一文讀懂“激光增強接觸優化技術”（LECO）中的當前路徑和溫度分布
Published:
2023-11-01 00:00
Source:
摘要
我們介紹了二極管網絡模拟的結果，在“激光增強接觸優化”（LECO）過(guò)程中對(duì)電流路徑和電流密度進(jìn)行建模。我們對(duì)接觸界面(miàn)進(jìn)行建模，假設圓形接觸開(kāi)口以面(miàn)積密度、特定接觸電阻率和接觸半徑爲特征。模拟結果表明，電流密度随著(zhe)接觸半徑的增加而減少，但對(duì)小接觸半徑的最大值飽和。電流密度以幾個MA/cm2的順序排列，具體取決于應用的端子電壓。在第二部分中，介紹了一個傳熱模型，該模型使用計算出的電流密度作爲輸入，并返回溫度分布作爲空間和時間的函數。該模型的結果表明，在接觸區可以達到較高的局部溫度（高于100°C，達到8000°C），而表面(miàn)溫度不會顯著上升（高于室溫低于20 K）。此外，結果表明，對(duì)于非常小的接觸半徑，局部溫度很低，然後(hòu)以約50納米的順序增長(cháng)到接觸半徑的最大值，然後(hòu)由于大接觸半徑的電流密度下降而再次下降。然而，結果表明，如果接觸區域與銀或矽體熱接觸，溫度會遠低于矽熔點。隻有假設接觸區域被(bèi)低導熱材料（例如玻璃層）包圍時，模型才會指示溫度高于矽熔點。從這(zhè)些發(fā)現中，我們得出了一個描述性假設，該假設可以被(bèi)視爲文獻中已知的“當前被(bèi)解雇的聯系人”假設的延伸。我們認爲，LECO處理前的接觸需要滿足某些激活标準（接觸大小和隔熱環境），才能(néng)通過(guò)LECO工藝“激活”。如果被(bèi)激活，觸點（如文獻所述）作爲半球體進(jìn)入材料，并且由于電流密度下降而停止生長(cháng)，因此如果觸點達到一定尺寸，溫度會下降。我們的計算表明，這(zhè)個尺寸是按照典型結深度（~300納米）的順序排列的。如果用LECO過(guò)度處理PERC電池，這(zhè)些電池與磷發(fā)射體的分流阻力降低的觀察結果是一緻的。
導言
“激光增強接觸優化”（LECO）流程于2019年首次推出[1]。LECO改善了用絲網印刷銀漿金屬化太陽能(néng)電池的金屬半導體接觸。在此過(guò)程中，激光掃描電池正面(miàn)，局部導緻非常高的電荷載體注入。同時，對(duì)電池的觸點施加負偏置電壓。高注入和負偏差通過(guò)接觸界面(miàn)導緻高電流密度，這(zhè)導緻了接觸的形成(chéng)。該過(guò)程的示意圖如圖1所示。
LECO允許接觸低摻雜的發(fā)射器[3]，它允許使用LECO特定漿料[4]，并允許在PERC加工線中應用較低的燃燒溫度[5]。加工鏈中的這(zhè)些額外自由度被(bèi)證明會導緻PERC太陽能(néng)電池的效率提高潛力約爲0.3%abs.至0.4%abs。在我們的實驗室裡(lǐ)，我們最近可以證明iTOPCon太陽能(néng)電池的效率提升潛力甚至更高（0.6%abs）[6]，并且（令人驚訝的是）我們觀察到LECO還(hái)改善了具有鍍層觸點的電池的效率潛力[7]。盡管該過(guò)程潛力巨大，但LECO過(guò)程觸發(fā)的接觸形成(chéng)機制尚未被(bèi)完全理解。在引入LECO之前，各種(zhǒng)工程試圖描述Ag-Si觸點的形成(chéng)[8-11]，指出電流可能(néng)“直接”從矽流向(xiàng)銀體，或者“間接”通過(guò)隧道(dào)穿過(guò)玻璃内部的Ag沉澱物上的薄殘留玻璃屏障。關于LECO在接觸形成(chéng)中的作用，在最近關于太陽能(néng)電池金屬化的一本書中可以找到一個小段落（[12]第6.1.7節），其中指出，根據參考文獻，LECO激發(fā)提供了還(hái)原Ag+離子所需的必要電子，這(zhè)是接觸形成(chéng)所必需的。[13]。與此相反，Großer等人[14]提出了一個描述性模型（“當前發(fā)射接觸（CFC）模型”），指出通過(guò)接觸界面(miàn)的高電流密度會導緻高溫，這(zhè)些高溫導緻銀和矽之間的相互擴散。冷卻後(hòu)，留下由銀和矽混合相組成(chéng)的大表面(miàn)的半球形觸點（CFC）。然後(hòu)，這(zhè)些氟氯化碳在Ag-Si接口上具有良好(hǎo)的整體接觸。
在這(zhè)項工作中，我們試圖通過(guò)對(duì)二極管網絡中的過(guò)程情況進(jìn)行建模，更定量地了解LECO過(guò)程中的電流路徑和電流密度。計算出的電流密度用作返回溫度分布的傳熱模型的輸入。我們調查溫度是否以及在哪些條件下變得足夠高，以支持氟氯化碳的假設。基于建模結果，我們擴展了CFC假設和名稱要求，這(zhè)些要求必須在LECO過(guò)程之前由接觸結構來滿足，我們提出解釋爲什麼(me)接觸的增長(cháng)會在某些接觸半徑停止。
DIODE網絡模拟
模拟設置
正如[15]所總結的那樣(yàng)，許多作者都(dōu)采用了電路網絡模拟對(duì)光伏設備的描述。與典型的太陽能(néng)電池工作條件（強度約爲1太陽的均勻照明，正向(xiàng)電壓在0 mV至750 mV之間）相反，LECO過(guò)程中的條件從根本上不同。這(zhè)裡(lǐ)應用了短的局部照明，局部強度約爲3 Megasuns，反向(xiàng)偏置高達-25 V。爲了計算通過(guò)太陽能(néng)電池相關段的當前路徑（如圖1（右）所示），我們用圖2所示的二極管網絡表示該段。電路網絡中的電壓和電流密度是使用基爾霍夫的電路定律計算的。在實踐中，我們使用免費軟件LTspice XVII[16]的求解器。
作爲模型的輸入，給出了表示光照誘導産生電流的産生輪廓jgen(，y)。Jgen(x，y)被(bèi)認爲是位置的函數，因爲激光照亮了産生電流密度最高的某個光斑(xo，yo)。在此點之後(hòu)，igen(X，v)被(bèi)假定爲具有特征寬度o的特定形狀衰變。因此，産生剖面(miàn)完全由總的産生電流iGen、光斑位置到金屬手指D.F的距離以及激光光斑o的特定寬度來描述。二極管的正面(miàn)由歐姆電阻Rsheet連接，Rsheet表示電池的發(fā)射極薄層電阻。二極管本身的特點是暗飽和電流密度io和理想值爲1。假設銀指的金屬是一個等電位區，它通過(guò)接觸電阻連接到金屬下面(miàn)的二極管。金屬半導體界面(miàn)由一個區域來描述，該區域在主體部分是不導電的，但在某些接觸開(kāi)口處是導電的。這(zhè)些接觸開(kāi)口的特征在于該區域内的密度CCO，半徑RCO和特定的電阻率帕司。片電阻假定爲400/平方。對(duì)于太陽能(néng)電池發(fā)射器來說，這(zhè)似乎是不典型的低。然而，這(zhè)種(zhǒng)選擇的薄層電阻允許匹配的模拟終端電流與實驗測得的終端電流。我們認爲，在此過(guò)程中的薄層電阻是-在正常的大陽能(néng)電池操作相反-不确定的發(fā)射極的摻雜密度，而是由注入的載流子本身，這(zhè)是一個參數支持選擇較低的薄層電阻的二極管的暗飽和電流密度被(bèi)假定爲100 fA/cm2代表一個典型的太陽能(néng)電池值。接觸半徑在1nm和500 nm之間的間隔中變化。這(zhè)是相當困難的假設，對(duì)“真實的接觸半徑在絲網印刷矽銀界面(miàn)的複雜景觀。然而，給定的間隔似乎代表了可能(néng)的接觸半徑的合理選擇，可以從文獻[8.14,17，18]中接觸界面(miàn)的SEM圖像來判斷。接觸密度CCo的值在[14]作爲矽銀界面(miàn)上接觸密度的粗略估計。觀察頂視圖SEM圖像(本文未顯示)，我們可以确認密度值大緻在10°cm2和107cm2之間，支持在[14].在文獻中發(fā)現了不同的數值，銀和矽頁-Si之間的直接接觸電阻大緻分配在10-60cm 2。中給出了一個概述[19.肖特基接觸熱電子發(fā)射和場發(fā)射的理論表達式[20]對(duì)于依賴于表面(miàn)摻雜濃度的比接觸電阻，也産生約10-60cm 2的典型值。雖然描述這(zhè)些接觸的數值是基于粗略的估計，但我們在這(zhè)項工作中觀察到的有關趨勢可以用表1中給出的輸入參數作爲“典型”情景的描述。表1列出了這(zhè)項工作中用于建模的輸入參數清單。
二極管網絡模拟和讨論的結果
從二極管網絡的觀點來看，可以得出關于通過(guò)金屬半導體界面(miàn)可以實現的最大電流密度Jm ax的上限的個基本結論。實際上，Jm ax隻依賴于端電壓Vterm和銀與矽之間的電阻率。-Si和作爲經(jīng)驗法則可以用下面(miàn)的表達式給出:
從一開(kāi)始，這(zhè)可能(néng)并不是完全直觀的，但很明顯，如果這(zhè)個表達式被(bèi)認爲是歐姆定律，在命名子中有一個電壓下降，在分母中有一個電陽率。電壓降在圖2所示的兩(liǎng)個點之間。現在的關鍵思想是，伏前/暗不能(néng)大于1V。這(zhè)是因爲二極管的特性。如果個矽二極管被(bèi)照亮一個太陽，我們習慣于VC值在700 mV左右。在LECO過(guò)程中，有幾個大力神的局部照明。這(zhè)可能(néng)會提高局部電壓值慢慢接近一伏，但除非照明變得荒謬地高，局部電壓不會增加遠遠超過(guò)一伏。因此，方程(1)爲通過(guò)接觸界面(miàn)的電流密度的上限提供了一個非常簡單的經(jīng)驗法則，并使我們能(néng)夠迅速估計出我們正在處理的電流密度的數量級爲幾個MA/cm2。(取決于端子電壓)如果我們假定直接電阻率Pag-Si爲10-60·cm 2。
使用上述模拟設置，我們計算通過(guò)接觸界面(miàn)的電流密度爲不同的接觸半徑和不同的端子電壓。結果如圖3所示。
我們觀察到，電流密度随著(zhe)終端電壓的增加而增加，這(zhè)是意料之中的。由于電流必須通過(guò)的區域減少，電流密度随著(zhe)接觸半徑的減少而增加。但最終，電流密度飽和了非常小的接觸半徑，接近方程（1）給出的飽和值。圖3中顯示的結果用作以下讨論的傳熱模型的輸入值。
傳熱模型
仿真設置
爲了計算LECO過(guò)程中接觸界面(miàn)出現的局部溫度，我們建立了一個傳熱模型。在那裡(lǐ)，設備的一部分由圖4（右）中可視化的幾何圖形表示。假設一個200x200x200 μm3的矽立方體位于銀塊（橫截面(miàn)25x25 μm2）下方。假設材料之間有500納米高度的玻璃層。在玻璃層中，我們假設一個5x5觸點陣列。接觸半徑從1納米到500納米不等。我們現在模拟兩(liǎng)個不同的接觸場景。第一個（“直接接觸場景”見圖4（左））假設銀和矽之間有直接導電路徑和熱接觸。第二個（“絕緣接觸場景”圖4（中間））假設該接觸通過(guò)殘留玻璃層與銀和矽塊部分熱分離。
傳熱模型假設焦耳熱根據表達式在接觸區域消散：
這(zhè)裡(lǐ)的量ic contact是流經(jīng)觸點的電流密度，由上一節中解釋的電路網絡計算确定。我們用熱導率矽銀玻璃，130瓦寬，429瓦寬，1.38瓦寬 以及熱容Cp;si，Agglass=703，235 kkK，700-分别用于矽，銀和玻璃。這(zhè)些輸入允許求解熱方程和計算溫度分布T (x,t)作爲空間和時間的函數。在實踐中，我們使用商用軟件Comsol Multiphysics進(jìn)行計算。
傳熱模型和讨論的結果
圖5（中）顯示了圖5左側所示的平面(miàn)區域的熱圖。熱圖是通過(guò)假設“直接接觸場景”獲得的。圖5的右側顯示了接觸點随時間變化的溫度變化。
從模拟熱圖中可以得出兩(liǎng)個基本發(fā)現。也就是說，高溫隻出現在電流實際流經(jīng)的接觸區域的附近。已經(jīng)靠近接觸區，溫度下降到室溫左右的值。這(zhè)與實驗結果非常一緻，實驗結果是通過(guò)在LECO過(guò)程中用熱照相機監測太陽能(néng)電池獲得的。熱相機圖像如圖6所示，适用于不同的LECO設置（終端電壓和激光功率）。據觀察，電池的表面(miàn)溫度不會超過(guò)室溫明顯升高。其次，時間演化表明，觸點的升溫在電流密度“打開(kāi)”後(hòu)立即發(fā)生，觸點在“關閉”電流後(hòu)立即冷卻。在這(zhè)裡(lǐ)，5 μs代表激光在LECO過(guò)程中“留在”一個位置的典型時間。這(zhè)次進(jìn)化支持了CFC理論，該理論闡述了觸點的“快速冷卻”。
使用模拟電流密度作爲“直接接觸場景”和“熱絕緣接觸場景”的輸入，我們計算了不同接觸半徑和不同端子電壓的接觸點的最高溫度。結果如圖7所示。
首先，在這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)情況下都(dōu)可以觀察到，小接觸半徑的溫度在開(kāi)始時會升高，最高可達50納米左右。這(zhè)是因爲-盡管小觸點的電流密度很高-但觸點體積中沒(méi)有足夠的熱量沉積。進(jìn)一步增加接觸半徑，我們觀察到溫度因電流密度下降而下降，接觸半徑增加。其次，我們觀察到，在“直接接觸場景”中，局部溫度保持在矽和銀的共晶溫度（~835°C [21]）以下，遠低于矽熔點（~1410°C），即使對(duì)于相當強的LECO參數也是如此。
這(zhè)是因爲熱導體（銀和矽）很快將(jiāng)熱量“帶走”。相比之下，在“熱絕緣接觸場景”中，溫度達到高于矽熔點的值。這(zhè)兩(liǎng)個發(fā)現讓我們得出一個假設，即LECO之前的聯系人需要滿足兩(liǎng)個标準，才能(néng)被(bèi)LECO“激活”，并開(kāi)始成(chéng)長(cháng)爲當前解雇的聯系人：
觸點需要部分隔熱，才能(néng)達到矽熔點以上的溫度
觸點在LECO工藝之前需要有一定的尺寸，以便産生足夠的熱量來達到矽熔點
圖8顯示了一張示意圖，該圖應顯示LECO之前和之後(hòu)可能(néng)接觸景觀的印象。
當觸點變大時，電流密度和溫度降低。最終，溫度下降到銀矽合金共晶點以下，如圖7所示(右)。我們相信，在這(zhè)種(zhǒng)接觸規模，接觸將(jiāng)停止增長(cháng)。最有趣的是，根據LECO電壓，圖7所示的接觸尺寸在200到400 nm之間。這(zhè)是典型的PERC電池與磷發(fā)射器的連接深度。在我們實驗室最近的一項實驗中(未在本工作中展示)，我們發(fā)現與深結的PERC電池相比，淺層連接的PERC電池對(duì)LECO過(guò)度處理更敏感。因此，這(zhè)些發(fā)現與實驗觀察到的行爲是一緻的。最後(hòu)，應該指出，本工作中顯示的絕對(duì)電流密度和溫度值是基于對(duì)接觸界面(miàn)導電行爲的非常粗略的假設。如果改變一個參數(例如，直接電陽率Pag-si)，我們就會得到不同的數字。然而，我們觀察到的潛在趨勢將(jiāng)保持不變，因此模拟結果揭示了對(duì)LECO過(guò)程中所發(fā)生的事(shì)情的有價值的洞察。
結論
通過(guò)電路網絡模拟，我們發(fā)現在LECO過(guò)程中，通過(guò)接觸界面(miàn)的電流密度爲幾個MA/cm2。我們導出了在LECO過(guò)程中可能(néng)出現的最大電流密度的一個簡單的經(jīng)驗法則(方程(1)。發(fā)現電流密度随接觸半徑的增大而減小。使用傳熱模型。我們觀察到接觸點局部升溫很強(達到100°C到8000C之間)，但溫度下降到接近這(zhè)些點，從而解釋了在熱照相機觀察到的過(guò)程中表面(miàn)溫度較低的原因。從溫度随時間的變化來看，我們可以說觸點是瞬間升溫和冷卻的(在一個相對(duì)于有效LECO時間5us可以忽略不計的時間内)，我們還(hái)觀察到觸點必須對(duì)矽和銀的良好(hǎo)導熱量進(jìn)行隔熱，才能(néng)達到矽熔點以上的溫度。如果接觸半徑增大，我們觀察到溫度下降。根據這(zhè)些發(fā)現，我們得出了一個假設，即在LECO工藝之前，觸點必須滿足活化标準(尺寸和保溫)，如果生長(cháng)相關的溫度下降導緻Si-Ag合金共晶溫度以下，則觸點停止生長(cháng)。計算得到的接觸尺寸在典型的磷發(fā)射極結深(~300 nm)範圍内，與不同發(fā)射極深度太陽電池的實驗結果一緻。
