördüğü de budur: bir yüzeydeki rekombinasyon önce gerilime mal olur. Dolgu faktörü, elektronik olarak ölü olan alan oranındaki küçük bir azalmayla tutarlı olarak hafifçe hareket eder. Verimlilik gerilimi izler ve 0,5 puan mutlak, manşet iddiadır.

Çift yüzlülük rakamı, geri kalanından daha fazla dikkat gerektirir. %85'ten %90'a çıkmak, hücrenin arka alanının küçük bir kısmı olan bir yüzeydeki değişiklikten kaynaklanan beş puanlık bir sıçramadır ve kaynak mekanizmayı açıklamamaktadır. Kesim kenarı daha önce arkada yerel bir şönt yolu idiyse bu gerçek olabilir, ancak tek bir küçük numunenin üretebileceği türden bir sayıdır da. Tablodaki en az desteklenen satır olarak ele alın.

Henüz netleşmeyenler

Yayımlanan vakada dört şey eksik ve dördü de bir hattın taahhüt vermesinden önce önemlidir.

• Kaplanmış kenar üzerine güvenilirlik verileri. Bir oluk duvarı üzerindeki 1 nm oksit ve 10 nm alüminyum oksit kapak, hücrenin geri kalanıyla aynı nemli ısı, termal döngü ve mekanik yüke maruz kalır. Kesilmiş bir kenar aynı zamanda termal döngü altında gerilme yükselticidir, çünkü iki çeyrek hücre bir oluğa karşı genleşir. Bunların hiçbiri karşılaştırma tablosunda görünmez.
• Kalınlık sorusu. Kaynak, aynı yapı için iki farklı poli-Si kalınlığı veriyor. Bu bir çelişki değil, ancak optimumun sabitlenmediği anlamına geliyor ve kalınlık gerilmeyi, biriktirme süresini ve tact değerini birlikte etkiliyor.
• Bağımsız tekrar. Verim kazancı tek bir bildirilen veri setinden geliyor. 0,5 puanlık mutlak bir kazanç, peşinden koşmaya değecek kadar büyük ve farklı bir hatta, farklı bir pasta ve şerit kombinasyonunda iki kez kontrol etmeye değecek kadar büyüktür.
• Hücrenin geri kalanıyla etkileşim. Oluk duvarına katkılı bir katman eklemek, o duvarın iki çeyrek arasında elektriksel olarak ne yaptığını değiştirir. Arka metalizasyon deseniyle ve çeyrek hücrelerin şeritle bağlanmasıyla nasıl etkileştiği bir kaplama sorusu değil, bir sistem sorusudur.

Aynı yönde daha geniş bir nokta var. Bir hücreyi kesmek, yalnızca ara bağlantı kazancının gücüyle kabul edilmiş bir takastır. dört kesim çerçevesi kesimi verili kabul eder ve çoklu kesim analizi daha küçük hücrenin gölgelenmeye ve modül yerleşimine ne yaptığına bakar. Kesim kenarı üzerindeki çalışma, bu takasın maliyet tarafına saldırır ve eğer dayanırsa, yalnızca mevcut olanı iyileştirmekle kalmaz, optimum kesim sayısını değiştirir.

Bunu kesim tartışmasının geri kalanına karşı nasıl okumalı

Dört kesimli hücreler gündeme geldiğinde genellikle üç ayrı fikir birbirine karıştırılır ve bunları ayrı tutmak literatürü okumayı kolaylaştırır.

Birincisi ara bağlantı kazancıdır: çeyrek hücreler akımın dörtte birini taşır, bu yüzden şeritteki direnç kaybı keskin biçimde düşer. Bu çözülmüştür ve teknolojinin üretimde olmasının nedeni budur. İkincisi, daha küçük hücrelerin gölge toleransını, bağlantı kutusu gereksinimlerini ve laminatın mekanik davranışını değiştirdiği modül düzeyindeki sonuçtur; iki parçalı bağlantı kutusu bunun görünür bir sonucudur. Üçüncüsü, burada konu olan ve ilk iki tartışmanın atlama eğiliminde olduğu kesim yüzeyinin kendisidir.

Aralarındaki pratik bağlantı proses akışıdır. Oluk açma bir lazer kesim adımıile yapılır, kaplama adımı hattın zaten sahip olduğu LPCVD kapasitesine girer ve bitirme adımları metalizasyon ve şeritle bağlamadır. Bu rotayı değerlendiren bir hat, aslında eklemenin zaten sahip olduğu iki alet arasına sığıp sığmadığını değerlendirir ve yayımlanan tact değeri yaklaşık %3'tür.

SSS

Kaplama kesme ihtiyacını ortadan kaldırıyor mu?

Hayır. Çeyrekler hâlâ kesilir ve oluk hâlâ oradadır. Değişen, oluğun açığa çıkardığı duvarın elektriksel davranışıdır, geometri değil.

Neden daha nazik bir prosesle kesmiyoruz?

Daha temiz bir kesim hasarı azaltır ama yine de pasivasyonsuz bir yüzey bırakır. Rekombinasyon, pürüzlülük kadar eksik pasivasyondan da kaynaklanır; bu yüzden buradaki cevap daha iyi bir lazer reçetesi değil, bir kaplamadır.

1 nm oksit güvenilir mi?

Bu mertebedeki tünel oksitleri TOPCon üretiminde zaten kullanılıyor, yani kavram gofret yüzeyinde kanıtlanmıştır. Aynı kalınlığın farklı bir yüzey yönelimi ve daha pürüzlü bir başlangıç noktası olan bir oluk duvarında dayanıp dayanmayacağı açık sorulardan biridir.

Bu yalnızca TOPCon için mi geçerli?

Tünel oksit ve katkılı poli-Si kombinasyonu bir TOPCon yapısıdır, bu yüzden rota doğal olarak bunu zaten çalıştıran hatlara yöneliktir. Parçalara kesilen diğer hücre tipleri, kendi prosesleriyle uyumlu bir pasivasyon yığını gerektirir ki bu farklı bir mühendislik problemidir.

Bir denemede önce neyi kontrol ederdik?

Her şeyden önce kenar SRV vekili ve voltaj. 30 µm genişliğinde bir oluk boyunca biriktirme homojenliği, katmanın kristalliği ve eklenen adımların tact maliyeti bunu izler ve oluk açıldıktan sonra çeyreğin mekanik davranışı unutulmaya en yatkın kalemdir.

Kaplama, şeritleyicinin yapması gerekeni değiştiriyor mu?

Doğrudan değil. Kaplama elektrikseldir, bu yüzden yerleştirme hassasiyeti, lehimleme sıcaklığı ve tutma kuvveti değişmez. İçinden bir oluk geçen çeyrek hücrenin kendisi, tutulması daha zor nesne olarak kalır ve bu, bu çalışmanın ele aldığı kısıttan ayrı bir kısıttır.

Bu sonucun faydalı kısmı verimlilik rakamı değildir. Faydalı olan, bir bileşim kararının bir perovskit hücrenin termal bir ortamda hayatta kalıp kalmayacağını ölçülebilir şekilde belirlediği, kararın bir yön yerine bir optimuma sahip olduğu ve hızlı bir rampa testinin adayları günler içinde ayırabildiğidir. Bu üç ifade, hedef ister bir uydu ister bir çatı olsun, herhangi bir perovskit ürününe aktarılır.

Hücreleri daha iyi yapmak için silikonu kesmek biraz tuhaf bir takastır ve işe yarar çünkü ara bağlantı kazancı büyüktür. Bu çalışmanın yaptığı şey, takasın hiç fiyatlandırılmamış kısmında döngüyü kapatmaktır: kesimin oluşturduğu yüzey. Oluk duvarını, hücrenin başka yerlerde kullandığı aynı seçici kontak yığınıyla kaplamak tutarlı bir cevaptır ve bunun mevcut LPCVD kapasitesi ve iki düşük sıcaklık adımıyla yapılabilmesi, izlemeye değer olmasının nedenidir.

Her zamanki uyarı geçerlidir. Mekanizma sağlamdır ve yerleşik fizikten kaynaklanır; bildirilen yarım puanlık verim kazancı tek bir kaynaktan gelir ve bağımsız olarak doğrulanmamıştır ve özellikle çift yüzlülük değeri tablonun geri kalanından daha zayıftır. Bir hat için makul tutum, bunu gerçek ama doğrulanmamış bir kazançla bir proses eklemesi olarak izlemek ve mekanizmanın öngördüğü ölçümle, yani voltajla test etmektir.

Veri notu: katman kalınlıkları, proses koşulları ve öncesi-sonrası karşılaştırması bu rota ile yayımlanan değerlerdir ve bildirildiği şekilde yeniden üretilmiştir; bağımsız olarak doğrulanmamıştır. Yaklaşık 1 mm'lik duvar alanı değeri, 33.124 mm'lik bir gofret yüzeyine karşı 182 mm'lik bir hücrede 30 µm'lik bir oluk, 1,5 µm derinlik ve iki tam boy kesimden yola çıkılarak bizim kendi tahminimizdir² is our own estimate from a 30 µm groove, a 1.5 µm depth and two full-length cuts on an 182 mm cell, against a wafer face of 33,124 mm²Kayıpların sıralaması, akımdan önce gerilim, basılı bir rakamdan değil mekanizmadan kaynaklanır.