TOPCon 烧结工艺中氢扩散对多晶硅/SiO 钝化触点的调控机制

多晶硅/隧穿氧化硅（poly-Si/SiOₓ）钝化触点的烧结稳定性是 TOPCon 电池制造的核心工艺问题。本文基于二次离子质谱（SIMS）分析和复合电流密度 J₀ 表征，系统阐述烧结过程中氢从 SiN 封盖层向 SiO 界面扩散的行为，揭示过量氢导致表面钝化恶化的非线性机制，分析 SiN 薄膜密度和折射率、烧结温度、多晶硅沉积条件和磷扩散浓度对氢扩散行为的影响，并提出脱氢恢复的工艺控制方法。

1 引言

TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）太阳能电池的背面钝化接触结构由超薄 SiOₓ 隧穿氧化层（1 ~ 2 nm）和重掺杂多晶硅层组成。该结构的钝化质量直接决定电池的开路电压 Voc 和转换效率。产业中，SiNₓ:H 薄膜兼具减反射和氢钝化双重功能，是正面和背面最常用的介电封盖层。

然而，非原位掺磷的 poly-Si/SiO 钝化触点在经历 800°C 及以上的烧结（firing）处理时，会发生显著的表面钝化退化。传统理论认为氢化处理可改善 poly-Si/SiO 结构的表面钝化，但最新研究表明，氢在 SiO 界面附近的作用并非单调有益——过量的氢反而导致钝化恶化。这一发现对 SiNₓ 薄膜的工艺优化提出了新的要求。

本文综合报道了该领域的实验研究结果，从氢扩散动力学、SiN 薄膜物性与 J₀ 退化之间的定量关系出发，提出了一种基于氢调控的钝化优化框架。

2 实验方法

2.1 样品制备

• 晶片：磷掺杂 n 型 Cz 晶片，厚度约 170 μm，电阻率 4 Ω·cm
• 流程：化学抛光 → SiO₂ 热生长 → LPCVD 沉积多晶硅 → 非原位 POCl₃ 扩散
• HF 处理：磷扩散后使用 HF 去除磷酸硅酸盐玻璃（PSG）
• SiN 沉积：使用不同 PECVD 工具沉积 SiNₓ 封盖层，控制折射率和 Si-N 键密度
• 烧结：RTA 工具，峰值温度 700 ~ 900°C，样品两侧覆盖假片
• 后处理：部分样品经 HF 浸渍去除 SiN 后重新沉积并退火（FGA），或在 300°C N₂ 中退火

2.2 表征手段

• SIMS：测量氢在多晶硅/SiO/c-Si 结构中的深度分布，重点关注 SiO 界面附近的氢峰
• QSS-PC：测量有效少子寿命 τ 和复合电流密度 J₀
• 椭偏仪：表征 SiN 薄膜的折射率 n 和厚度
• EDNA 2：模拟提取 c-Si/SiO 界面的有效表面复合速度 SRV

3 实验结果

3.1 SiN 涂层对烧结行为的影响

无 SiN 涂层样品：

• 800°C 烧结后，τ 和 J₀ 发生显著退化
• 随后的 FGA 氢化处理后，τ 和 J₀ 完全恢复并进一步改善
• SIMS 显示扩散后和烧结后的样品在 SiO 附近无清晰氢信号；SiN 沉积和 FGA 后氢峰出现

带 SiN 涂层样品：

• 800°C 烧结后退化程度较无 SiN 样品轻
• 随后的氢化处理未恢复钝化，反而导致进一步退化
• SIMS 显示涂覆 SiN 后 SiO 周围出现小氢峰；烧结后氢信号显著增加，氢浓度延伸到多晶硅层和 c-Si 衬底

核心发现：表面钝化质量不随 SiO 界面附近的氢量单调增加。这与"氢化总是改善钝化"的传统认知相矛盾，表明存在一个氢含量的最优区间——过低不足以钝化缺陷，过高则引入新的复合中心。

3.2 SiN 薄膜密度与折射率的调控作用

多晶硅/SiO 触点中的氢浓度与 SiN 封盖薄膜的折射率 n 和 Si-N 键密度（即薄膜密度）直接相关。实验比较了两种 SiN 薄膜：

致密的 SiN-C 层在高温退火时更有效地阻止氢从晶圆向外扩散，导致 SiO 界面附近氢含量增加。使用 AlO/SiN-A 堆栈的样品显示出更高的烧成稳定性和略低的 SiO 周围氢含量。

J₀ 与氢含量的关系：所有涂有介电薄膜的样品中，J₀ 值随 SiO 周围氢量的增加而增加。氢峰值强度越高，表面复合越严重。

3.3 烧结温度的影响

在 700 ~ 900°C 峰值烧结温度范围内，SiO 周围的氢浓度随温度升高而单调增加。这一现象与 SiNₓ 薄膜在高温下释放的氢量增加有关。

同时观察到，提高峰值烧结温度或使用更密集的 SiN 涂层时，过量氢的负面影响更加明显——J₀ 退化幅度增大。

3.4 脱氢恢复实验

为验证过量氢是导致钝化退化的根本原因，设计了脱氢对照实验：

去除 SiN 覆盖层后，将 800°C 烧成的样品在 300°C N₂ 中退火：

SIMS 曲线证实退火过程中氢从 poly-Si/SiO 结构中释放。去除适量氢可显著提高钝化质量，但过度释放导致氢缺乏同样使钝化恶化。 保留烧结 SiN 薄膜的样品在整个退火过程中 J₀ 基本不变，表明 SiN 作为氢扩散屏障阻止了氢的释放。

3.5 氢浓度的最优区间模型

综合全部实验数据，低氢含量和高氢含量均导致强烈的表面复合。存在一个最优氢浓度区间，在该区间内表面钝化质量最高。

该模型不仅适用于本研究的 poly-Si 钝化触点，在其他工艺制造的多晶硅结构中也观察到因过量氢导致的 J₀ 退化。文献中关于高温烧结导致过度加氢、沉积温度对钝化性能和氢浓度影响等发现均与该模型一致。

氢引起复合的可能机制包括：形成结构缺陷、磷掺杂剂失活、形成氢相关复合中心。快速烧结过程中的大温度梯度可能导致 poly-Si/Si 结构中的热应力，产生或激活复合中心缺陷。

3.6 多晶硅沉积温度的影响

比较 500 ~ 550°C 温度下 LPCVD 沉积的多晶硅薄膜：

• 550°C 沉积的多晶硅具有最高晶界分数，在后续烧结过程中可容纳最大量氢
• 所有样品在退火过程中都显示 J₀ 的回升，表明含有过量氢
• 回升率的差异归因于烧结时氢在多晶硅层中的有效扩散率不同，与微晶特性差异直接相关
• 550°C 沉积的样品需要最长退火时间释放多余氢

3.7 磷扩散条件的影响

不同磷扩散条件下掺杂的多晶硅烧成响应存在显著差异：

• 部分样品在 N₂ 退火中保持稳定，部分显示 J₀ 完全回升
• 回升率与掺杂浓度成反比——掺杂浓度越低，J₀ 回升越明显
• EDNA 2 模拟提取的 c-Si/SiO 界面有效 SRV 变化幅度随多晶硅中掺杂浓度的降低而增加
• 最轻掺杂的多晶硅在 SiO 周围具有最高的氢含量，烧结后钝化退化最明显，N₂ 退火中 J₀ 完全回升所需时间最长

3.8 低温暗退火对钝化的恢复作用

产业实践中，PECVD 制备的 TOPCon 结构在完成高温快速烧结后，经低温暗退火（~300°C）可显著提升钝化性能。原理是通过低温暗退火激活 SiNₓ:H 中的氢原子，使其向内部扩散至 Si-SiO₂ 界面，进一步实现化学钝化。

电流-温度-时间三因素是电注入式氢钝化的关键参数。间接热氧化制备的 TOPCon 电池最佳参数为 6 A、220°C、50 min（效率提升 0.126%abs）；等离子体氧化法制备的电池最佳参数为 4 A、200°C、40 min（效率提升 0.098%abs）。光注入式氢钝化在 240°C、40 s、18 Suns 条件下可实现 0.245%abs 的效率提升。

4 工艺控制策略

4.1 SiNₓ 薄膜设计

基于氢调控的角度，SiNₓ 薄膜需从"尽可能多供氢"转向"精确控制供氢量"：

• 折射率控制：SiNₓ 折射率不仅影响光学性能，还通过 Si-N 键密度间接控制氢的释放行为。折射率偏低（< 2.0）时薄膜致密度不足，烧结过程中氢释放过快；折射率偏高（> 2.15）时氢释放过量
• 叠层结构：AlO/SiN 堆栈相较单一 SiN 层具有更好的烧成稳定性，AlO 层可部分调节氢扩散速率
• 退火激活：低温暗退火（300°C）是实现氢精准释放和界面缺陷钝化的关键工艺步骤

4.2 烧结工艺窗口

• 峰值烧结温度过高（> 850°C）导致 SiNₓ 释放过量氢和热应力增加
• 烧结温度需与 SiNₓ 薄膜物性匹配——高密度 SiNₓ 可用更低烧结温度
• RTA 过程中的升降温速率影响氢扩散动力学和热应力分布

4.3 多晶硅掺杂与沉积

• 提高磷掺杂浓度可降低氢在 poly-Si 中的有效扩散率，减少烧结后 SiO 周围的过量氢
• 多晶硅沉积温度影响晶界分数→影响氢容纳能力→影响退火恢复速率
• 550°C 沉积需更长退火时间释放多余氢

4.4 脱氢后处理

对于已发生烧结退化的样品，可考虑：

• 去除 SiN 覆盖层后在 300°C N₂ 中短时间退火（1 ~ 2 min）释放多余氢
• 重新沉积优化参数的 SiNₓ 薄膜并 FGA 处理
• 退火时间需精确控制——过短氢释放不充分，过长导致氢缺乏

5 结论

多晶硅/SiOₓ 钝化触点的烧结稳定性由氢在烧成过程中的扩散及其与界面缺陷的相互作用决定。氢的作用呈现非单调特征：适量氢有效钝化 SiO/c-Si 界面的悬挂键，降低界面态密度；过量氢则形成氢相关复合中心，导致 J₀ 升高和钝化退化。

SiNₓ 封盖层的折射率和 Si-N 键密度通过调控氢的释放与扩散行为间接决定烧结稳定性。烧结峰值温度、多晶硅沉积条件和磷扩散浓度通过影响氢扩散率和容纳能力共同作用于钝化退化程度。

工艺优化方向为从"最大化供氢"转向"精确控制氢量"——通过 SiNₓ 折射率调控、叠层结构设计、烧结温度匹配和低温退火激活，实现氢在 SiO 界面的适量分布，兼顾缺陷钝化和避免过量氢损伤。